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Progresos relevantes de la ciencia y la técnica; el debut de los materiales sintéticos en la Química del siglo XIX Rolando Delgado Castillo Universidad de Cienfuegos.
Contexto y progresos en las Matemáticas
Ni la Santa Alianza, concertada en el Congreso de Viena (1815) luego de la derrota definitiva en Waterloo de las tropas bonapartistas, ni las monarquías “legítimas” restauradas para supuestamente lograr la estabilidad europea consiguieron detener los profundos procesos en constante aceleración del desarrollo de las relaciones capitalistas.
El último tercio del siglo XIX resulta un período relativamente pacífico de expansión capitalista que fertiliza el camino para las grandes realizaciones que sobrevendrían en la ciencia y la técnica. Las mejoras asociadas a la civilización urbana en los escenarios en que estas se viene produciendo, aunque cargadas de desigualdades y contradicciones, provocan una explosión demográfica que eleva la cifra de los habitantes del planeta por encima de los 1 600 millones de seres y hace crecer las necesidades en un amplio abanico de esferas de la vida material y espiritual de la sociedad.
Las metrópolis europeas desde la Rusia zarista hasta la Corona británica realizaron importantes contribuciones al desarrollo científico decimonónico pero pueden advertirse tres polos exponentes de la vanguardia: La Confederación Germánica, el Reino Unido, y la Tercera República francesa.
La unificación tardía de Alemania, capitaneada por la Prusia de Bismarck a partir de 1871, se traduce en un arrollador auge económico que tiene un momento brillante en los años 90 e influye en el esplendor de las instituciones germanas y en su movimiento científico.
La economía británica, luego de siglo y medio de liderazgo absoluto observó cierto declive, y las clases dominantes convinieron una nueva ronda de expansión colonial. El mercado de las zonas subordinados a la Gran Bretaña experimentó entonces un notable crecimiento: Afganistán, Egipto, Sudán, Birmania y extensos dominios de los zulues sudafricanos fueron anexados. La producción científica británica principalmente a través de sus instituciones líderes continuó su brillante desarrollo.
La III República Francesa apostó también a la dominación colonial y resultaron conquistados los territorios de Túnez, África Ecuatorial, África Occidental, Madagascar y Vietnam. La Escuela Francesa heredera de la tradición de los fundadores de esta ciencia prosiguió generando personalidades y producción científica de primera línea.
Al otro lado del Atlántico, Estados Unidos conocía de una rápida expansión económica. En breve lapso concluida la Guerra de Secesión (1861-1865), la Unión avanzaba firmemente hasta alcanzar hacia la última década del siglo un lugar cimero en la economía mundial. Paralelamente al despliegue económico de la joven y pujante nación iban desarrollándose las doctrinas políticas de dominación hemisférica. La amalgama de estos factores con la emprendedora inmigración que experimentó el país lo transformó en una Meca de la innovación.
La emancipación de América Latina, nutrida por el ideario de la Revolución Francesa y la Independencia de los Estados Unidos y sustentada por la contradicción económica entre Metrópoli y territorios dominados, no condujo a la cristalización del sueño bolivariano de un gran escenario de naciones integradas por idioma, religión y cultura comunes, sino al nacimiento de un mosaico fragmentado de países de acuerdo a estrechos intereses de las burguesías locales que en lugar de orientar a la región hacia el progreso económico la sumergió en frecuentes escenarios de conflictos, marginándola de los procesos sociales de la ciencia y la tecnología.
En tales circunstancias históricas, se suceden apenas iniciado el siglo, como en reacción en cadena, aquellas invenciones que producirían primero una revolución en el transporte marítimo y terrestre y luego un diluvio de artefactos eléctricos.
En unos treinta años desde que el ingeniero norteamericano Robert Fulton (1765 - 1815) inventara el buque accionado por el vapor, la travesía por el Atlántico para enlazar los puertos industriales de América y Europa se convertiría en un recorrido de unos catorce días. Por estos tiempos, el transporte terrestre experimenta el nacimiento y meteórico desarrollo del ferrocarril. Si en 1814 el ingeniero inglés autodidacta George Stephenson (1781 – 1848) construye la primera locomotora a vapor, hacia 1870 doscientos diez mil kilómetros de vía férrea enlazaban los principales nudos y núcleos poblacionales del mundo industrializado.
Este fantástico incremento de la actividad del transporte trajo incontables consecuencias: abarató el traslado de las materias primas hacia las fábricas y de los productos industriales hacia los mercados de venta, contribuyó al crecimiento del mercado interior y exterior, aumentó la necesidad de metal y de combustible y por tanto impulsó las industrias correspondientes y los procesos de industrialización de una serie de países.
Pero el sello de un nuevo paradigma en este siglo se asocia con la revolución en las comunicaciones y una nueva ola de invenciones en el transporte que están precedidas esta vez por los colosales descubrimientos en el área del Electromagnetismo.
A diferencia de momentos anteriores, en los que la práctica, precedía significativamente a la teoría, ahora la fuerza de los conocimientos de las nacientes ciencias impulsa y establece un complejo tejido de interacción con la tecnología. Si la máquina de vapor apareció en escena antes de la elaboración de la teoría de las máquinas térmicos, la construcción del motor eléctrico resultó posible solamente después de los avances de la teoría del electromagnetismo.
El dominio de una nueva forma de energía, la energía eléctrica inauguraba toda una época en el desarrollo de la sociedad. El tranvía eléctrico como forma de transporte público y el invento de la locomotora eléctrica, unidos a los primeros prototipos de móviles accionados por motores de combustión interna son los exponentes de la nueva oleada de equipos de transporte. El estreno del telégrafo y del teléfono y su rápida difusión, la grabación del sonido y la primera producción del fonógrafo, la instalación de las primeras plantas eléctricas y la iluminación de las ciudades con esta energía representan signos de los colosales cambios que se operan a la vista de una generación. No terminaría el siglo sin que las ondas hertzianas comunicaran a través del Canal de la Mancha a Inglaterra y Francia.
