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La ciencia resuelve la regla de Leonardo Da Vinci para explicar la forma de los árboles

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Hace más de 500 años, Leonardo Da Vinci observó una particular relación entre el tamaño del tronco de un árbol y el tamaño de sus ramas, y lo que encontró es que el conjunto de las áreas transversales de la rama-hija de un árbol son iguales a las áreas transversales de su rama-madre.

Sin embargo, Da Vinci nunca supo por qué las ramas de los árboles seguían esta regla, y algunas explicaciones han sido propuestas desde entonces. Pero ahora, en un nuevo estudio, los físicos como Christophe Eloy de la Aix-Marseille University en Francia, han mostrado que esta estructura debe ser óptima para permitir a los árboles resistir al estrés producido por el viento.

En este estudio, que ha sido publicado en una reciente edición del Physical Review Letters, Eloy explica que la regla de Leonardo es bastante natural para el ojo humano, ya que es utilizada en una multitud de programas de ordenador diseñados para generar árboles virtuales.

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Los árboles de maple, como éste, sí cumplen con la regla concebida por Da Vinci.

Sin embargo, algunos investigadores habían propuesto con anterioridad explicaciones para la regla, basados en hidráulica o estructura, y ninguna de estas explicaciones habían resultado completamente convincentes.

Por ejemplo, la explicación hidráulica llamada el “modelo del tubo” propone que las proporciones de las ramas tienen que ver con la manera en que los vasos vasculares conectan las raíces de los árboles con las hojas para proveerlas de agua y nutrientes.

Pero desde que los vasos vasculares (los tubos proveedores de agua) tan sólo representan el 5% de la sección transversal de la rama (para grandes troncos en algunas especies de árboles), parece poco probable que gobiernen la arquitectura completa del árbol.

“La usual explicación de los libros de texto de la regla de Leonardo (y más generalmente, de la relación entre los diámetros de las ramas), implica consideraciones hidráulicas”, ha dicho Eloy, quien ha comentado también que “mi estudio demuestra que una explicación alternativa puede ser dada, considerando las cargas externas, tales como el viento que es inducido por una fuerza”

El fenómeno, llamado Tigmomorfogénesis, significa que el viento puede afectar el diámetro del tronco y las ramas mientras crece y el mecanismo celular que subyace a este fenómeno es en gran parte desconocido.

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Los arbustos no cumplen con la regla Da Vinci

Para construir esta línea de pensamiento, Eloy utilizó dos modelos para predecir la probabilidad de una fractura en un cierto punto del árbol debido a los fuertes vientos. Él ha encontrado que, cuando la probabilidad de una fractura es la misma en cualquier parte del árbol -y que cada parte de éste tiene la misma tensión- la regla de Leonardo se reestablece. También mostró que el diámetro de cada rama puede ser calculado sabiendo los parámetros del esqueleto del árbol.

Sin embargo, algunas de las más comunes especies de árboles como los máples o los róbles, parece que sí siguen la regla de Leonardo, a pesar de que hay muchas especies que no siguen la regla y muchas otras especies que los científicos todavía no analizan.

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Imágen más detallada de la regla de Leonardo

“De hecho, la regla de Leonardo no ha sido evaluada para esas especies que quedan pendientes” ha dicho, para luego agregar: “… hasta ahora parece que se hará con 10 especies. El problema es que toma mucho tiempo medir un simple árbol, el cual tiene miles de ramas y los datos suelen ser muy dispersos. Además, algunas especies cláramente no satisfacen la regla de Leonardo, como los baobas y la mayoría de los arbustos”.

Por otro lado, el descubrimiento de que algunos árboles síguen la regla de Leonardo, cuando adaptan su crecimiento para tolerar el estrés producido por las corrientes de viento, podría tener aplicaciones tanto en la naturaleza como en la tecnología. “Esto tiene aplicaciones obvias para la industria forestal para el cálculo de los rendimientos de los sostenes de los árboles cuando son plantados y para evaluar los riesgos de fractua de los árboles durante las tormentas”, ha dicho Eloy, quién además ha destacado el hecho de que “esto podría ser aplicado para el cálculo de otras estructuras como las antenas de televisión o radio”.

Por último, el investigador ha resaltado el hecho de que todavía queda mucho por entender sobre el diseño de los árboles, incluyendo la autosimilitud compartida por las largas y las pequeñas ramas.

Traducción de Julio García.

Fuente: www.physorg.com/

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¿Realmente podemos crear vida artificial?

Una entrevista con el Dr. Jordi García, profesor de genética en la Universidad de Barcelona, además, las actividades más importantes que ofrece para este verano la Ciudad de las Artes y de las Ciencias, en una charla con su director: Pedro García Ribot. Y, como cada semana, las noticias más importantes de ciencia y tecnología y nuestra recomendación bibliográfica.

