Ignorantiae autem fatuorum effunde.

Aprovechando que era sábado, y que no tenía otra cosa que hacer, he acudido al Museo Nacional de Ciencia y Tecnología, ubicado en el Paseo de las Delicias, al lado del Museo del Ferrocarril, en Madrid. La entrada es totalmente gratuíta y está abierto todos los días de la semana excepto los lunes. Ha resultado muy interesante e instructiva la visita, dado que las vitrinas exhíben verdaderas reliquias que nos aproximan a la infinita curiosidad e inquietud humana, que ha sido vital desde la época de las cavernas para resolver los problemas que se le plantearon a los hombres a lo largo de la historia y para conseguir que sus vidas fuesen más cómodas y productivas. La ciencia de matemáticos, ingenieros y científicos, la viva expresión de su talento, ingenio e inteligencia, es el legado que recibimos de nuestros antepasados y que cederemos de forma enriquecida a las generaciones venideras, y fue, es, y será, fundamental para nuestro mejor conocimiento del orden y la armonía del mundo, la antigua idea jonia del Cosmos, la primera de las revoluciones intelectuales, y que fue gestada en la cuna de la civilización.

La disposición actual del museo consta de una exposición fotográfica cambiante, de otra exposición inmutable, que engloba fundamentalmente instrumentos de medida, relojes, cámaras de fotografía, radios, fonógrafos, algún televisor, y vehículos a motor. Además de estas dos partes, hay una tercera que es cambiante y que actualmente lleva por nombre “QWERTY”, estando dedicada a la evolución histórica de las máquinas de escribir y de las máquinas tipográficas. 

A modo de reportaje, inserto a continuación una serie de fotografías, de cuyo contenido haré sucintas descripciones introductorias, para que se pueda ver una selección de las maravillas que encierra este pequeño pero interesante museo.

La primera fotografía representa un podómetro, instrumento provisto de una rueda y de un sistema de engranajes que actúan sobre el reloj marcador, que se utilizaba para mediciones de longitud entre diferentes puntos de jardines y sitios abiertos.

A continuación se observan dos brújulas de agrimensor (a la izquierda) y un grafómetro de pínulas (a la derecha). Estos aparatos servían para realizar planos sencillos y de poca precisión (los dos de la izquierda) y para planos y levantamientos de mayor precisión el de la derecha. Para confeccionar los planos primero se orientaba la brújula en relación al Norte magnético terrestre y a continuación se medían los ángulos necesarios con los que se subtendía la posición de los puntos a representar, así como las distancias a los mismos mediante cadenas de agrimensor, quedando pues representadas las ubicaciones mediante un sistema de coordenadas polares planas.

La siguiente fotografía representa un compás de artillería diseñado por el matemático y militar sevillano Luis Collado a finales del Siglo XVI. Mediante este artilugio era posible efectuar cálculos de artillería y de baluartes. Se podían obtener los diámetros y pesos de los proyectiles en función de su material, el proyectil adecuado a cada calibre, así como forzar a que la bala siguiera la trayectoria deseada en función de la inclinación y la carga del cañón.

La imagen que sigue muestra en su parte superior un compás de proporción, cuyo uso es equivalente al de los escalímetros actuales. En la parte inferior aparece un compás con cuadrante, una de cuyas caras sirve para cálculos astronómicos y zodiacales, estando la otra destinada a obtención de pesos y densidades en función del material.

A continuación aparece una fotografía en la cual se puede apreciar un radio latino, diseñado por Latino Orsini en el Siglo XVI, y que se utilizaba para medidas angulares en astronomía y arquitectura basadas en cálculos trigonométricos. Al plegarse presentaba la forma de una espada con su empuñadura.

La siguiente fotografía representa una brújula excéntrica de principios del Siglo XX, utilizada para la confección en topografía de itinerarios orientados, quedando todas las líneas orientadas en relación al Norte magnético. Idéntica utilidad tenía el instrumento de la segunda fotografía de este bloque de dos, el teodolito, el cual no sólo sirve para medidas angulares horizontales sino también verticales.

El planímetro, en la imagen que sigue, era un instrumento para utilizar sobre un plano y cuya utilidad consistía en que si se movía por los bordes de una figura plana irregular cerrada mostraba el área encerrada por dicho polígono.

