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6.5: La revolución industrial

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    La Revolución Industrial ocupó los siglos XVIII y XIX. Fue una época de cambios tecnológicos radicales, la mayoría desarrollados por ingenieros. Un aspecto principal de la Revolución Industrial es que el poder de la máquina reemplazó al poder humano y animal. Por ejemplo, se desarrollaron máquinas de vapor para bombear agua de las minas, reemplazando bombas impulsadas por humanos o animales. También, durante la Revolución Industrial, el campo de la ingeniería continuó una transición de la aplicación de reglas generales a la aplicación del creciente cuerpo de conocimientos de ciencias y matemáticas. Durante la Revolución Industrial, las disciplinas familiares de la ingeniería (particularmente la ingeniería civil y la ingeniería mecánica) comenzaron a emerger como especializaciones identificables.

    Hubo muchos avances técnicos realizados durante la Revolución Industrial. Consideramos brevemente cinco avances en esta sección: los desarrollos de un reloj preciso para medir la longitud, máquinas de vapor, maquinaria automática para la creación de textiles, impresión mecánica y transporte a vapor. Si bien hubo muchos otros avances tecnológicos durante la Revolución Industrial, estos dan una visión general de los diferentes procesos y tecnologías que cobraron importancia en esta época.

    Medición de la longitud

    La longitud es la distancia este u oeste del meridiano principal, una línea imaginaria norte-sur que pasa por Greenwich, Inglaterra. Se mide en grados, siendo las longitudes positivas al este del meridiano principal y las longitudes negativas al oeste del meridiano principal. La medición de la longitud (junto con la medición de latitud) es un componente esencial de la navegación. Fue especialmente importante en la década de 1700 ya que los europeos exploraron el resto del mundo e intentaron hacer mapas y gráficos precisos. También era importante para los barcos que regresaban de viajes largos; si el capitán de un barco no conocía correctamente la posición del barco, el barco podría encallarse en arrecifes o rocas; muchos naufragios ocurrieron por esta misma razón.

    Determinar correctamente la longitud fue un problema muy difícil dadas las capacidades tecnológicas de principios del siglo XVIII. Se consideró tan difícil pero tan importante que en 1714, el Parlamento británico aprobó una legislación que creó la Junta de Longitud. La Junta de Longitud ofreció un premio de 20,000 libras esterlinas (una fortuna significativa en ese momento) a cualquiera que pudiera desarrollar un método preciso para determinar la longitud.

    El método más simple para determinar la longitud es determinar la diferencia entre el tiempo en la ubicación actual de uno y el tiempo en una ubicación conocida (típicamente el meridiano principal en Greenwich, Inglaterra). Para conocer la hora en Greenwich, uno debe tener un reloj muy preciso que se haya ajustado a la hora de Greenwich. Entonces, mientras uno viaja, el reloj siempre dice la hora en Greenwich. Entonces, un enfoque, y el que finalmente tuvo éxito en ganar el premio de longitud, es desarrollar un reloj extremadamente preciso.

    John Harrison (1693—1776) fue un relojero inglés, quien en una serie de cinco diseños desarrolló un reloj lo suficientemente preciso como para ganar el Premio Longitud (aunque la cantidad total del premio en realidad nunca se le otorgó). Su reloj tenía que mantener la hora exacta en largos viajes por mar en los que la temperatura, la presión atmosférica y la humedad variaban drásticamente. Desarrolló varios mecanismos ingeniosos diferentes como parte del reloj. A uno se le llamó un escape de saltamontes. El escape es el mecanismo que convierte la oscilación del péndulo en el giro de un engranaje en una cantidad específica para cada oscilación; el engranaje a su vez impulsa el mecanismo que mueve las manecillas del reloj. Otro mecanismo inventado por Harrison fue un péndulo de gridirón; éste fue diseñado para que la longitud del péndulo no cambiara a medida que las varillas metálicas a partir de las cuales se hace el péndulo se expanden o contraigan debido a cambios de temperatura.

