La evolución histórica de las bombas hidráulicas

De nuevo, un trabajo de revisión bibliográfica. En esta ocasión se realizó para la signatura de Máquinas Hidráulicas y de nuevo se realiza un análisis más bien histórico. El hilo principal lo obtuve del libro de Bernal (mirar en la bibliografía). Este libro está dividido en dos volúmenes pero sólo me pude llegar a hacer con el primero, que seguía la ciencia hasta la Revolución Industrial. El segundo volumen se encarga especialmente del siglo XX (no todo puesto que Bernal murió en 1971) por lo que me quedé con ganas de leer las consideraciones sobre la ciencia influenciadas por las Revoluciones Proletarias.

Me gustaría haber profundizado más en la evolución de las bombas centrífugas (es la que menos tiene) pero la información no era tan fácil de encontrar y el tiempo tampoco es infinito. También me gustaría haber entrado algo más en el aspecto productivo, es decir, las consecuencias económicas que tuvieron los desarrollos, pero de nuevo la información a este respecto no era fácil de encontrar. También es posible que al lector le interese otro trabajo que colgué en este blog.

Es por eso que de nuevo espero que quien quiera que lo lea y pueda agregar algo será bienvenido. Ésto también se aplica a las críticas.

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Índice

1. Introducción.

2. Las relaciones entre civilización y conocimiento.

3. Los inicios en la Edad Antigua.

        3.1 Primeros pasos de las primeras civilizaciones,

        3.2 La convergencia bajo Grecia y Roma.

4. El feudalismo y el relevo del Islam.

        4.1 El desarrollo continúa en Asia.

        4.2 El Islam toma el relevo de la ciencia y técnica helénicas.

5. Una nueva clase, una nueva ciencia.

        5.1 El inicio de la Revolución Científica en Italia con el Renacimiento.

        5.2 Los avances prosiguen en Francia y Holanda.

        5.3 El avance de las bombas durante la Restauración.

6. Las bombas hidráulicas bajo la ciencia moderna.

7. Conclusiones.

8. Bibliografía y otras fuentes de información.

1. Introducción

A lo largo de toda la historia se han presentado ante la sociedad diversas necesidades que debían ser resueltas, necesidades que van variando con el tiempo al igual que las soluciones que se le dan. Una de las principales es la del control de los recursos hídricos, esenciales para la supervivencia del ser humano, y está claramente presente desde el inicio de las primeras civilizaciones, manteniéndose a lo largo de toda la historia.

Estas primeras civilizaciones aparecen como consecuencia de la expansión de la agricultura y tiene como consecuencia la formación de las primeras ciudades gracias al excedente de producción, es decir, el agua era necesaria tanto para la obtención de alimentos suficientes para el sustento de las ciudades como para el abastecimiento de éstas, que no tardarían en convertirse en grandes centros de población. Es por ello que serían necesarias máquinas y estructuras hidráulicas para su consecución, siendo a las primeras, las bombas hidráulicas utilizadas para la elevación de agua, a las que se va a dedicar este trabajo.

Siguiendo con estos hechos, Childe (1985) plantea la evolución de la civilización como un flujo, un río que va recibiendo afluentes de todas las sociedades gracias al intercambio entre ellas y que va avanzado debido a los estímulos sociales, ideológicos, geográficos, técnicos, etcétera. Es decir, cada una de las distintas sociedades ha podido desarrollar soluciones distintas para la misma necesidad, pero acaban convergiendo en este flujo principal influenciando a las posteriores soluciones. Es aquí donde radica la importancia del análisis histórico de todos los aspectos de la sociedad. En este caso el interés por lo tanto reside en observar el desarrollo de las bombas, es decir, el progreso de la solución a la necesidad de elevar el agua.

Para ello el trabajo comenzará con una breve explicación general del proceso del desarrollo en la técnica y ciencia para luego continuar con su progreso en las distintas épocas en las que se puede dividir la Historia siguiendo el flujo marcado por Childe, comenzando desde las primeras civilizaciones hasta la invención de las máquinas centrífugas en la Época Contemporánea.

2. Las relaciones entre civilización y conocimiento

Como ya se ha indicado en la introducción, la estructura seguida en el trabajo corresponde al desarrollo del “flujo principal” de la civilización y la cultura descrito por Childe (1985). Este flujo sin embargo no tiene nada de aleatorio y una buena explicación de ello se puede encontrar en la obra de Bernal (1979).