Así la faz del hábitat humano; sus medios de transporte; las vías de comunicación y de información; la producción de textiles, colorantes, explosivos, alimentos y medicinas van sufriendo a lo largo de este siglo una profunda revolución de la cual se sirve y a la cual apoya el progreso de las ciencias.
En una compleja dialéctica, al filo de la necesidad y la casualidad, siendo portadores de los progresos determinadas personalidades históricas que fueron fortaleciendo el papel de las comunidades (Sociedades Científicas), en contextos sociales principalmente dados por las naciones que encabezan el desarrollo monopolista de la época, se produce el firme progreso de las ciencias.
En el campo de las Matemáticas se realizan trascendentales aportaciones que posibilitan el asalto que se produciría el próximo siglo al mundo de las partículas subatómicas; y se desarrollan nuevas ideas y mecanismos electrónicos que incuban revolucionarios diseños de máquinas de cálculo.
El libro de Carl F. Gauss (1777-1855), Disquisitiones arithmeticae, con que nace el siglo XIX, marca el comienzo de la era moderna de la teoría de los números. Ya en su tesis doctoral planteó el teorema que aun hoy se conoce como teorema fundamental del Álgebra. En la teoría de la probabilidad, desarrolló el importante método de los mínimos cuadrados y las leyes fundamentales de la distribución de la probabilidad. El diagrama normal de la probabilidad se sigue llamando curva de Gauss. Es uno de esos científicos que pueden calificarse de físico-matemáticos pues desarrolla brillantes aplicaciones de la matemática a diversos campos de la Física, en particular, al electromagnetismo. Una unidad de inducción magnética perpetúa su nombre.
La teoría de los grupos, que resultaría muy útil más tarde en el desarrollo de la Mecánica Cuántica, fue formulada en 1830 por el matemático francés Evariste Galois (1811-1832). Sus manuscritos se publican más de una década después para alcanzar la inmortalidad. Muchas de sus construcciones, que hoy se denominan grupo de Galois, cuerpos de Galois y teoría de Galois, permanecen como conceptos fundamentales en el Álgebra moderna.
En 1854, el matemático inglés George Boole (1815-1864) al emprender la investigación sobre las leyes del pensamiento, logra relacionar la Matemática con los argumentos lógicos y da origen a la Lógica Simbólica. El Álgebra de Boole es fundamental en el estudio de las Matemáticas puras y en la programación de las modernas computadoras.
El estadounidense Herman Holleritch (1860-1929) en 1880 inventa la calculadora electrónica y luego funda la Tabulating Machine Company (1896), que está considerada como una antecesora de la IBM (International Business Machines Corporation). Alrededor de medio siglo antes el matemático e inventor británico Charles Babbage (1792-1871) había concebido una máquina que debía funcionar con tarjetas perforadas como lo hace un telar, y que fuera capaz de almacenar respuestas parciales, utilizables posteriormente en otras operaciones.
En el año 1874, apareció el primer trabajo revolucionario de Georg Cantor (1845-1918) sobre la teoría de conjuntos. El estudio de los infinitos por parte de Cantor fue considerado por Leopold Kronecker (1823 -1891), una autoridad en la materia, como una locura matemática. Por este supuesto atacó vigorosamente a Cantor que mostró fragilidad y terminó a los 39 años en un manicomio. No obstante, en sus momentos de lucidez siguió trabajando, obteniendo en este periodo sus resultados más interesantes. La teoría de Cantor, forma hoy parte de los fundamentos de las Matemáticas y de la Lógica Matemática. Nuevas aplicaciones ha encontrado su teoría en el tratamiento de sistemas fluidos turbulentos. Murió en el manicomio de Halle en 1918.
Transcurridos más de dos mil años de las ideas de Euclides sobre el espacio, en el siglo XIX el matemático ruso Nikolai Lobachevski (1793-1856) formuló la Geometría no euclidiana (Hiperbólica), suponiendo que por un punto exterior a una recta pueden pasar infinitas paralelas, y no una sola como suponía Euclides. Bernhard Riemann (1826-1866), por su parte, fundamentó la nueva geometría esférica en el supuesto que por un punto exterior a una recta no exista ninguna paralela. El impacto de estas nuevas Geometrías con sus grandes abstracciones fue decisivo para el desarrollo de la Física Teórica Moderna.
La potencia motriz del calor y los nuevos ingenios para el transporte
En el universo de la Física los estudios sobre “la potencia motriz” del calor se apuntaron en la agenda del siglo XIX con el desarrollo de nuevas leyes y principios, y una desconocida hasta entonces mirada estadística hacia los sistemas moleculares.
La Escuela Francesa de físicos – matemáticos que aplican novedosas herramientas matemáticas al desarrollo de una teoría sobre el calor cuenta entre sus más sobresalientes representantes de inicios del siglo a Joseph Fourier (1768 – 1830). Fourier empleó una nuevas series trigonométricas (series de Fourier) en su tratado “Teoría analítica del calor” publicado dos años antes de la obra clásica de Carnot. En 1824 el joven ingeniero francés Sady Carnot (1796 - 1832), el mismo año del nacimiento de Lord Kelvin, publica su famosa memoria “Reflexiones sobre la potencia motriz del calor y sobre las máquinas apropiadas para desarrollar esta potencia”, en donde se dedicó a razonar sobre la pregunta general de cómo producir trabajo mecánico (potencia motriz) a partir de fuentes que producen calor. Carnot, en momentos en que se trabaja en el perfeccionamiento de estas máquinas, demuestra que no puede concebirse una máquina térmica más eficiente operando entre dos temperaturas prescritas que la suya y anuncia una de sus proposiciones fundamentales: La fuerza motriz del calor es independiente de los agentes usados en producirla; su cantidad está determinada unívocamente por las temperaturas de los dos cuerpos entre los cuales ocurre, finalmente, el transporte del calórico.