    El desarrollo de John Harrison de su cronómetro de ombligo fue motivado por el Premio Longitud. Debido a que sus primeros diseños se mostraron prometedores, recibió financiamiento de un relojero y de la Junta de Longitud para desarrollarlos aún más. Nunca recibió el monto total del premio. En varios viajes, sus relojes guardaban el tiempo con la suficiente precisión, pero la Junta de Longitud tenía preocupaciones de que la precisión demostrada por sus cronómetros se debía a la suerte y no era repetible. La imagen (Figura abajo) muestra el último de los cronómetros que Harrison desarrolló.

    El desarrollo del cronómetro marítimo por John Harrison es un ejemplo de un solo individuo, que trabaja de manera más o menos independiente, que fue capaz de desarrollar la tecnología necesaria para resolver un problema social significativo. A pesar de que sus logros técnicos se realizaron principalmente como individuo, su obra estuvo significativamente influenciada por la sociedad en la que vivía. Sus invenciones afectaron dramáticamente el futuro de la navegación marítima.

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    H5, el último de una serie de cronómetros marítimos inventados por John Harrison para medir el tiempo con la suficiente precisión para calcular la longitud.

    En el pasado reciente se han ofrecido a menudo premios sustanciales para motivar el progreso sobre un problema tecnológico. A principios del siglo XX, el diario Daily Mail anunció y otorgó muchos premios por los primeros eventos de la aviación; estos incluyeron el primer vuelo a través del Canal de la Mancha en 1909 y el primer vuelo a través del Océano Atlántico en 1919. El Premio Ansari X ofreció 10 millones de dólares para la primera organización no gubernamental en lanzar una nave espacial tripulada al espacio; este premio fue ganado el 4 de octubre de 2004, por SpaceShipone. Desde entonces, la Fundación X Prize ha creado varios otros premios para logros genómicos, automotrices y espaciales; estos aún no se han ganado. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) creó el gran reto en 2004, en el que se requiere que vehículos sin conductores humanos naveguen por cursos cada vez más difíciles; los equipos ganadores en 2005 y 2007 han recibido premios de 2 millones de dólares cada uno.

    Motores de Vapor

    Uno de los principales cambios tecnológicos que comenzaron durante la Revolución Industrial fue reemplazar el agua, el viento, la energía humana y animal por la energía de la máquina. Esto primero ocurrió en el desarrollo de la máquina de vapor. La máquina de vapor se desarrolló originalmente para bombear agua de minas de carbón y metal. (Agua recolectada en las minas cuando fueron hundidas por debajo del nivel freático de la roca circundante.) El bombeo mecánico de agua podría eliminar mucha más agua de una mina que los humanos o los animales que alimentan la bomba. Esto permitió que las minas se profundizaran. También se utilizaron máquinas de vapor para proporcionar energía a las fábricas textiles y otras fábricas; esto permitió que los molinos se ubicaran de manera más conveniente a fuentes de materias primas y mano de obra, en lugar de ubicarse por arroyos y ríos.

    La primera máquina de vapor comercialmente exitosa fue desarrollada por Thomas Newcomen (1664—1729) en Inglaterra. Su motor tenía un cilindro grande en el que un pistón se movía hacia arriba y hacia abajo. Se introdujo vapor en el cilindro y se creó un vacío parcial a medida que se condensaba; la presión atmosférica en el otro lado del pistón provocó que el pistón se moviera. El pistón estaba conectado a un balancín; el movimiento del balancín podría usarse para accionar la bomba. La siguiente figura muestra un dibujo recortado del motor.

    Newcomen y su socio John Calley tuvieron que llegar a un acuerdo con Thomas Savery (alrededor de 1650-1715), quien previamente había patentado casi todos los usos imaginables de la energía de vapor, antes de poder comercializar comercialmente su invención. El primer motor Newcomen se instaló en 1712. Para cuando la patente bajo la cual se fabricaban las máquinas expiró en 1733, alrededor de 100 de sus máquinas de vapor habían sido construidas e instaladas. Durante este tiempo, se mejoró su diseño para que funcionara automáticamente. Su diseño era muy ineficiente y requería una gran cantidad de combustible; también tenía una altura limitada a la que podía bombear agua. A pesar de estos inconvenientes, fue ampliamente adoptado incluso después de que las máquinas de vapor mejoradas estuvieran disponibles debido a su simplicidad mecánica.