Uno de los factores relevantes de la cultura de las distintas sociedades es su conocimiento. En su obra, Bernal analiza la relación entre la sociedad y la ciencia y advierte cómo los conocimientos técnicos y científicos siguen el camino mencionado anteriormente y que éste coincide con el del comercio y la industria.

Así por ejemplo, tras la Época Clásica y el fin del esclavismo, tomaría el relevo el Islam con una organización feudal, para posteriormente pasar de la Italia del Renacimiento a los Países Bajos y Francia para luego llegar a Inglaterra y Escocia. Este último camino no es otro que el del desarrollo de la burguesía, es decir, el del Capitalismo. Entonces se puede advertir cómo el desarrollo de las relaciones productivas dependientes de los medios de producción, necesitan la evolución de éstos y por lo tanto de la técnica y la ciencia, que permite su progreso. A su vez, Bernal apunta que cuando una nueva clase social alcanza el poder es cuando estas relaciones productivas cambian más rápidamente ya que para la consecución de mayores riquezas necesitan del desarrollo de esos medios de producción. Añade que lo mayores progresos científicos y técnicos se han realizado cuando las barreras clasistas se han visto reducidas, como ocurriría en el Renacimiento, América en el siglo XIX o la Francia de la Gran Revolución.

Así pues, concluye que la relación sociedad-ciencia (estando la ciencia estrechamente relacionada con la técnica) no es unilateral, de modo que el desarrollo de las relaciones sociales proporciona un impulso al conocimiento así como la mejora en la ciencia y la técnica permite el desarrollo de esas relaciones. Estos aspectos, en este caso relacionados con las bombas hidráulicas, serán tenidos en cuenta a la hora de la exposición de los distintos periodos históricos.

3. Los inicios en la Edad Antigua

El periodo que se describe aquí abarca desde la aparición de las primeras civilizaciones hasta el hundimiento del sistema esclavista con la desaparición del Imperio Romano. Las primeras civilizaciones aparecen en las zonas de aluvión de grandes ríos gracias a la unión de distintas aldeas con el objetivo de aumentar la producción de la agricultura y por lo tanto necesitan una gestión más centralizada para la mejor explotación de los recursos hídricos (Bernal, 1979). A este periodo le corresponde el modo de producción asiático y las civilizaciones más representativas son aquellas de Egipto, Mesopotamia, India y China. Si bien la esclavitud era algo puntual en estas civilizaciones, las guerras hicieron que el número de esclavos aumentase y fuesen considerados mera mercancía, llegando así al modo de producción esclavista. Roma y Grecia fueron sus principales exponentes y gracias a su expansión se llevó a cabo un gran desarrollo. Por un lado el breve imperio de Alejandro Magno puso en contacto una gran cantidad de civilizaciones asiáticas, que corresponden con las mencionadas anteriormente, con la griega. El Imperio Romano tuvo estas mismas consecuencias y además necesitó de las técnicas conocidas para el desarrollo de la infraestructura que soportase el gran imperio.

Landels (2000) apunta que las bombas y dispositivos similares eran usados para distintos propósitos. Uno de los más importantes era la irrigación, pero también se utilizaron para evacuar el agua de las minas, como bombas de sentina[1] en los barcos (aquellos más grandes y mejor equipados) y para combatir los incendios. Estos tipos de bombas hidráulicas serán principalmente gravimétricas.

Figura 1. Dibujo de una shãduf (Hill, 1996)

3.1 Primeros pasos de las primeras civilizaciones

Hill (1996) comienza diciendo que probablemente la primera máquina de elevación de agua fue la shãduf y aparece en ilustraciones de relieve acadias que datan del 2500 AEC y del 2000 AEC en Egipto y añade que debido a su sencillez se ha utilizado hasta la actualidad. Se trata de un poste con un punto de apoyo en una viga de madera sobre dos columnas. En el extremo corto se sitúa un contrapeso de piedra o arcilla y en el otro el cubo sujeto por una cuerda. El operador baja el poste para que el cubo se llene, se deja que el contrapeso lo suba y se vacía el contenido en una acequia de regadío o un pozo. Esto se puede observar en la figura 1. En principio estas máquinas no pueden elevar una gran altura, es por ello que para alcanzar alturas más elevadas se ponían varias en serie, es decir, el contenido del cubo de una se vacía en el cubo de otra.