A continuación muestro en la primera fotografía tal vez el más clásico de los aparatos de medición, el sextante, evolución técnica del octante, y que como bien sabido es, sirve para obtener el ángulo de un determinado astro, que puede ser el sol o un planeta o estrella brillantes, a su paso por el meridiano terrestre local, momento de su mayor altura sobre el horizonte. Esta medida es fundamental para obtener la latitud y longitud de una localidad, utilizándolo coordinadamente con un reloj cronómetro sincronizado con la hora local de un determinado meridiano de referencia. Es por ello que la utilidad del sextante ha sido impagable, para el desarrollo de las antiguas cartas de navegación y para la propia navegación en sí de los marinos. Como evolución natural del sextante se inventó el cuadrante de Davis, que aparece en la segunda fotografía de este bloque, y que permitía obtener las mencionadas medidas en posición de espaldas al sol, evitándose así el mirar directamente al astro en una operación que podía durar un tiempo significativo.

En la siguiente imagen aparece un compás azimutal, destinado a cuantificar la desviación entre los polos magnético y geográfico. Se puede observar que está montado en una montura Cardan, la misma que se empleaba para llevar el reloj cronómetro a bordo, y que servía para minimizar los efectos del bamboleo del barco en la precisión de las medidas.

El objeto que figura en la fotografía que sigue es una ballestilla, en concreto la única que se conserva completa en todo el mundo. Servía para mediciones angulares en astronomía y geodesia.

A continuación se exhíbe un conjunto de tres fotografías donde se pueden apreciar dos astrolabios distintos. El astrolabio es un instrumento astronómico, basado en el modelo geocéntrico, que se utilizó desde el Siglo II a.d.C. hasta mediados del Siglo XVI, y que representa un modelo a escala del cielo suponiendo la Tierra en el centro del universo. A pesar del error conceptual implícito, este aparato permite una precisión razonable a la hora de observar el movimiento aparente circumpolar de los astros, y en el cálculo de sus posiciones y distancias.

La esfera armilar, que muestro en la siguiente imagen, era un utensilio de tipo didáctico, que se empleaba para enseñar astronomía, explicar las estaciones del año, y otros elementos de mecánica celeste, utilizando el modelo geocéntrico que tanto tiempo dominó en el panorama cosmológico.

Sigue a continuación una fotografía de un planetario que simulaba los movimientos de la Tierra, la Luna, y los planetas, alrededor del sol, basado en una cuerda cuya energía alimentaba a los engranajes.

El regulador astronómico que aparece en la imagen que sigue, era usado en observatorios astronómicos para obtener con una gran precisión la hora exacta del paso de un astro determinado por el meridiano local, para así poder tabular las efemérides de los cuerpos objeto de estudio.

El siguiente objeto que muestro es un reloj de sobremesa construido por John Ellicot a mediados del Siglo XVIII, importante fabricante inglés de relojes y barómetros, inventor de un sistema de compensación para péndulos basado en el empleo de metales de distinto coeficiente de dilatación, miembro de la Royal Society, relojero de Jorge III, y que recibió importantes encargos de la Corte de España. Este reloj Ellicot que aparece en la fotografía tenía un planisferio celeste similar al que existe a 41º de latitud Norte, y que iba girando con el paso del tiempo, así como un sistema de sonería.

El siguiente reloj es un reloj de bolsillo mecánico con las complicaciones parejas a un modelo fechador perpetuo. En otras palabras, este reloj mecánico, que posee una gran complejidad en su interior, es capaz de marcar con exactitud el calendario completo, la hora y las fases lunares, sin necesidad de los continuos reajustes que hay que hacer por ejemplo en los cambios de mes en los relojes convencionales no fechadores.

Para ya finalizar inserto aquí un bloque de tres fotografías que muestran diferentes detalles de la máquina de cifrado Enigma, empleada por el ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial. El modelo que aquí se exhibe es el de cuatro rodillos (las había de tres y de cuatro rodillos). Como ya expliqué en la entrada sobre Alan Turing y los números computables, la máquina Enigma emplea un número singularmente descomunal de alfabetos de sustitución. Por cada pulsación de una letra los rodillos avanzan una posición, de modo que se cambia automáticamente el alfabeto de sustitución en dicho salto. De este modo para descifrar el mensaje era necesario conocer la posición de los cuatro rodillos para la primera pulsación y poseer una máquina del mismo número de rodillos que la cifradora, para ir reproduciendo el mensaje cifrado. La máquina basaba su funcionamiento en la formación de circuitos por los que circulaba la corriente. En realidad, mediante el concurso de los rodillos y de las clavijas, se iban creando circuitos cambiantes para el paso de la misma, ya que si se pulsaba dos veces seguidas la misma tecla nunca aparecía en la segunda pulsación el mismo carácter cifrado que en la primera, por haber cambiado el alfabeto de sustitución y equivalentemente la disposición de circuitos. El modelo que aquí se muestra ha sido cedido al museo por el CNI (Centro Nacional de Inteligencia).