Antes de los trabajos del ingeniero y físico francés Émile Clapeyron (1799-1864) la obra de Carnot era poco conocida en los círculos científicos. En 1834 aportó su primera contribución a la creación de la termodinámica moderna, al publicar una memoria titulada Force motrice de la chaleur (Fuerza motriz del calor). En esta publicación Clapeyron desarrolló las ideas de Carnot sobre el calor de forma analítica, con la ayuda de representaciones gráficas. Sus trabajos ejercieron una notable influencia en las ideas de Thomson y Clausius que derivaron en el segundo principio de la Termodinámica.
Paralelamente con los trabajos iniciales que pretendieron analizar la eficiencia de las máquinas térmicas, el problema de la interrelación entre trabajo y el calor fue abordado por el médico alemán Julius Robert von Mayer (1814 – 1878). Mayer estableció, en 1842, que si la energía, en sus formas de energía cinética y potencial, se transformaba en calor, este debía poder transformarse en esas dos formas de la energía sentando las bases del principio de conservación en los fenómenos biológicos y en los sistemas físicos. Mayer fue capaz de encontrar una relación cuantitativa entre el calor y el trabajo basándose en los resultados de las mediciones de las capacidades caloríficas de los gases.
Unos años más tarde el también médico alemán Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) pretende publicar un trabajo "Sobre la conservación de la fuerza" (1847) que defiende la conservación de la energía como un principio universal de la naturaleza así como la posibilidad de conversión de la energía cinética y potencial en "formas químicas, electrostáticas, voltaicas y magnéticas". La lectura de su trabajo en la Sociedad Física de Berlín fue considerado por sus miembros más viejos como demasiado especulativo y rechazada su publicación en la Revista alemana Annalen der Physik.
En la década de los cincuenta el físico británico James P. Joule (1818-1889) desarrolla los experimentos que permiten determinar el llamado “equivalente mecánico del calor”. Joule considera el calor como movimiento y propone la estructura corpuscular de la sustancia, con lo cual inaugura la Teoría Cinético – Molecular de los gases, que intenta explicar el comportamiento de los gases ideales, teniendo como antecedentes los trabajos desarrollados por Boyle, Jacques A.C. Charles (1746 – 1823) y Joseph Gay Lussaac (1778 – 1850).
En los años siguientes Joule alcanza la confirmación experimental de las ideas de von Helmholtz. Se formula entonces la ley de conservación y transformación de la energía, que se constituyó en principio de capital importancia. Las implicaciones de esta ley en el desarrollo ulterior de los conocimientos físicos tuvieron tal alcance que algunos autores consideran al periodo que le sucedió como una segunda etapa en el desarrollo de las Ciencias Físicas, basada en la aplicación de los principios de conservación.
A treinta años del Principio de Carnot aparece la expresión del llamado 2do principio de la Termodinámica en forma de dos enunciados que se complementan. El enunciado del irlandés William Thomson, Lord Kelvin (1824 - 1907) establece que no existen las máquinas térmicas perfectas pues no es posible construir un motor térmico que operando cíclicamente convierta en trabajo todo el calor absorbido.
Por su parte, en la visión complementaria del alemán Rudolf Clausius (1822 - 1888) para un ciclo refrigerante queda establecido la imposibilidad de extraer calor a una baja temperatura para entregar a una temperatura más alta sin que se suministre una determinada cantidad de trabajo al sistema.
Las aportaciones desarrolladas por Thomson entre 1848 y 1852 a la Termodinámica le colocan entre sus fundadores. En 1848 a partir de la noción de entropía desarrollada por Clapeyron propuso una escala de temperatura absoluta, cuyo cero lo situó en –273° C. En 1852, como resultado de la colaboración con Joule descubrieron y explicaron el efecto Joule-Thomson relacionado con el enfriamiento que experimenta un gas cuando se expande lentamente a través de un tabique poroso. Este fenómeno encuentra importantes aplicaciones pues se logra obtener temperaturas muy bajas. Más de medio siglo de ejercicio de la docencia en la Universidad de Glasgow le aseguraron la difusión de su obra en diferentes ámbitos de la Física.
Hacia 1866, en forma independiente de Maxwell, Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) había formulado las bases de la teoría cinética de los gases. Esta teoría constituyó el primer eslabón de lo que más tarde se denominó Física Estadística como rama de la Física que estudia los sistemas de muchas partículas. Para estos sistemas existe objetivamente una dificultad en los cálculos que se supera mediante la descripción estadística. Su teoría significó un cambio de un concepto de certidumbre (el calor visto como un flujo de lo caliente hacia lo frío) hacia una noción estadística del movimiento de las moléculas. Su nueva visión no rechazó los anteriores estudios de termodinámica sino explicó mejor las observaciones y experimentos.
Todos los resultados anteriores posibilitaron enunciar ya en este siglo tres de los cuatro principios que constituyen los núcleos de la disciplina llamada Termodinámica: el Principio Cero que establece la posibilidad y el método de medición de la temperatura absoluta de un sistema como parámetro del equilibrio termodinámico; el Primer Principio en esencia reflejo de la expresión más general de la ley de conservación y transformación de le energía; y el Segundo Principio, también conocido como el principio de aumento de la entropía, que expresa el carácter irreversible de los procesos naturales y las relaciones entre el orden y el desorden empleando el concepto de entropía como una medida logarítmica del número de estados accesibles del sistema.
