¿Cómo los árboles nos pueden dar clases de mecánica estructural?

Enviado por admin el Mié, 11/11/2015 - 15:25
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Gustavo Vargas Silva

Descripcion del autor

Grupo ‘Materiales+Tecnologías’ - Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad del País Vasco (UPV/EHU), E- 20018 San Sebastián, España; [email protected]

Ingeniero Mecánico por la Universidad Pontificia Bolivariana, de Medellín en 1997. Máster en Ingeniería de Nuevos Materiales en 2003, por la misma universidad. Diploma de Estudios Avanzados en 2005 en el programa doctoral sobre Nuevas Tecnologías de Automoción de la Universidad de Zaragoza. Doctor por la Universidad del País Vasco en 2010. Profesor adjunto en la Universidad Pontificia Bolivariana, de Medellín entre 1998 y 2003. Profesor colaborador en la Universidad EAFIT, de Medellín entre 2001 y 2002. Profesor adjunto en la Universidad del País Vasco desde 2011 hasta la fecha. Experiencia laboral en empresa como Director Técnico del Departamento de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación de la empresa AH Asociados Arquitectos en Pamplona entre 2006 y 2010.
Líneas de investigación:
• Caracterización mecánica de materiales.
• Mecánica de materiales compuestos.
• Diseño y procesado con plásticos reforzados.
• Materiales para ingeniería civil y arquitectura.
• Sistemas constructivos industrializados.
• Biomecánica / Biomimética de las plantas.

Ha publicado una docena de artículos científicos en revistas internacionales y un libro sobre divulgación científica para jóvenes, además de tener más de 50 comunicaciones en congresos internacionales. Ha participado activamente en varios proyectos de investigación locales, nacionales y europeos, así como en proyectos con empresas, a partir de los cuales tiene tres patentes.

¿Qué dirías si te dicen que los árboles son las mejores estructuras de la naturaleza? ¿Y cómo reaccionarías si te aseguran que son unos campeones en el arte de soportar grandes cargas y de todo tipo? Pues sí, los árboles son unas de las más impresionantes construcciones mecánicas que existen. De hecho, si en la naturaleza los animales son los equivalentes de los vehículos y las máquinas (insectos como helicópteros, hormigas como robots, pájaros como aviones, delfines como submarinos…), las plantas son seguramente los equivalentes de las estructuras: vigas, columnas, postes, techos, cerchas, torres de energía, turbinas de viento… En casi todas las plantas la estructura principal sujeta otra parte por encima del suelo. Por ejemplo, en una planta, las raíces, el tallo y las ramas tienen que levantar las hojas por encima de las de otras plantas competidoras para aprovechar la luz solar que le ofrece la energía necesaria para su crecimiento y su reproducción.

 

 

Los árboles pueden crecer más de 100 m de altura, pesar más de mil toneladas y alcanzar edades de varios miles de años 

 


Otra pregunta ¿cuáles crees que son los seres vivos más grandes que han vivido en nuestro planeta? Pues claro, los árboles ¿o acaso pensabas que eran los dinosaurios, la ballena azul, King Kong o Godzilla?. El secreto está en que los árboles tienen una estructura interna jerárquica, es decir, su interior está organizado a todos los niveles, desde los átomos hasta los troncos, y en que sus tejidos internos son multifuncionales, o sea que cumplen varias funciones a la vez, desde transportar agua hasta aguantar el peso. De esta forma los árboles pueden crecer más de 100 m de altura [1] (ojo, el Edificio Coltejer en Medellín tiene 175 m y nuestra palma de cera del Quindío crece «apenas» hasta 60 m), pesar más de mil toneladas (hay secuoyas gigantes que son 10 veces más pesadas que una ballena azul) y alcanzar edades de varios miles de años [2] (hasta un poquito más de 5.000 años). Además, los árboles pueden soportar sin romperse esfuerzos en el tronco de hasta 4,5 veces su resistencia mecánica [3].


Y esa espectacular estructura interna de los árboles se ha conseguido tras miles y miles de años, 300 millones para ser más exactos, en los que han estado en competencia permanente, con otras plantas y entre ellos, para captar la mayor cantidad de energía solar. Su gran ventaja es su gran altura; así, logran ubicar a sus unidades de fotosíntesis (las hojas) en lugares privilegiados. Para conseguir esta ventaja competitiva, los árboles tienen que transportar el agua a lo largo de grandes distancias, en contra de la gravedad y de la fricción interna de sus «tuberías», y tienen que resistir cargas mecánicas considerables: su propio peso, la presión del viento, el peso de la nieve o el de los animales que caminan por sus ramas.


