Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (85 page)

Si volvemos a los principios, consideremos que, aunque la primera ley de la termodinámica declara que la energía no puede crearse de la nada, no existe ninguna ley en contra de convertir una forma de energía en otra. Toda nuestra civilización ha sido construida para descubrir nuevas fuentes de energía y domeñarlas para usos humanos de una forma cada vez más eficiente y con medios sofisticados. En realidad, el mayor descubrimiento individual en la historia humana tiene que ver con los métodos para convertir la energía química, como por ejemplo combustibles o madera, en calor y en luz.

Fue tal vez hace medio millón de años cuando nuestros antepasados homínidos «descubrieron» el fuego mucho antes de la aparición del
Homo sapiens
(el hombre moderno). No cabe duda de que encontraron —y tuvieron que huir a escape— arbustos y árboles incendiados por el rayo antes de eso. Pero el descubrimiento de las virtudes del fuego no llegó hasta que la curiosidad venció al miedo.

Debió existir un momento cuando un primitivo dado —tal vez una mujer o (más probablemente aún) un niño— debió verse atraído por los tranquilos restos ardientes de semejante fuego accidental y debió divertirse jugando con él, alimentándole con palitos y observando el bailoteo de las llamas. Indudablemente, los mayores tratarían de detener un juego tan peligroso hasta que uno de ellos, más imaginativo que la mayoría, reconoció las ventajas de dominar la llama y convertir una diversión infantil en algo que empleasen los adultos. Una llama ofrecía luz en la oscuridad y calor contra el frío. También mantenía alejados a los depredadores. Llegado el momento, la gente descubrió que el fuego ablandaba los alimentos y los hacía saber mejor. (Mataba los gérmenes y los parásitos también, pero los seres humanos prehistóricos no podían saberlo.)

Durante centenares de millares de años, los seres humanos sólo pudieron hacer uso del fuego manteniéndolo encendido de forma constante. Si accidentalmente la llama se apagaba, aquello debía ser el equivalente de un apagón eléctrico en una sociedad moderna. Otra nueva llama debía ser conseguida de otra tribu, o había que aguardar a que un rayo hiciese ese trabajo. Fue sólo en tiempos comparativamente recientes cuando los seres humanos aprendieron a prender una llama antes de que existiese ninguna, momento en que el fuego llegó a ser verdaderamente domado (fig. 9.1). Fue el
Homo sapiens
quien logró esa tarea en los tiempos prehistóricos, pero no sabemos exactamente cuándo, exactamente dónde, y tal vez no lo sabremos nunca.

Fig. 9.1. Métodos primitivos para hacer fuego.

En los primeros días de la civilización, el fuego se empleó no sólo para iluminación, calor, protección y para cocinar, sino también, llegado el momento, para el aislamiento de los metales a partir de sus menas y para manejar los metales después, para la cochura de la cerámica y de los ladrillos e incluso para fabricar vidrio.

Otros importantes desarrollos fueron los heraldos del nacimiento de la civilización. Hacia el año 9000 a. de J.C., los seres humanos comenzaron a domesticar plantas y animales, comenzando las prácticas de la agricultura y de la ganadería, y de ese modo incrementaron el abastecimiento de alimentos y, respecto de los animales, encontraron una fuente directa de energía. Bueyes, asnos, camellos y hasta caballos (por no decir nada de los renos, los yaks, los búfalos de agua, las llamas y elefantes en diferentes rincones del mundo) aportaron unos músculos más potentes para llevar a cabo tareas necesarias, empleando como combustible unos alimentos demasiado burdos para que los seres humanos pudiesen comerlos.

Hacia el año 3500 a. de J.C. se inventó la rueda (posiblemente en un principio para el torno como medio de moldear la cerámica). Al cabo de algunos siglos (seguramente hacia el año 3000 a. de J.C.), las ruedas fueron situadas sobre trineos, que eran difíciles de arrastrar y que ahora podían rodar fácilmente. Las ruedas no constituyeron una fuente directa de energía, pero hicieron posible el que mucha menos energía se gastase al vencer la fricción.

Asimismo, hacia esta época, las primitivas balsas o piraguas empezaron a emplearse para permitir que la energía del agua corriente transportase cargas. Hacia tal vez el año 2000 a. de J.C., empezaron a emplearse las velas para captar el viento, por lo que los movimientos del aire aceleraron el transporte o incluso forzaban al navío a moverse contra la fuerza de las lentas corrientes. Hacia el año 1000 a. de J.C., los fenicios con sus navíos surcaron ya toda la extensión del mar Mediterráneo.