En 1880 coinciden dos descubrimientos trascendentes: uno para la física de los gases y el otro para la física del estado sólido. Este año, el físico holandés Johannes Diderik van der Waals (1837 – 1926) produjo su segundo gran descubrimiento cuando publicó la Ley de los Estados Correspondientes. Esta ley mostraba que si la presión, el volumen y la temperatura se expresan respectivamente como una función simple de la presión crítica, el volumen crítico y la temperatura crítica, se obtiene una forma general de la ecuación de estado aplicable a todas las sustancias. Siete años antes, durante la defensa de su tesis doctoral “Sobre la continuidad entre el estado gaseoso y el líquido”, se convirtió en el primer físico en apuntar la necesidad de tener en cuenta el volumen de las moléculas y las fuerzas intermoleculares en el establecimiento de las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de los gases.
La obra de van der Waals, según la opinión del premio Nobel de Física (1913), Heike Kamerlingh Onnes (1853 – 1926), fue una guía para el trabajo experimental del Laboratorio de Criogenia de Leiden donde se montó la primera planta de producción de aire líquido en 1894 y ya en el siguiente siglo se hicieron trascendentes descubrimientos sobre el comportamiento de gases y metales a temperaturas extremadamente bajas. En este camino de la licuefacción de gases un hito de fines del XIX fue la obtención del hidrógeno líquido por vez primera en 1896 en el laboratorio del físico y químico escocés James Dewar (1842 - 1923).
El otro descubrimiento, el efecto piezoeléctrico, fue reconocido en los círculos científicos de la época como un nuevo ámbito para la producción de electricidad que se distinguía de la electricidad estática generada por fricción o la piroelectricidad (originada mediante el calentamiento de cristales). No obstante, los hermanos Pierre (1859 – 1906) y Jacques Curie afirmaron que debería existir una correspondencia entre los efectos eléctricos observados por el cambio de temperatura, y por la presión ejercida sobre un cristal dado. Para ellos el hallazgo fue una confirmación de las predicciones que naturalmente derivaron de la comprensión de los orígenes microscópicos cristalográficos de la piroelectricidad (esto es a partir de ciertas asimetrías del cristal). Los hermanos sin embargo no predijeron que los cristales que exhibían el efecto piezoeléctrico directo (electricidad a partir de la presión ejercida) también podrían exhibir el efecto piezoeléctrico inverso (deformación como respuesta a un campo eléctrico aplicado). Esta propiedad fue deducida en 1881 a partir de los principios fundamentales de la termodinámica, por el físico luxemburgués Gabriel J. Lippmann (1845 - 1921), y casi inmediatamente confirmada por los Curie. Luego continuaron obteniendo pruebas cuantitativas de la reversibilidad completa de las deformaciones electro-elasto-mecánicas en cristales piezoeléctricos.
Este andamiaje teórico contribuyó a la comprensión de innumerables hechos experimentales, los mecanismos del intercambio de calor, de masa y de momentos lineales, base de los actuales esquemas de transferencia que son propios de las tecnologías químicas, y lo que es más importante, ofreció los fundamentos de los sistemas llamados máquinas térmicas y de los mecanismos de refrigeración. A diferencia de la ciencia del XVIII que se mantuvo a la zaga de los avances técnicos en el período inicial de desarrollo de la máquina de vapor ya en el XIX las leyes de la Termodinámica que se descubren y todo la plataforma conceptual que se construye sirve de apoyo a la teoría de la máquina de vapor y a toda práctica relacionada con las transformaciones energéticas.
Inglaterra, la cuna de la revolución Industrial, había construido hasta 1840 más de 40 coches y tractores propulsados a vapor. Hacia la mitad del siglo circulaban regularmente unas 9 diligencias a vapor, capaces de transportar cada una entre 10 y 20 pasajeros a unos 24 km/h. Pero esta naciente industria británica tuvo una breve vida. Los intereses de la industria de las locomotoras frenó el desarrollo alternativo del transporte por carretera y trajo como resultado que los ingenieros ingleses, líderes en la tecnología de la máquina de vapor, no contribuyeran a las grandes invenciones que precedieron la revolución que significó la industria del automóvil.
En 1860 el ingeniero belga Étienne Lenoir (1822-1900) inventó y patentó en París un motor de combustión interna alimentado con gas de alquitrán, de doble acción con ignición por chispa eléctrica. Tres años después mejoró el motor usando petróleo y un primitivo carburador y lo acopló a un vagón de tres ruedas que completó un histórico recorrido de 50 millas.
Inspirado en el motor diseñado por Lenoir, el ingeniero alemán Nicolaus A. Otto (1832-1891) junto con el técnico Eugene Langen (1833 – 1895) diseña el primer motor de gas con el cual ganan medalla de oro en La Exposición Mundial de París de 1867. En mayo de 1876 Otto construye el primer motor práctico con pistones y ciclo de cuatro tiempos. Para 1884, Otto había inventado el sistema de ignición magnético para bajo voltaje de ignición. A partir de entonces el monopolio de la innovación de los motores de combustión interna está principalmente en manos de los inventores alemanes.
En 1885, el ingeniero mecánico alemán, Karl Benz diseñó y construyó el primer automóvil práctico del mundo en ser impulsado por un motor de combustión interna: era un triciclo. Benz construyó su primer automóvil de cuatro ruedas con su marca en 1891. En 1893, el Benz Velo se volvió el primer automóvil barato, producido en masa en el mundo. La Compañía Benz, fundada por el inventor, se volvió el fabricante más grande del mundo de automóviles en 1900, llegando a producir para esa temprana fecha unos dos mil quinientos vehículos.