En fin, que he pasado un buen rato. Esta selección que aquí enseño no representa ni mucho menos la totalidad de lo que allí se puede admirar. Es tan sólo eso, una selección personal basada en mi criterio. Y el reportaje gráfico que puede animar (o no) a visitar este magnífico museo ubicado en Madrid. 

En el año 1801 el relojero e inventor francés Louis Abraham Breguet patentó una complicación ideada fundamentalmente para los relojes de bolsillo, bajo el nombre de “tourbillon”. El tourbillon es un mecanismo que permite que el movimiento del centro de gravedad del volante de los relojes mecánicos que lo llevan no se vea afectado por la gravedad terrestre cuando el reloj tiene su caja en posición vertical, y que las oscilaciones del volante mantengan constante su amplitud promedio en el tiempo. Como los relojes mecánicos de pulsera suelen estar en posición horizontal mientras están en la muñeca de su dueño, a éstos no les afecta especialmente el uso del tourbillon, por lo que el empleo de esta complicación en ellos es considerado como un adorno, por otra parte muy cotizado.

Para contextualizar la descripción del tourbillon voy primero a describir cómo es fundamentalmente la mecánica de un reloj mecánico convencional sin esta pieza. En un reloj mecánico convencional existe una masa metálica que gira en un sentido y el otro cuando movemos la mano, llamado rotor o contrapeso, que tiene la misión de comprimir la espiral llamada cuerda, que es la que provee de energía al reloj, para lo que se vale de unos piñones de embrague. Gracias a ellos la cuerda es cargada tanto si el rotor se mueve en un sentido o en el otro, si el rotor carga energía en los dos sentidos, que es lo más corriente hoy en día. Es decir, estos piñones «rectifican» el giro del rotor en el sentido que no es de carga, convirtiéndolo en un giro en el único sentido de carga de la cuerda.

Cuando la cuerda está totalmente estirada, no está suministrando energía al volante, por lo cual el reloj está parado. Esta pieza, el volante, el propio corazón del reloj, consiste en un anillo metálico provisto de una delgada espiral que lo hace oscilar en un sentido y en el otro con un período de oscilación constante siempre que el reloj esté orientado en relación a la vertical del mismo modo. Debido al rozamiento con el aire, al calentamiento por rozamiento del eje del volante y al debido a la compresión y descompresión de la espiral, en cada ciclo de oscilación del volante existen pérdidas de energía que harían que el volante parase de oscilar si no se le suministrase energía. Para compensar estas pérdidas de energía, ésta se le suministra mediante un tren de engranajes que engrana en el dentado correspondiente al barrilete, el cual contiene la cuerda, y que transfiere la energía al volante mediante una pieza denominada escape, que es la primera rueda que recibe movimiento del volante, y se lo transmite gracias al impulso periódico de una horquilla llamada áncora que comunica el escape con éste. El tren de engranajes encargado de llevar la energía desde el eje de cuerda hasta el escape es un tren multiplicador de velocidad angular, puesto que lo que se necesita en el áncora es potencia en forma de movimiento, no de momento de fuerzas. Es poco el momento que se debe aplicar en cada ciclo para compensar las pérdidas, causando impulsión angular, y además el escape se mueve a gran velocidad. Si tuviésemos la potencia en forma de momento de fuerzas, sucedería asimismo que la cuerda se descargaría en seguida, ya que en el sentido inverso sería un tren multiplicador y forzaríamos el rápido movimiento del eje de cuerda, y además de ésto, se le comunicaría demasiada fuerza al volante, con lo que se estropearía la espiral y el reloj no marcharía.