Más o menos hacia el año 50 a. de J.C., los romanos comenzaron a emplear la noria. Una rápida corriente de agua podía hacer girar una rueda que, a su vez, hacía girar otras ruedas que realizaban un trabajo: moler grano, aplastar menas, bombear agua, etc. Los molinos de viento entraron en uso en ese tiempo, unos mecanismos en que las corrientes de aire, en vez de las de agua, movían la rueda. (Las corrientes rápidas de agua son raras, pero el viento se encuentra en todas partes.) En los tiempos medievales, los molinos de viento constituyeron una fuente importante de energía en Europa occidental. Fue asimismo en los tiempos medievales cuando los seres humanos comenzaron a quemar unas piedras negras llamadas
carbón
en unos hornos metalúrgicos, a emplear la energía magnética para las brújulas de los navíos (que llegado el momento hicieron posible los largos viajes de exploración) y el uso de la energía química para la guerra.

El primer empleo de la energía química para la destrucción (más allá del simple empleo de flechas incendiadas) tuvo lugar hacia el año 670 d. de J.C., cuando un alquimista sirio llamado Calínico se cree que inventó el
fuego griego
, una primitiva bomba incendiaria compuesta de azufre y nafta, que se cree que tuvo el mérito de salvar a Constantinopla de su primer asedio por los musulmanes el años 673.

La pólvora llegó a Europa en el siglo XIII. Roger Bacon la describió hacia el año 1280, pero ya se la conocía en Asia desde muchos siglos atrás, y tal vez se introdujera en Europa con las invasiones mongólicas iniciadas el año 1240. Sea como fuere, la artillería cual arma de fuego llegó a Europa en el siglo XIV y se supone que los cañones hicieron su primera aparición en la batalla de Crécy, el año 1346.

El más importante de los inventos medievales es el atribuido al alemán Johann Gutenberg. Hacia 1450, Gutenberg creó el primer tipo movible, y, con él, hizo de la imprenta una poderosa fuerza de comunicación y propaganda. También fabricó la tinta de imprenta, en la que el negro de humo estaba disuelto en aceite de linaza y no, como hasta entonces, en agua. Esto, junto con la sustitución del pergamino por el papel (invento —según la tradición— de un eunuco chino, Ts'ai Lun, el año 50 d. de J.C., que llegó a la Europa moderna por conducto árabe en el siglo XIII), posibilitó la producción a gran escala y distribución de libros y otro material escrito. Ninguna otra invención anterior a los tiempos modernos se adoptó tan rápidamente. Una generación después del descubrimiento se habían impreso ya 40.000 libros.

Los conocimientos documentales del género humano no estuvieron ya ocultos en las colecciones reales de manuscritos, sino que fueron accesibles en las bibliotecas para todos quienes supieran leer. Los folletos crearon y dieron expresión a la opinión pública. (La imprenta tuvo una gran participación en el éxito de la revuelta de Martín Lutero contra el Papado, que, de otra forma, hubiera sido simplemente un litigio privado). Y también ha sido la imprenta, como todos sabemos, uno de los instrumentos que han hecho de la Ciencia lo que hoy es. Esta herramienta indispensable entrañaba una vasta divulgación de ideas. Hasta entonces, la Ciencia había sido un asunto de comunicaciones personales entre unos cuantos aficionados; pero, desde aquellas fechas, un campo principalísimo de actividad que alistó cada vez más trabajadores, suscitó el ensayo crítico e inmediato de las teorías y abrió sin cesar nuevas fronteras.

La subordinación de la energía al hombre alcanzó su momento trascendental hacia fines del siglo XVII, aunque ya se habían manifestado algunos indicios tímidos en los tiempos antiguos. El inventor griego Herón de Alejandría construyó, durante los primeros siglos de la Era cristiana (no se puede siquiera situar su vida en un siglo concreto), cierto número de artificios movidos por la fuerza del vapor. Empleó la expansión del vapor para abrir puertas de templos, hacer girar esferas, etc. Él mundo antiguo, cuya decadencia se acentuaba ya por entonces, no pudo asimilar esos adelantos prematuros.