Un eficiente motor de combustión interna, utilizando gasoil como combustible, fue patentado en 1892 por el ingeniero alemán Rudolf Diesel (1858-1913). La eficiencia de este motor es mayor que cualquier motor de gasolina, llegando a superar el 40%. Los motores Diesel se aplicaron en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsión naval y en camiones y autobuses. En 1897 y luego de años de esfuerzos, Robert Bosch (1861 - 1942) consiguió desarrollar un magneto de encendido de aplicación práctica y casi simultáneamente comenzó a funcionar el motor de autoencendido de Diesel, que no requería de un sistema eléctrico de ignición.
Toda esta colosal revolución en los medios de transporte demandaba con urgencia el descubrimiento de fuentes de combustibles que convirtieran la energía química en mecánica. Por entonces no se avizoraban los peligros que entrañaría más tarde la despiadada explotación del petróleo, una reserva geológica del planeta. Sucedió entonces que en el Condado de Alberta, New Brunswick, el médico y geólogo canadiense Abraham Gesner (1797-1864) descubrió un mineral oscuro bituminoso, que al destilarse exhibe una llama excepcionalmente brillante para la época. La lámpara de keroseno, anunciada en 1846 a 34 años de la patente para la fabricación de la primera bombilla eléctrica por Thomas Alva Edison (1847 - 1931), se convertía en un poderoso estímulo para la prospección del petróleo y el desarrollo ulterior de la industria petrolera.
Mucho más allá fue el químico estadounidense Benjamín Silliman Jr. (1816 – 1885) en su "Report on Rock Oil, or Petroleum, from Venango County, Pennsylvania" publicado en 1855. En esta obra Silliman predice los usos del petróleo para los próximos 50 años y describe los métodos principales de preparación y purificación de sus productos. Silliman separó por destilación fraccionada diferentes componentes del petróleo crudo y evaluó las cualidades de cada fracción. Usando el fotómetro determinó que el petróleo destilado es mucho más brillante que los combustibles conocidos hasta el momento. También destacó el potencial uso de las fracciones menos volátiles como lubricantes y el prolongado empleo que podía dársele a este producto. El estudio de Silliman constituyó un estímulo importante para iniciar la búsqueda del petróleo no sólo para dar respuesta a la crisis del combustible para la iluminación.
Si al final del siglo XVIII, París había conocido el primer asalto del hombre a la conquista del aire, el segundo capítulo de esta conquista sería escrito a partir de la segunda mitad del siglo XIX y siguió diferentes caminos: los dirigibles -segunda generación de los globos- que aprovechaban la menor densidad de los gases ligeros para la ascensión y los mecanismos de la propulsión mecánica para enrumbar el vuelo; los planeadores, móviles alados para sostener un vuelo individual; y los aeroplanos que perseguían despegar una estructura más densa que el aire venciendo la gravitación, establecer un vuelo sostenido y guiado, y garantizar luego el aterrizaje suave. En semejante empresa se enrolaron aquellos que combinaron ideas ingeniosas y los últimos adelantos en materia de motores y otros aditamentos mecánicos, con una audacia a toda prueba.
El primer dirigible tripulado apareció en los cielos de París en 1852. Su inventor fue el ingeniero francés Henri Giffard (1825 - 1882). La nave aérea de Giffard propulsada por una hélice acoplada a un motor de vapor fue elevada utilizando un especie de balón en forma de tabaco de casi 40 metros de longitud lleno de dihidrógeno (el gas más liviano) y despegando del Hipódromo de París mantuvo una velocidad promedio de unos 10 km/h recorre una distancia de 27 km.
Por otro camino iba el inventor británico John Stringfellow (1799 - 1883) que entre 1846 y 1848 se ocupó de construir un pequeño modelo, de tres metros de envergadura, provisto de una máquina de vapor, que accionaba dos hélices propulsoras, situadas detrás de las alas. Probado en una gran nave de una fábrica abandonada realizó con éxito vuelos limitados por las paredes de la nave. A Stringfellow, por tanto, debe corresponder la gloria de ser el primer hombre del mundo que construyó un aeroplano manejable provisto de motor. Sin embargo, es dudoso que sus experimentos hubieran tenido éxito al aire libre.
La tragedia estuvo presente en estos primeros intentos de dominar las alturas. Este es el caso del inventor alemán Otto Lilienthal (1848 - 1896). Su primer monoplano fue construido en 1891 y mostró capacidad para hacer vuelos de considerable longitud, lanzándose desde lo alto de una colina. Lilienthal hizo más de mil vuelos exitosos con monoplanos y biplanos. Estaba precisamente a punto de adaptar un motor a su último planeador cuando se mató en agosto de 1896, a consecuencia de la rotura de su aparato.
El proyecto frustrado de Lilienthal en Alemania fue cumplido por el profesor de Física de la Universidad Occidental de Pensilvania, quién había estudiado los principios de la aerodinámica, Samuel Pierpont Langley (1834-1906). Langley en 1896 hizo volar en dos ocasiones un monoplano sin piloto que recorría unas diez cuadras, antes de que su motor se apagara y descendiera suavemente en las aguas del río Potomac.
El mundo de las ondas electromagnéticas y la lluvia de invenciones eléctricas
Mas el verdadero viraje en la carrera del binomio técnica - ciencia se produce con el descubrimiento del mundo de las ondas electromagnéticas, ahora la ciencia se convierte en el factor precedente de la invención técnica.