En una descripción breve, se puede resumir el funcionamiento diciendo que, en un reloj mecánico hay una transferencia de energía desde la cuerda hacia el volante, en forma de pequeños impulsos de momento de fuerzas que absorbe el volante, consiguiendo así un sistema vibratorio armónico amortiguado forzado (el volante y su espiral forzados con el áncora); al mismo tiempo que la velocidad angular del volante es comunicada al escape y las ruedas que siguen a éste, reduciéndose en cada engrane según los cocientes entre los números de dientes parejos, de los que se obtendrían las correspondientes relaciones de transmisión, obteniendo así las velocidades de rotación necesarias para las agujas.

El movimiento del volante da lugar a que en cada ciclo avance un diente de la rueda de escape, lo que oímos como tic-tac del reloj. Si deseásemos que el reloj funcionase más rápido para que adelantase más, deberíamos acortar la longitud de la espiral del volante, quedando ésta más comprimida y con una constante elástica de torsión mayor; y si deseásemos un movimiento más lento deberíamos hacer lo contrario, esto es, alargar dicha espiral para que quedase menos comprimida y con menor constante elástica de torsión. A tal efecto existe un ajuste en el reloj. Para minimizar los rozamientos en los pivotes críticos, fundamentalmente el pivote del volante, se incrustan piedras en los apoyos de esos pivotes, suelen ser rubíes, para hacer lo menor posible el rozamiento, y para que no se desgasten los pivotes con tanto movimiento.

Por otra parte, a partir del movimiento del escape, gracias al tren de ruedas multiplicador que le transfiere la energía desde la cuerda, se obtiene una división sucesiva de su velocidad angular en el sentido contrario, hacia la rueda segunda o rueda de segundos, de ésta hacia la rueda primera, y de la primera a la rueda de centro, que es la que engrana en el dentado del barrilete o tambor (el que contiene en su interior la cuerda enrollada) respectivamente, que son las ruedas que giran a la velocidad de las correspondientes manecillas, de acuerdo con los ritmos necesarios para cada una de ellas.

Si la caja del reloj está en posición vertical, como es lógico, la gravedad hará que el volante baje más rápidamente que sube, y ésto descompensa aunque en una cantidad pequeña su movimiento, causando además una menor amplitud de sus oscilaciones. Para evitar esto, Breguet ideó el tourbillon. La complicación de “tourbillon” se basa en montar el trío formado por el volante, el áncora y el escape en una plataforma llamada jaula. Gracias al engrane del escape en una rueda fija en cuyo interior se monta la jaula, se consigue que este trío gire alrededor del eje de esa rueda fija, normalmente una vuelta cada minuto. Es por ésto que el movimiento de dicho eje de jaula se emplea como eje de minutos. Por ello, como el volante en cada minuto va variando homogéneamente su inclinación en relación al eje vertical terrestre parejo a la acción de la gravedad, por término medio se obtiene que ésta no afecta ni en el sentido de atrasar el reloj ni en el sentido de adelantarlo, y los minutos son siempre iguales. Como ya dije más arriba esto tiene sentido si la caja del reloj está continuamente en posición vertical, como es el caso de los relojes de bolsillo, pero en los relojes mecánicos de pulsera, la mejora que introduce el tourbillon en su funcionamiento es inapreciable.

En la actualidad se ha patentado una complicación en relojería mecánica conocida como girotourbillon, que no es otra cosa que un tourbillon «tridimensional», que provee de dos ejes de giro en el espacio para el montaje del trío volante-áncora-escape, con lo que se compensan no sólo las variaciones de amplitud de la oscilación del volante debidas a una posición vertical de la caja, sino todas las variaciones de dicha amplitud causadas por cualquiera posición que presente ésta según una inclinación genérica en el espacio. En cualquiera de los casos, a pesar de que no deja de ser un adorno tan complejo y bello como innecesario, hay que reconocer que es una maravilla de la técnica de la relojería que mejora el funcionamiento del reloj, y que ésta tiene ya varios siglos de desarrollo.

En la fotografía superior se muestra un esquema de un reloj mecánico convencional, en la foto intermedia se aprecia el detalle del acoplamiento entre volante, áncora y escape. En las fotos inferiores se aprecia un tourbillon desmontado y montado, respectivamente.