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    Un dibujo de la máquina de vapor Newcomen. La letra “D” marca el pistón que se mueve hacia arriba y hacia abajo en el cilindro.

    James Watt (1736—1819) desarrolló una versión mejorada de la máquina de vapor. Su motor era mucho más eficiente que el de Newcomen, requiriendo solo una cuarta parte de combustible, y por lo tanto era mucho menos costoso de funcionar. Desarrolló un modelo de trabajo del motor en 1765, pero requirió un tiempo adicional significativo para que el motor tuviera éxito comercial. Recibió una patente sobre el diseño del motor. Se asoció con Michael Boulton (1728-1809), el dueño de una exitosa fábrica de hierro, quien brindó el respaldo financiero necesario para desarrollar y comercializar su motor. Su primer motor comercial fue instalado en 1776. En 1781, desarrolló una versión del motor que proporcionaba movimiento giratorio (en lugar del movimiento oscilante de su motor anterior) que podía conducir maquinaria de fábrica. Watt finalmente se convirtió en un hombre muy rico sobre la base de las ventas de su máquina de vapor.

    El desarrollo de la máquina de vapor fue fundamental en varias áreas diferentes. Una fue la introducción de máquinas en la fabricación de textiles y otros bienes. Además, la máquina de vapor transformó el transporte; en particular, el desarrollo del buque de vapor y la locomotora de vapor incrementó en gran medida la velocidad con la que las personas podían moverse y aumentar la cantidad de materiales y bienes que se podían mover. La unidad métrica de potencia lleva el nombre de Watt. Así, se puede hablar de una bombilla de “100 vatios” como una bombilla que utiliza 100 vatios de energía (eléctrica).

    Textiles

    Una industria que fue transformada por la Revolución Industrial fue la creación de textiles (tela). Antes de la Revolución Industrial, la fabricación textil era una industria artesanal; la tela era hecha por personas que trabajaban en sus hogares o en pequeños grupos. Después de la Revolución Industrial, se confeccionó tela en grandes fábricas utilizando maquinaria alimentada por máquinas de agua o vapor.

    La creación de textiles implica dos procesos. El primero, el hilado, es la fabricación de hilo o hilo a partir de fibras como el algodón o la lana. El segundo es tejer el hilo o hilo en tela. Las invenciones en la industria textil ocurrieron tanto en Inglaterra como en Estados Unidos.

    El primer molino de algodón en Inglaterra se inauguró en 1764. Antes de este tiempo, la mayor parte de la tela producida en Inglaterra era lana. El algodón requiere un procesamiento más extenso para crear tela y, por lo tanto, se adaptó mejor a un enfoque industrial. En 1769, Richard Arkwright (1733—1792) patentó el marco de agua, una máquina que utilizaba la energía del agua para hilar algodón en hilo. En 1771, Arkwright instaló el marco de agua en su molino de algodón; esto creó una de las primeras fábricas que se construyó para albergar maquinaria; fábricas anteriores fueron diseñadas principalmente para unir a los trabajadores en un solo lugar.

    Estos y otros desarrollos tecnológicos en las décadas de 1770 y 1780 hicieron posible la industria textil británica y de gran éxito. Esta tecnología fue cuidadosamente protegida por el gobierno británico; la exportación de maquinaria textil estaba prohibida, y a los trabajadores textiles se les prohibió compartir información o salir de Gran Bretaña. Samuel Slater (1768—1835) nació en Inglaterra y fue aprendiz en una fábrica de algodón en parte propiedad de Richard Arkwright; durante su aprendizaje, memorizó los detalles técnicos de la maquinaria de la fábrica. Se dio cuenta de que Estados Unidos se ofrecía a pagar información sobre la manufactura textil, y en 1789 emigró a Estados Unidos disfrazado de agricultor. Con el respaldo financiero de Moses Brown, un comerciante, construyó la primera hiladora de agua de Estados Unidos en Pawtucket, Rhode Island. Slater empleaba a familias, entre ellas mujeres y niños, en esta y posteriores molinos que construyó.