El debate Galvani - Volta fue uno de los episodios notables con que nacen las ideas modernas sobre la electricidad. Luigi Galvani (1737 - 1798) fue 33 años profesor de la Universidad de Boloña y sus trabajos son los primeros que apuntan a la acción fisiológica de la electricidad demostrando la existencia de fuerzas bioeléctricas en el tejido animal. Fue este cirujano, que renunciara a su cátedra universitaria cuando la invasión napoleónica para morir un año después, uno de los primeros biofísicos de la historia. La teoría del fluido eléctrico animal fue rechazada por el también italiano Alessandro Volta (1745 - 1827). A Volta se debe el invento en el 1800 de la primera batería eléctrica que hizo posible la construcción de dispositivos para mantener una corriente eléctrica por un circuito dado, y abordar el problema de los nexos entre la Electricidad y el Magnetismo. Una vez presentados sus trabajos en la Academia Francesa de la Ciencia, aceptó el título de Conde de Lombardía, territorio ocupado por las tropas napoleónicas.
En 1820 el físico y químico danés, profesor de Física de la Universidad de Copenhague Hans C. Oersted (1777 – 1851) descubrió que alrededor de un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica se instauraba un campo magnético semejante al que se lograba con un imán permanente.
La relación conocida hoy como Ley de Ohm apareció publicada en 1827 cuando el profesor alemán Georg Simon Ohm (1787 - 1854) fue capaz de definir la relación fundamental entre voltaje, corriente, y resistencia. Ohm había cumplido los cuarenta años cuando haciendo uso de los recursos construidos por él mismo en un laboratorio escolar, descubre la ley considerada la verdadera apertura hacia el análisis de los circuitos eléctricos. Sin embargo entre la comunidad científica alemana los trabajos de Ohm fueron acusados de una excesiva formalización matemática e ignorada su trascendencia. Fue la Royal Society londinense la que en 1841 reconoce la importancia de su descubrimiento pero no es hasta ocho años más tarde que cumple sus sueños cuando le ofrecen la cátedra de Física Experimental de la Universidad de Munich.
Un momento trascendente en los estudios sobre el electromagnetismo se produjo al establecer M. Faraday en 1831, la llamada Ley de Inducción Electromagnética que establece que en cualquier punto de una región donde esté instaurado un campo magnético y exista una variación de su vector inducción magnética, aparecerá un campo eléctrico inducido. Esta la ley física sustenta el funcionamiento tanto de los generadores de electricidad movidos por distintas fuentes de energía en las plantas generadoras; como de los transformadores, con sus múltiples aplicaciones.
La invención de un equipo eléctrico que permitiera emitir y captar señales según un código de impulsos eléctrico aparece disputada por dos pares de físicos renombrados en polos científicos de Europa y un profesor universitario de Arte al otro lado del Atlántico en la pujante atmósfera neoyorquina.
La historia reconoce que en 1831, el físico estadounidense Joseph Henry (1797 - 1878) diseñó y condujo un experimento que permitía la comunicación a larga distancia al enviar una corriente eléctrica por el cable a una milla de distancia para activar un electroimán que causaba el repiqueteo de una campana. Esta prueba significó el nacimiento del telégrafo eléctrico.
Uno de los primeros registros de comunicación telegráfica se reporta en la célebre Universidad de Gotinga. La intención fue dejar comunicados dos laboratorios donde trabajaban el profesor de electrodinámica Wilhem Weber (1804 - 1891), quien debió abandonar a los 33 años la Universidad por problemas políticos vinculados con su pensamiento liberal, y el físico matemático Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855).
La primera patente europea por la invención de un telégrafo eléctrico les fue concedida en 1837 al ingeniero William F. Cooke y el físico Charles Wheatstone (1802-1875) de la universidad londinense, por los mismos años que Samuel Morse (1791-1872), se asomaría con sorpresa al mundo de la transmisión y recepción de señales eléctricas.
Pero inobjetablemente la invención de Henry fue económicamente explotada mediante el ingenio del profesor de arte y diseño de la Universidad de Nueva York. En 1838, el primer mensaje telegráfico contenía una cita bíblica propuesta por la joven hija de un amigo, Annie Ellsworth: ¿Qué ha hecho Dios? El sistema primitivo de Morse producía una copia sobre papel con puntos y rayas que debía ser traducida por un operador adiestrado. Este podía llegar a transmitir 40 - 50 palabras por minuto.
La empresa Western Union en 1861 construyó a lo largo de las vías férreas su primera línea telegráfica transcontinental. Pronto se presentó la necesidad de ampliar la red telegráfica entre Europa y América. Fue gracias al gran talento del eminente físico inglés William Thomson, Lord Kelvin (1821-1907), que se hicieron los estudios necesarios para instalar en 1866 el primer cable trasatlántico que conectó a Wall Street en Nueva York con Londres.
Los litigios por los derechos para explotar un invento fue una constante en todos estos años de verdadero diluvio de invenciones. El nacimiento de una tecnología parecía conspirar con el florecimiento de otra, así el teléfono parecía que iba a destronar los intereses económicos desarrollados en torno del telégrafo.