Para cumplir con los estos requisitos mecánicos, los árboles cuentan con un sofisticado diseño mecánico, y tienen un material de ingeniería único: la madera. De este modo combinan la resistencia, la flexibilidad y la rigidez, e incluso pueden responder a su entorno cambiando su «diseño interno», adaptándose. Algo así como «al son que me toquen, bailo». De esta forma, el interior del árbol se va acomodando para soportar mejor las cargas o para orientar / enderezar los troncos y las ramas, en función de lo que vaya soportando (un terreno inclinado, grandes vientos…). Los árboles también generan esfuerzos internos de crecimiento que le ayudan a compensar que la madera tiene un peor comportamiento mecánico a compresión que a tracción: aguanta más si la estiran que si la comprimen. Esto les permite desplegar las hojas usando un mínimo de material estructural [4].

 

 Combinan la resistencia, la flexibilidad y la rigidez, e incluso pueden responder a su entorno cambiando su «diseño interno», adaptándose 


Otra cosa más. Los materiales naturales vegetales en la mayoría de los casos son materiales compuestos reforzados con fibras [5], parecidos a las raquetas de tenis reforzadas con fibras de carbono o a las garrochas de salto alto reforzadas con fibra de vidrio, o son materiales con una estructura celular [6], al igual que las espumas, o ambas cosas, como la madera.


Por todo lo anterior, y debido sus características biológicas / evolutivas y a su importancia ecológica, ninguna otra especie vegetal ha recibido mayor atención científica que los árboles: se ha estudiado su «diseño mecánico», se ha entendido cómo soportan su propio peso o se han visto los factores que limitan su altura. Asimismo, se han estudiado los efectos que tienen las cargas externas (el viento, la nieve…) en la estabilidad de tallos con hojas y en el anclaje con raíces [7]. Sin embargo, todavía queda mucho por aprender de los árboles desde el punto de vista estructural.


Pero ¿Por qué tanta algarabía con esto de los árboles? Porque son quizás los organismos vivos con los que estamos más familiarizados: crecen a nuestro alrededor (seguro que tienes algunos al lado de la casa o del trabajo) y porque son más fáciles de observar que los animales (no corren, no vuelan, no nadan). Además porque los árboles, y las maderas, tienen un valor tecnológico muy importante en la sociedad, basta con ver detenidamente un kiosco, una silla, un barco, un puente, un arco y una flecha, una cuchara, un violín… Es más, hasta podríamos identificar algunas especies de árboles: un pino, una araucaria, un eucalipto, un guayacán... Esta situación nos llevaría a pensar, erróneamente, que lo sabemos todo sobre los árboles. Sin embargo son unos grandes desconocidos: han dominado la tierra durante los últimos 300 millones de años (mucho más que los dinosaurios, los mamíferos o nosotros los seres humanos). Igualmente, los árboles tienen una diversidad asombrosa con más de 80.000 especies que cubren el 30 % de la tierra firme de nuestro planeta [4].


Así es que la próxima vez que vayas al parque, que te aventures por la selva o que te adentres en el monte, mira con atención a tu alrededor porque estarás rodeado de profesores vivientes de ingeniería mecánica estructural. ¡¡Déjate enseñar!!

 

REFERENCIAS
[1] SPECK, T. & BURGERT, I. 2011. Plant Stems: Functional Design and Mechanics. Annual Review of Materials Research 41: 169-193.
[2] EDER, M., RÜGGEBERG, M. & BURGERT, I. 2009. A close-up view of the growth strategies of arborescent plants at different levels of hierarchy –Mechanical requirements and structural solutions. New Zealand Journal of Forestry Science 39: 115-124.
[3] MATTHECK, C., BETHGE, K. & SCHAFER, J. 1993. Safety factors in trees. Journal of Theoretical Biology 165 (2): 185-189.
[4] ENNOS, R.. Trees. Natural History Museum, London, 2001.
[5] FRATZL, P. & WEINKAMER, R. 2007. Nature’s hierarchical materials. Progress in Materials Science 52: 1263-1334.
[6] GIBSON, L.J. & ASHBY, M.F. 1997. Cellular Solids: Structure and Properties 2nd ed. Cambridge University, Cambridge.
[7] NIKLAS K. J., SPATZ H-C., VINCENT J. F. V. Plant biomechanics: an overview and prospectus. American Journal of Botany 93 (10): 1369-1378, 2006.