    La adquisición y el uso de información tecnológica por parte de Slater que sus dueños originales deseaban mantener en secreto es un ejemplo de espionaje industrial. El espionaje industrial es una práctica con una larga historia que continúa hoy en día.

    Uno de los desarrollos de ingeniería estadounidenses más famosos asociados con los textiles fue la invención de la ginebra de algodón por el inventor Eli Whitney (1765—1825) en 1792; la ginebra de algodón es una máquina que elimina semillas del algodón después de ser recolectada. La siguiente figura muestra la maquinaria interna de la ginebra de algodón Whitney's. Previo a la invención de la ginebra de algodón, este trabajo se hacía a mano. Además del desarrollo de la ginebra de algodón, Eli Whitney promovió la idea de piezas intercambiables para dispositivos mecánicos. Antes del desarrollo de piezas intercambiables, cada parte de un objeto se fabricaba individualmente y encajaba en un proceso minucioso. Las piezas intercambiables están estandarizadas; esto permite, por ejemplo, reemplazar un tornillo en una máquina o una pistola por otro tornillo sin necesidad de remodelar ninguna pieza.

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    Funcionamiento interno de la ginebra de algodón original desarrollada por Eli Whitney.

    Impresión Mecánica

    El proceso de configuración del tipo se mantuvo prácticamente sin cambios durante 400 años después de 1480. Los moldes de letras se moldearon a mano, y estos moldes se ensamblaron a mano en filas y páginas de texto.

    La revolución industrial del siglo XIX trajo cambios, primero a los procesos de impresión, y luego a la tipografía. Friedrich Koenig (1774—1833) inventó una imprenta a vapor; la primera unidad comercial se vendió al London Times en 1814. Esta prensa se muestra en la imagen (Figura abajo). Esta prensa podía hacer 1100 impresiones por hora, lo que era mucho más rápido de lo que podían imprimir las prensas manuales; esta tecnología facilitó la aparición de un diario que circulaba y leía ampliamente. En 1835 se introdujo la primera prensa de banda comercial; una prensa de banda imprime en un rollo continuo (banda) de papel. En 1844, Richard Hoe (1812—1886) en Estados Unidos desarrolló la imprenta rotativa (Figura abajo). Esta prensa podría imprimir más de 20 mil copias por hora.

    Prensa de vapor inventada por Friedrich Koenig en 1814.

    Prensa de vapor inventada por Friedrich Koenig en 1814.

    Prensa rotativa inventada por Richard Hoe.

    Prensa rotativa inventada por Richard Hoe.

    Transporte a Vapor

    El desarrollo de la máquina de vapor tuvo un efecto revolucionario en la minería y la fabricación. Como el poder humano y animal fueron reemplazados por la energía de vapor, los recursos y los bienes manufacturados pudieron adquirirse de manera más eficiente. A finales del siglo XVIII, las máquinas de vapor se habían convertido en fuentes de energía viables para embarcaciones y trenes. Esto a su vez tuvo un impacto dramático en la sociedad; la capacidad de transportar personas y mercancías a largas distancias brindó importantes oportunidades de crecimiento económico. También hizo posible la expansión hacia el oeste de las poblaciones de colonos en Estados Unidos.

    A finales del siglo XVIII, hubo una cantidad significativa de experimentación con métodos para alimentar un barco usando una máquina de vapor. Se probaron diversos métodos de propulsión; estos incluyeron paletas suspendidas de la parte trasera de la embarcación y la hélice de tornillo. Robert Fulton (1765—1815) fue el primero en desarrollar con éxito un barco de vapor en Estados Unidos. En 1807, completó la construcción de un barco de vapor de 146 pies de largo. El barco estaba propulsado por un motor Boulton y Watt de 24 caballos. Utilizaba madera como combustible. El barco transportaba pasajeros y carga entre la ciudad de Nueva York y Albany, Nueva York, mucho más rápido de lo que podría hacer un barco a vela. El servicio de barco de vapor se volvió muy rentable para Fulton y su respaldo financiero, Robert Livingston (1746—1813).