La intención original de perfeccionar el sistema telegráfico obsesionaba a las mentes creativas. Este fue el propósito original del inmigrante de origen escocés Alexander Graham Bell (1847 - 1922), por entonces profesor de fisiología vocal de la Universidad de Boston, que fue girando hacia el objetivo de transmitir por el cable conductor la propia voz humana. Para alcanzar el éxito ellos necesitaron construir un transmisor con una membrana capaz de variar las corrientes electrónicas y un receptor que invirtiera el proceso pudiendo reproducir estas variaciones de la corriente eléctrica en frecuencias audibles. El 14 de febrero de 1876 Bell presentó su solicitud de patente de invención de un dispositivo capaz de transmitir eléctricamente la voz. El mismo día Elisha Gray (1835 - 1901) asentaba en la oficina de patentes una solicitud de invención similar. Gray y Bell se enfrentaron a una batalla legal. Unas pocas horas de ventaja le adjudicaron a Bell y la Corte inclinó la balanza hacia el profesor de fisiología vocal. La historia reconoce muchos casos como este, la verdad es que el equipo estaba en el orden del día histórico, correspondió a uno llevarse la gloria.
El desarrollo del telégrafo y el teléfono creó la necesidad de contar con electricistas hábiles, y por consiguiente empujó a la apertura de escuelas técnicas y superiores de las que egresarían los que posteriormente se llamarían ingenieros electricistas. Los diferentes problemas técnicos que se presentaron en el tendido de los cables, en el mejoramiento de los equipos telegráficos, y en el desarrollo de la teoría de la transmisión de señales fueron materia de investigación en departamentos científicos de las universidades.
Entretanto en el mundo de la teoría, que se encargaba de iluminar la práctica y las invenciones de los artefactos eléctricos, tuvo lugar un trascendental paso que se convirtió en resumen y totalización del electromagnetismo en la región clásica. Este salto fue dado por James Clerk Maxwell (1831 – 1879) cuando en 1865 estableció la simetría que existe entre los campos eléctrico y magnético y completó el contenido de la llamada Ley de Ampere de forma que introduciendo el concepto de corriente de desplazamiento logró establecer que en un punto de una región donde esté instaurado un campo eléctrico variable con el tiempo, aparece un campo magnético inducido. Con esto se completó el sistema de ecuaciones que describen todos los fenómenos del electromagnetismo en la región clásica y se produjo la primera unificación conformando el concepto de un solo campo: el electromagnético, que puede presentar como manifestaciones particulares los casos del campo electrostático y el magnetostático.
La significación desde el punto de vista epistemológico de la obra de Maxwell es notable porque cristalizó la idea de la unificación de dos interacciones que se creían de naturaleza distinta y marcó pauta para la búsqueda de otras unificaciones entre otros tipos de interacciones, de modo que ya en el próximo siglo se establecería la unificación entre la interacción débil y la electromagnética (interacción electrodébil) y las explicaciones sobre el origen del universo en las cuales se supone que en los primeros instantes después de la gran explosión, solo existía un tipo de interacción y al irse rompiendo las simetrías, estas interacciones se fueron separando con características bien definidas y diferenciadoras.
A partir de este momento el nacimiento y desarrollo de la industria eléctrica, en contraste con otras más antiguas, tuvo desde sus inicios un carácter de empresa científica derivada de los logros de la investigación. En este afán brilló el inventor estadounidense Thomas Alva Edison. El alcance de la invención de Edison no se reduce a inventar solo la luz eléctrica incandescente sino también un sistema de iluminación eléctrica con todos los elementos necesarios para hacer la luz incandescente práctica, segura y económica. Después de año y medio de pruebas, obtuvo el éxito cuando una lámpara incandescente con un filamento carbonizado trabajó durante trece horas y media.
La primera demostración pública del sistema de iluminación incandescente fue realizada en diciembre de 1879 cuando el complejo del Laboratorio de Menlo Park fue iluminado con luz eléctrica. Alrededor de esta invención mayúscula se gestan otras de menor trascendencia pero de esencial importancia práctica que fueron desarrolladas por los laboratorios de Edison y que en esencia llegan hasta los días de hoy. Estos siete sistemas inventados fueron: el circuito paralelo; la bombilla duradera; un dinamo perfeccionado; la red conductora básica; los dispositivos para mantener el voltaje constante; los fusibles de seguridad, los materiales aislantes; y por último los soques e interruptores.
Edison debió entonces impulsar la creación de una industria generadora de energía eléctrica. En 1881 Edison edifica en Nueva York una planta de corriente continua que genera y distribuye la energía a través de una red de líneas, tal como en ese entonces ya se hacía con el gas y el agua. En septiembre de 1882 se ilumina la primera calle que en Nueva York recibe los servicios de este revolucionario sistema.
A pesar de sus extraordinarios logros, el empleo de la corriente directa trajo no poco problemas. En primer lugar, la utilización de circuitos en paralelo requirió que los cables fueran muy gruesos, lo cual generaba costos altos. En segundo lugar, y de más importancia, al aumentar la demanda de iluminación se necesitaron cargas cada vez más altas que implicaban corrientes eléctricas enormes. Por lo tanto, se estaba ante la alternativa de enviar corrientes muy altas a través de grandes cables de cobre, lo cual era muy ineficiente, o de construir muchas plantas generadoras de electricidad cercanas a los usuarios, con el respectivo aumento considerable de los costos.
La solución a estos dilemas se encontró con la invención del transformador y la construcción de generadores de corriente alterna. Un inventor francés, Lucien H. Gaulard (1850 -1888), originalmente interesado en la química de los explosivos, obtuvo en 1882 una patente para un dispositivo que llamó generador secundario y que fuera una versión primitiva de lo que hoy llamamos transformador. Después de esta invención, Gaulard en 1884 instaló un sistema de iluminación en el cual usó corriente alterna y lámparas incandescentes. Su muerte prematura víctima de una fuerte depresión nerviosa le impidió ver coronado con éxito sus empeños iniciales. George Westinghouse (1846 - 1922), fue testigo de las demostraciones de Gaulard en Italia con motivo de la Exposición Internacional de Turín y advirtió el potencial de la electricidad.