Por otro lado, Srinivasan (1970) hace referencia a las excavaciones de Mohenjo-Daro[2], en las que se encontraron una gran cantidad de restos de jarros que pueden indicar el desarrollo de un mecanismo que consistía en una rueda con estos jarros en el perímetro, si bien apunta que la forma puede diferir de las conocidas actualmente y que se expondrán más adelante.

El segundo sistema del que tanto Hill (1996) como Landels (2000) hablan es el llamado tornillo de Arquímedes. La invención de esta máquina se atribuye a Arquímedes en el siglo III AEC (aunque es posible que ya fuese utilizada antes) y fue usada para elevar el agua pequeñas alturas pero con un gran caudal. Vitruvio[3] ya en el siglo I AEC escribe unas instrucciones para realizarlo y se puede observar en la figura 2. La relación entre longitud y diámetro que recomienda es de 16:1 y para la forma helicoidal se dibuja un patrón como en la figura y se van uniendo como se observa. Este diseño tendría ocho hojas, cada una empezando en cada división de la circunferencia. La inclinación dependería del caudal y la altura que se querrían obtener. Hill (1996) sigue el trayecto de este invento, comenzando en Egipto y llegando hasta España gracias al Imperio Romano, donde encontraría su aplicación por ejemplo en la evacuación de agua en las minas. Landels (2000) también hace referencia a un gran barco mercante del siglo III AEC en el que el trabajo de vaciar agua de la sentina lo podía realizar un solo hombre con la ayuda de un tornillo de Arquímedes.

Figura 1. Dibujo de un tornillo de Arquímedes con las medidas indicadas por Vitruvio (Landels, 2000)

Otro sistema (impulsado por fuerza humana) al que se hace referencia es llamado tympanon en griego, es decir, tímpano o tambor y se puede observar en la figura 3. Vitruvio lo describe como un eje con dos discos de madera con el espacio entre ellos divididos en ocho segmentos por planchas de este mismo material (Hill, 1996). El perímetro estaría cerrado con ranuras para que los espacios se llenasen de agua y a su vez tendría una serie de agujeros cerca del eje (uno en cada segmento). Esta máquina estaría destinada a alturas no muy elevadas, y para elevar un caudal significativo un tercio del tímpano debía estar introducido en la fuente de agua. También se discute sobre su origen y se lo sitúa posiblemente en Egipto, en la primera mitad del III AEC.

Figura 3. Representación de un tímpano (Landels, 2000)

Estos dos mecanismos se puede decir que tenían un flujo relativamente elevado pero la altura a la que podían elevar el fluido era escasa. Para las elevaciones más altas se utilizaban las máquinas que se explican a continuación. Hay que apuntar antes de ello que Landels (2000) advierte que en el caso de que se necesitasen tanto caudales como alturas elevados, la única opción era la consecución de bombas del primer tipo, advirtiendo que esto hubiese resultado demasiado costoso, por lo que en agricultura esto no hubiese sido muy común verlo, utilizándose sólo en el caso de que el beneficio obtenido hubiese superado los gastos, como puede ser el caso de las minas de plata.

El más sencillo (y posiblemente el primero) de los mecanismos utilizados en elevaciones de líquidos a alturas elevadas fue la rueda de cántaros o cubos, que consiste en una rueda de madera con cubos en el perímetro. También es llamada rueda persa haciendo referencia a su origen. Aquí hay que recordar lo expuesto por Srinivasan (1970), que apunta a un desarrollo independiente de este tipo de máquinas en la India, aunque también dice que es muy probable que la rueda persa se hubiese extendido hasta la India, pero únicamente como una mejora de la ya existente. Landels (2000) hace notar un ejemplo sobresaliente que llevaron a cabo los romanos en las Minas de Riotinto, en Huelva. Se trata de una sucesión de ocho pares de estas ruedas de cubos. Cada par estaba rodeado por un canal de forma que recogiese el agua de ambas, ya que con la unión de dos canales distintos se hubiese formado turbulencia por lo que se hubiese necesitado una pendiente mayor para disminuirla, y, debido a que las ruedas hacen salir el agua con cierta dirección, éstas se hacían girar en sentidos contrarios. Para accionar todo el mecanismo se necesitaban 16 hombres y se conseguía elevar un caudal de 2400 galones (9085 litros) a la hora una altura de 97 pies (29,6 metros). Un par de estas ruedas se puede observar en la figura 4.