Quince siglos después, se ofreció la segunda oportunidad a una sociedad nueva en vías de vigorosa expansión. Fue producto de una necesidad cada vez más apremiante: bombear agua de las minas, cuya profundidad crecía sin cesar. La antigua bomba aspirante de mano (véase capítulo 5) empleó el vacío para elevar el agua; y, a medida que progresaba el siglo XVII, los hombres comprendieron mejor el inmenso poder del vacío (o, más bien, la fuerza que ejerce la presión del aire en el vacío).

Por ejemplo, en 1650, el físico alemán (alcalde de Magdeburgo) Otto von Guericke, inventó una bomba de aire accionada por la fuerza muscular. Montó dos hemisferios metálicos unidos por un conducto y empezó a extraer el aire de su interior con una bomba aplicada a la boquilla de un hemisferio. Cuando la presión del aire interior descendía, la presión atmosférica, falta de equilibrio, unía los hemisferios con fuerza siempre creciente. Por último, dos troncos de caballos tirando en direcciones opuestas no pudieron separar los hemisferios, pero cuando se daba otra vez entrada al aire, éstos se separaban por sí solos. Se efectuó ese experimento ante personajes muy importantes, incluyendo en cierta ocasión al propio emperador alemán. Causó gran sensación. Entonces, a varios inventores se les ocurrió una idea. ¿Por qué no usar el vapor en lugar de la fuerza muscular para crear el vacío? Suponiendo que se llenara un cilindro (o algún recipiente similar) con agua, y se la calentara hasta hacerla hervir, el vapor ejercería presión sobre el agua. Si se enfriara el recipiente —por ejemplo, haciendo caer agua fría en la superficie externa—, el vapor dentro del recipiente se condensaría en unas cuantas gotas y formaría un vacío virtual. Entonces se podría elevar el agua cuya extracción se pretendía (por ejemplo, el caso de la mina inundada), haciéndola pasar por una válvula a dicho recipiente vacío.

Un físico francés, Denis Papin, empleó la fuerza del vapor ya tan pronto como en 1679. Desarrolló un
digestor de vapor
en que el agua se calentaba en una vasija con una tapa fuertemente ajustada. El vapor acumulado creaba una presión que aumentaba el punto de ebullición del agua y, en su temperatura más elevada, cocinaba los alimentos de forma más rápida y mejor. La presión del vapor dentro del digestor debió dar a Papin la noción de cómo el vapor podía producir trabajo. Colocó un poco de agua en el fondo del tubo y, calentándolo, lo convirtió en vapor. Éste se expansionaba y empujaba de esta manera un pistón.

El ingeniero militar inglés Thomas Savery fue quien materializó por primera vez esa idea para aplicarla a un artificio funcional. Su «ingenio de vapor» (la palabra «ingenio» se aplicó originalmente a todo artificio mecánico) sirvió para extraer agua de minas y pozos o mover una rueda hidráulica, llamándolo él, por tal razón,
El amigo del minero
. Pero resultaba peligroso (porque la alta presión del vapor solía hacer reventar calderas o tuberías) y poco eficaz (porque se perdía el calor del vapor cada vez que se enfriaba el recipiente). Siete años después —en 1698—, Savery patentó su ingenio, y un herrero inglés llamado Thomas Newcomen construyó una máquina más perfecta que funcionaba a bajas presiones; tenía pistón y cilindros, empleándose la presión del aire para mover hacia abajo el pistón.

Tampoco fue muy eficiente el ingenio de Newcomen, y la máquina de vapor siguió siendo un artilugio secundario durante más de sesenta años, hasta que un mecánico de precisión escocés, llamado James Watt, ideó el medio de darle efectividad. Lo contrató la Universidad de Glasgow para diseñar un nuevo modelo del ingenio Newcomen, cuyo funcionamiento dejaba mucho que desear. Watt comenzó a cavilar sobre la pérdida inútil de combustible. ¿Por qué se creía necesario enfriar cada vez el recipiente de vapor? ¿Por qué no mantener siempre caliente la cámara de vapor y conducir éste hasta otra cámara condensadora mantenida a baja temperatura? Watt introdujo varias mejoras más: se aprovechó la presión de vapor para mover el pistón, se diseñó una serie de conexiones mecánicas para mantener en línea recta el movimiento del pistón, se enlazó este movimiento alternativo con un cigüeñal que hacía girar a una rueda, y así sucesivamente. En 1782, su máquina de vapor, rindiendo con una tonelada de carbón tres veces más que la de Newcomen, quedó lista para prestar servicio como caballo universal de fuerza (fig. 9.2).