El lenguaje geométrico de la naturaleza: de fractales y de caos

por Julio García.

Cuando nuestra lógica es rebasada por la realidad, cuando detrás de los objetos que percibimos cotidianamente a través de los sentidos subyace un argumento de la existencia que poco o nada tiene que ver con la racionalidad y con la capacidad intrínseca y coherente de nuestro cerebro para comprenderlo, entonces la realidad, y la vida misma, aparecen en un estado confuso y nebuloso para nuestro entendimiento. Pero en lo nebuloso, lo irracional y lo confuso, ¿podría existir un orden que aún todavía no comprendemos?

Con un argumento parecido, en 1982, Benoit Mandelbrot , un matemático polaco, de origen judío y asilado en los Estados Unidos, propuso un modelo teórico, una nueva lógica si se le quiere ver así, para tratar de explicar la geometría que subyace en la naturaleza y que le da forma y sentido. El trabajo de Mandelbrot, que es bastante extenso,más de 600 páginas para la edición en español, lleva el sugerente nombre de La geometría fractal de la naturaleza.

En este texto Mandelbrot fundamenta los motivos por los que decidió tomar el camino de los fractales, un término acuñado por él que en latín significa fractus o quebrado (de geometría quebrada o formas semi-geométricas), para explicar el número de escalas infinitas que las formas de la naturaleza toman cuando se les extiende hacia el microcosmos (desde los átomos, las moléculas, las plantas, los seres humanos y los animales) o, bien, hacia el macrocosmos: hacia lo muy grande como la forma de las galaxias.

En su trabajo, el autor hace además una crítica bastante dura contra la geometría euclidiana y en general contra todo el cuerpo matemático que se ha creado para comprender el mundo. Un cuerpo matemático que se ha encargado, dice él, de descartar lo “amorfo” y lo “informe” de las formas para “huir de lo natural”. Y como él mismo apunta: “En respuesta a este desafío, concebí y desarrollé una nueva geometría de la naturaleza y empecé a usarla en una serie de campos. Permite describir muchas de las formas irregulares y fragmentadas que nos rodean, dando lugar a teorías hechas y derechas, identificando una serie de formas que llamo fractales”.

En este sentido, podemos decir que la geometría de Mandelbrot no es un invento o un truco sacado de la manga para describir las formas de la naturaleza, sino que, por el contrario, es la propia naturaleza la que utiliza esta lógica para crear formas determinadas. En definitiva, Mandelbrot no ha establecido la estructura fundamental de los fractales (el sólo la ha descubierto y le ha dado un sentido matemático y racional): es la naturaleza la que se ha encargado de crearla.

Para que un objeto sea considerado fractal, debe de contener ciertos requisitos. Entre los más importantes podemos destacar:

1. Debe ser demasiado irregular para ser descrito en términos geométricos regulares, alejada de los principios de la geometría euclidiana de rectas y líneas paralelas que nunca se tocan,

2. poseer detalle a cualquier escala de observación. Esto significa que las formas fractales poseen patrones de repetición infinita de la menor a la mayor escala, o viceversa (se auto asimilan). En suma: si observamos un objeto fractal, desde lejos o desde cerca, su forma se repetirá invariablemente, como si de clones se tratase o como si una forma original se reprodujera siempre de la misma manera hasta el infinito.

Ejemplos concretos de fractales los podemos encontrar prácticamente en cualquier parte si observamos con detalle lo que nos rodea: en la forma de las hojas y de la coliflor, en la forma en que está constituido el sistema circulatorio lleno de ramificaciones, en los copos de nieve, en los helechos, en las montañas y en las costas. También es posible crearlos por computadora, a través de programas que gratuitamente pueden descargarse por Internet. En el arte y el mundo de la estética también han servido de inspiración. Así, tenemos que M.C Escher (Holanda, 1898), a quien muchos consideran el artista plástico de las matemáticas, ha plasmado -y sin los conocimientos teóricos suficientes ya que su obra es anterior a los planteamientos de Mandelbrot- formas fractales en obras como Círculo Límte IV y Otro mundo.

En suma, la geometría fractal está ligada invariablemente con el concepto de caos, en el sentido de que aquello que parece azaroso, indeterminable y borroso para nuestro entendimiento y nuestros sentidos, posee un orden subyacente y fundamental: tal vez esencial. Orden esencial que se nos revela con la lentitud, como gotas de agua que caen pausadamente, en espera de que alguien las descifre (nosotros los humanos) en el contexto de la eternidad. Alguien dijo que existe el orden del caos; un orden esencial que aún no comprendemos del todo, y al que definimos como caos, precisamente por una falta de comprensión de las formas de la realidad.