Figura 4. Representación de una pareja de las ruedas utilizadas en la mina de Riotinto (Landels, 2000)

La segunda máquina se denomina Sãqiya (se puede observar en la figura 5), una cadena de cubos o jarros conducida por un par de ruedas dentadas (para transformar el movimiento horizontal en vertical) (Hill, 1996) y que podía ser movida por animales. Este mecanismo accionado por animales era de los más efectivos para alturas elevadas y su uso más común era sacar agua de los pozos. Vitruvio hace mención de este tipo de mecanismo en sus escritos y ya estaba en uso en la época romana (hay hallazgos que datan del siglo I AEC). Debido a la complejidad de la máquina (podía constar de unas 200 piezas), en sus inicios sólo podía ser utilizado en las haciendas de los propietarios más ricos y no llegarían a utilizarse de forma más general hasta el siglo V EC. Hill sitúa su invención en Egipto en el siglo III AEC, desde donde se expandió por Asia occidental.

Figura 5. Dibujo de una saqiya (Landels, 2000)

La última máquina gravimétrica y posiblemente la más significativa y compleja es la noria. Algunos autores (Needham, 1965) sitúan su invención en India en el siglo II AEC, desde donde se expandiría al mundo helénico en el siglo I AEC (Vitruvio la nombra ya en sus escritos) y a China en el II EC. Otros (Hill, 1996) ven en el hecho de que Vitruvio la citase como un indicativo de que la máquina no hubiese procedido de la India, si no de Siria o Irán. Su accionamiento se lleva a cabo por la corriente de agua gracias a que en el perímetro también se le añaden una serie de paletas, por lo que no necesita fuerza humana ni animal. Ésta máquina sin embargo era muy cara de realizar y mantener.

Hemos visto hasta ahora cómo en la Edad Antigua las máquinas eran principalmente gravimétricas, sin embargo, también se comenzó el desarrollo de las bombas de desplazamiento positivo. Éste es el caso de las bombas de fuerza, que utilizaban pistones, cilindros y válvulas. Su invención se realizó en el siglo III AEC por Ctesibio[4] (Landels, 2000). Herón de Alejandría y Vitruvio posteriormente realizaron una descripción de la bomba. Consistía en dos cilindros verticales con dos pistones que se accionaban recíprocamente por un balancín. En la base de los cilindros se situaban agujeros redondos en los que se colocaba una sencilla válvula de no retorno (un disco sujeto con cuatro topes que limitaban su movimiento) y para el paso al tubo de salida se utilizaba esa misma o una válvula llamada assarium (una placa con bisagra), dependiendo de si era vertical u horizontal. En la figura 6 se puede ver un ejemplo de este tipo de bombas con la salida con assarium. Hay que añadir que los dos autores clásicos aconsejan realizar tanto el cilindro como el pistón de bronce, posiblemente porque era la técnica que permitía la mayor precisión. Landels (2000) hace referencia a una bomba romana de este tipo encontrada en la mina de Sotiel Coronada (Huelva) que se muestra en la figura 7; en este caso todas las válvulas son horizontales (de disco) y se puede observar una de ellas en la parte inferior derecha.

Figura 6. Bomba de fuerza con los dos tipos de válvulas (Landels, 2000)

Figura 7. Fotografía de la bomba de fuerza encontrada en la mina de Sotiel con la válvula horizontal a la derecha (Fenández Ruiz)

4. El feudalismo y el relevo del Islam

La desaparición del Imperio Romano de Occidente es un síntoma claro del hundimiento del sistema esclavista y la expansión de una nueva relación de producción, el feudalismo, que se había estado gestando; las tribus bárbaras destruyeron las operaciones a gran escala como el comercio, las comunicaciones o las obras hidráulicas, pero se vieron obligados a seguir el desarrollo de esta nueva relación de producción. Bernal (1979) apunta que debido a la fragmentación técnica y económica del feudalismo, no se necesitaron formas intelectuales radicalmente nuevas y por lo tanto tampoco se podían desarrollar. Esto explica el escaso desarrollo que hubo en la Edad Media (por lo menos en Occidente).

4.1 El desarrollo continúa en Asia

En Asia por otro lado la situación era relativamente más estable pero el cambio de relaciones de producción siguió su camino, no sólo en el Imperio Romano de Oriente, sino también en las demás sociedades de Asia, tomando por supuesto formas concretas. Bernal (1979) describe cómo será en esta zona (Persia, China, la zona hindú, etcétera) donde prosiga el desarrollo científico y técnico directa o indirectamente influenciado por el helenismo.