La llegada de la Revolución Industrial allá por el siglo XVIII no se limitó a las manufacturas textiles, a la siderurgia o a la industria química, aunque en estas categorías hubiera avances prodigiosos. Dado el aumento de la producción logrado con dichos avances, era menester una red de comunicaciones todo lo buena que fuese posible, para lo cual debía optimizarse de algún modo el empleo de energía en los medios de locomoción, esto es, incrementarla y aprovecharla en la mayor medida posible.

La máquina de vapor resolvió los problemas de la limitación de las fuerzas animal y humana y de la indisponibilidad de la energía hidráulica en la mayoría de los escenarios.

La primera máquina de vapor fue diseñada por Thomas Savery en 1698 para elevar el agua en las minas. Esta idea, ya propuesta antes por Denis Papin en 1690, consistía en lo siguiente: hacia un recipiente de forma oval lleno de agua, se inyectaba el vapor producido en una caldera, con lo que el agua era desalojada hacia arriba. Luego el recipiente se bañaba con agua fría, con lo que el vapor se condensaba ( Presión x Volumen = Constante x Temperatura -ley de Boyle-GayLussac-, que significa que disminución de temperatura implica disminución de volumen y condensación). Quedaba pues al vacío el recipiente, con lo que era absorbida más agua, empezando de nuevo el ciclo. La máquina era poco eficiente, porque cada vez que había que empezar un nuevo ciclo había que enfriar de nuevo el recipiente, para la condensación del vapor. Que ni decir tiene que la altura máxima desde la que se podía elevar el agua venía dada por la misma ley que rige las actuales bombas de vacío. Como una atmósfera equivale al peso de una columna de mercurio de 96 cm, o también al de una columna de agua de 10 metros y medio, es ésta última la mayor profundidad a la que la máquina de Savery surtía efecto.

La siguiente implementación de máquina de vapor fue desarrollada por un herrero llamado Thomas Newcomen, en el año 1705. Para tal desarrollo, Newcomen empleó vapor a la presión atmosférica en un cilindro. Al enfriarse este cilindro se producía el vacío, y entonces  la presión atmosférica movía un pistón, el cual estaba conectado a un balancín que bajaba y subía. En el otro extremo del balancín había una bomba de agua, que era para lo que se empleaba esta máquina de vapor. La potencia se incrementaba como es lógico con el incremento de la superficie del pistón. Las pérdidas de presión debidas al precario ajuste que entonces se podía hacer entre el cilindro y el pistón daba lugar a ineficiencia en la máquina. Aún así, el desarrollo de Newcomen estuvo en vigor durante cierto tiempo, hasta el momento en que se trató de perfeccionar el rendimiento de la máquina. Smeaton introdujo ciertas mejoras en el diseño de las máquinas aquí descritas en base precisamente a su estudio de sus rendimientos.

Ahora bien, la implementación definitiva corrió a cargo de un escocés llamado James Watt (de cuyo nombre se ha tomado el nombre de la unidad de la Potencia –el Wattio-), y fue patentada allá por el año 1769. Este mecánico se percató de la pérdida de energía producida por los calentamientos y enfriamientos sucesivos del cilindro, había una gran cantidad de calor que se empleaba únicamente para calentar el cilindro, una vez enfriado para producir el vacío en él. Pero entonces se le ocurrió una idea verdaderamente genial: se emplearían dos cilindros, uno que contuviese el pistón y que estuviese siempre caliente, y otro donde se condensaría el vapor por estar siempre frío –estaría sumergido en un tanque de agua-. Este segundo tanque sería lo que se llamaría condensador. El funcionamiento era el que sigue: el vapor hace bajar el pistón por estar la válvula superior del cilindro abierta. También está abierta la válvula que lo comunica con el condensador para que debajo de él haya el vacío necesario. Al llegar el pistón al fondo, las válvulas superior del cilindro y la del condensador se cierran y el vapor entra en el cilindro por la válvula inferior, igualándose la presión en ambas partes del pistón (superior e inferior), con lo que el pistón se eleva gracias al movimiento continuado del balancín, que es arrastrado desde el cigüeñal por un volante de inercia. Esta implementación daba lugar a un gran ahorro de combustible, con el consiguiente mayor rendimiento-. Con otras mejoras posteriores se convirtió en el motor de la mayoría de las máquinas de entonces.

Fuente de los datos históricos y de las imágenes de esta entrada:

Historia de la ciencia.

Carlos Solís, Manuel Sellés.

Editorial Espasa-Calpe.