En 1884 Westinghouse contrató a un joven ingeniero eléctrico, William Stanley (1858– 1916), quien un año después ya había superado la eficiencia de todos los transformadores diseñados hasta entonces. Dos años más tarde fundó la Compañía Eléctrica Westinghouse que pronto llegó a contar con una fuerza laboral de 200 hombres con el propósito de desarrollar y producir aparatos para la generación, transmisión y aplicación de la corriente eléctrica alterna.
En 1886 se edificó, bajo la dirección de Stanley, la primera planta eléctrica en el poblado de Great Barrington, Massachusetts, un centro de manufactura floreciente de poco más de 2 500 habitantes. Esta planta operó con corriente alterna, con un generador que produjo una corriente de 500 V y que por medio de transformadores redujeron a 100 V, que es el valor que se requiere para hacer funcionar las lámparas. El resultado fue un gran éxito y de inmediato Westinghouse inició la manufactura y venta de equipos para distribuir electricidad por medio de corriente alterna.
Haciendo uso de los inventos del ingeniero croata Nicola Tesla (1856 – 1943), la Compañía de Westinghouse diseñó e instaló el sistema de Iluminación de la Exposición Mundial de Chicago en 1893. Poco después asume la encomienda de construir la Hidroeléctrica sobre las Cataratas del Niágara y ya en 1896 se inaugura exitosamente la Planta del Niágara que transmitió la energía eléctrica hasta Búfalo, a 20 millas de distancia. Con esta planta quedó confirmada la superioridad práctica de la corriente alterna sobre la directa y la posibilidad de ofrecer la energía desde un circuito para múltiples propósitos.
Una vez que la electricidad pudo ser generada y distribuida para la iluminación, se aprovechó para ser utilizada como fuerza motriz. Se puso así a disposición de la industria y de los transportes un nuevo medio universal de distribución de energía que dio un gran impulso a la utilización de los motores eléctricos.
La naturaleza de la luz fue explicada por la perspectiva maxwelliana que desarrolla la Teoría Electromagnética Ondulatoria de la Luz (TEM). Siguiendo esta teoría, la luz en su sentido más amplio está formada por ondas electromagnéticas que no son más que las oscilaciones automantenidas del campo electromagnético. Este logro científico de primer orden permitió al hombre explicar toda la Óptica Ondulatoria sobre bases científicas y desechar la idea del éter, amén de las múltiples aplicaciones que generó en el campo de las radiocomunicaciones y las telecomunicaciones.
Precisamente de los experimentos en búsqueda de la comprobación sobre la existencia del éter, y en particular de la obra del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894), se obtuvo el triunfo total de la teoría de Maxwell y se fueron preparando las ideas para el surgimiento, en el siglo XX, de la Teoría de la Relatividad. Entre 1885 y 1889, Hertz descubrió que la electricidad podía transmitirse en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz conforme Maxwell había anticipado. Este descubrimiento puso en la agenda histórica las invenciones de la telegrafía y la radio inalámbrica.
En 1892 el físico-químico William Crookes (1832-1919) publicó un trabajo en la revista inglesa Fortnightly Review, en el que proponía las bases para utilizar ondas electromagnéticas como medio para transmitir señales telegráficas a través del espacio, es decir, telegrafía sin hilos o inalámbrica.
Dos años después el ingeniero italiano Guglielmo Marconi (1874-1937) leyó la biografía de Hertz e inmediatamente empezó a trabajar en la idea de usar las ondas electromagnéticas para transmitir señales. Construyó los aparatos descritos por Hertz, a los cuales les añadió un cohesor, que es un tubo de vidrio que contiene limaduras de hierro, y conectó tanto el transmisor como el receptor a una antena. Una señal eléctrica que pase por el cohesor hace que las limaduras se unan durante el intervalo que dura la señal; de esta manera este dispositivo detecta ondas electromagnéticas. En 1895 Marconi probó sus aparatos, con los cuales logró enviar señales hasta distancias de un par de kilómetros. En 1898 transmitió señales a través del Canal de la Mancha y ya en 1901 logró una transmisión a través del Océano Atlántico: desde Inglaterra hasta Canadá. Las señales inalámbricas probaron su efectividad en la comunicación para el trabajo de rescate durante accidentes marítimos. Numerosas líneas oceánicas instalaron equipos inalámbricos.
La óptica, la astronomía y el nacimiento de dos nuevas técnicas
El primer tercio del siglo XIX fue testigo de una revolución en el campo de la óptica. No había transcurrido aún un siglo de la publicación de Opticks cuando el médico y físico inglés Thomas Young (1773 - 1829) casi con el nacimiento del siglo desafiaba la teoría corpuscular de la luz desarrollada por Newton. La teoría de Young sobre la necesidad de aceptar la naturaleza ondulatoria de la luz para explicar el fenómeno de interferencia, a pesar de la relevante posición que ocupó desde 1802 hasta su muerte como secretario externo de la Royal Society, fue acogida con una buena carga de escepticismo por la ciencia británica. A una década de los trabajos de Young, el físico francés Augustine Jean Fresnel (1788 - 1827) formaliza matemáticamente con gran rigor las leyes que rigen los fenómenos de interferencia y difracción de la luz.
Desde el inicio del siglo se suceden los descubrimientos que demuestran la existencia de regiones del espectro de radiación solar invisible para el ojo humano. En 1800 el astrónomo británico de origen alemán William Herschel (1738-1822) determina experimentalmente la temperatura asociada a cada color del espectro solar y descubre que justamente por encima del rojo en la región del espectro visible existe una radiación que tenía más alta temperatura, que puede ser medida y sentida pero no ser vista: la región infrarroja.
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