    Estados Unidos cuenta con una extensa red de ríos navegables. En particular, el río Mississippi y sus afluentes pueden ser utilizados para navegar gran parte del centro de Estados Unidos. En 1811 y 1812, Fulton construyó un barco de vapor en Pittsburgh que viajaba por los ríos Ohio y Mississippi hasta Nueva Orleans. Livingston y Fulton habían obtenido el monopolio de los viajes en barco de vapor en Louisiana; sus barcos de vapor volvieron a tener mucho éxito comercial. Sus barcos de vapor fueron los primeros de muchos que navegaban por los ríos de Estados Unidos. De 1815 a 1860, los barcos de vapor dominaron el transporte de mercancías y pasajeros en ríos. A lo largo de este tiempo, hubo mejoras significativas en la ingeniería; para 1850, muchos barcos de vapor podrían viajar a 20 millas por hora. La siguiente figura muestra una pintura del barco de vapor Robert E. Lee; fue construido en 1866, y estableció un récord para el viaje más rápido entre San Luis y Nueva Orleans. Fue destruida en 1882 cuando se incendió a 30 millas a las afueras de Nueva Orleans. (Las explosiones de calderas y los incendios fueron ocurrencias bastante comunes en los barcos de vapor, lo que los convirtió en un modo de transporte algo peligroso y dio lugar a regulaciones de seguridad gubernamentales).

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    Pintura del barco de vapor Robert E. Lee de August Norieri.

    Tan importante como lo fue el desarrollo de los barcos a vapor, el desarrollo de los ferrocarriles a vapor tuvo un efecto mucho mayor en la economía de Estados Unidos en la segunda mitad del siglo XIX. Los trenes llegaron a ser el modo de transporte dominante durante este tiempo. Las corporaciones que construyeron y operaron el sistema ferroviario fueron las corporaciones más grandes durante este período y crearon una riqueza significativa para sus dueños.

    La primera locomotora ferroviaria fue construida en 1803 en Inglaterra por Richard Trevithick (1771—1833). El primer ferrocarril de Inglaterra, sin embargo, no entró en servicio hasta 1825. En 1829, Robert Stevenson (1803—1859) diseñó una locomotora llamada “Rocket”, que tenía muchas de las características de locomotoras de vapor posteriores; estas incluyen una caldera multitubular y ruedas impulsadas por pistones casi horizontales. La siguiente figura muestra un dibujo del Cohete.

    Dibujo de la locomotora Rocket.

    Dibujo de la locomotora Rocket.

    El primer ferrocarril comercial en Estados Unidos fue Baltimore and Ohio Company; en 1830, abrió las primeras 13 millas de vía en Estados Unidos. Para 1860, había más de 30,000 millas de pista en Estados Unidos. Los ingenieros estadounidenses adaptaron los diseños de locomotoras británicas a las limitaciones y problemas únicos planteados por Estados Unidos. Los motores estadounidenses eran más grandes y más potentes que los motores británicos porque los sistemas ferroviarios estadounidenses tenían grados más pronunciados; las vías estadounidenses también tenían curvas más ajustadas, lo que requería el diseño del camión carretón. Las vías de los trenes estadounidenses no están cercadas, por lo que los ingenieros diseñaron captadores de vacas en la parte delantera de la locomotora. También se desarrollaron nuevas técnicas de ingeniería para la construcción de las líneas ferroviarias y los puentes y túneles que requerían.

    Una de las mayores hazañas de ingeniería de la revolución industrial fue construir el Primer Ferrocarril Transcontinental. Este ferrocarril unía Omaha, Nebraska, con Sacramento, California. Fue autorizado por el gobierno federal de Estados Unidos en 1862 y se terminó en 1869. Este ferrocarril cambió drásticamente los viajes al oeste de Estados Unidos; antes de su finalización, este viaje implicó un viaje de muchos meses en un vagón tirado por caballos o bueyes. Después de su finalización, el viaje podría realizarse en una semana.


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