Un ejemplo de ello lo expone Needham (1965). La máquina de elevación de agua más característica de China fue la bomba de cadena de paletas cuadradas. Se trata, como se ve en la figura 8, de una cadena sin fin con paletas que arrastran el agua por un canal descargándolo en un canal de irrigación. Por su forma también es conocida coloquialmente como “columna de dragón”. La primera vez que se hace una referencia clara a esta máquina es en el siglo II EC, aunque sería en los siglos posteriores donde se extendería su uso en China y sólo en el siglo XV EC a Corea. Su difusión a otras zonas sería más adelante.

Figura 8. Ilustraicón de una columna de drán mostrada en 1637 EC (Needham, 1965)

4.2 El Islam toma el relevo de la ciencia y técnica helénicas

Será en el Islam donde se fundirán todos estos desarrollos y será el encargado de transmitir la cultura antigua al mismo tiempo que estimula un nuevo progreso científico. A su vez a través del Islam esta cultura clásica llega a Europa con las traducciones al latín de los textos clásicos (traducción que tiene lugar principalmente en la península ibérica y en Sicilia).

Figura 9. Fotografía de una noria de la ciudad de Hama (Anónimo, 2005)

Ya se han mencionado anteriormente las norias, máquinas para la elevación del agua a grandes alturas. Hill (1996) menciona por otro lado la continuación de esta técnica en la zona del Islam y pone dos ejemplos asombrosos. Las primeras son las norias de Hama (hoy ya en desuso), en Siria, que elevan el agua del rio Orontes hasta un acueducto para transportarla a la ciudad y los campos adyacentes; la más grande constaba de hasta 120 compartimentos y tenía una altura de 22 metros. En la figura 9 se puede observar una de estas norias y la complejidad del entramado de madera. A su vez menciona otra, esta vez en Toledo, descrita en 1154 EC y que se dice tenía hasta 50 metros de diámetro. A su vez hace una gran recolección de escritos en los que se menciona el uso de norias, concluyendo que se utilizaron ampliamente ya desde los siglos VII y VIII EC. Sin embargo este tipo de máquinas seguía siendo muy cara tanto de construir como de mantener y es por ello que la máquina más extendida y mejorada que se heredó fue la saqiya (Hill, 1991).

Si bien las dos anteriores eran utilizadas para alturas grandes, se necesitaba un instrumento para alturas pequeñas y grandes cantidades. Para este caso se utilizaba una rueda de cucharas en espiral, que datan de antes del siglo XII EC y elevaban el agua una pequeña altura con una gran eficiencia. La figura 10 representa una de estas máquinas. Hill apunta además que se sigue utilizando en Egipto y otros países y zonas de Oriente Medio y que recientemente hubo investigadores intentando mejorar la forma de la máquina para conseguir un mayor caudal de salida.

Figura 10. Dibujo de una rueda de cucharas en espiral (Hill, 1996)

Los anteriores ejemplos muestran la importancia que tenían estas máquinas de elevación de agua en la economía (Hill, 1991), pero el mejor ejemplo de las innovaciones que se produjeron se puede ver en el libro de al-Jazari[5], que terminó en 1206. En él se muestran una serie de mecanismos entre los que se encuentran bombas hidráulicas. Un ejemplo es la saqiya mostrada en la figura 11, que es impulsada por una rueda hidráulica y que a través de engranajes hace mover la máquina. El buey cumple únicamente una misión estética al ser de madera y ser impulsado junto con el eje vertical. A su vez también realizó componentes para añadir a las máquinas, como por ejemplo para eliminar el desequilibrio provocado por la carga y tener un funcionamiento más suave. Otro ejemplo es el primer uso no manual de una manivela (aunque las manivelas ya se utilizaban antes).

Figura 11. Dibujo realizado por al-Jazari para una de sus máquinas (Hill, 1991)

La máquina que más llama la atención sin duda es una bomba de succión de doble acción, la primera de la que se tiene constancia. Era una bomba de desplazamiento positivo accionada por una rueda hidráulica que movía una serie de engranajes y a través de un pivote transformaba el movimiento rotatorio en recíproco, haciendo que un pistón empezase la succión al tiempo que el otro finalizaba la impulsión. Hill (1991) apunta que tiene una gran importancia al mostrar un medio efectivo de convertir el movimiento rotatorio en recíproco, hacer uso del principio de doble acción y ser la primera bomba que tiene verdaderos tubos de succión. Las figuras 12 y 13 corresponden a esta máquina: la primera fue realizada por al-Jazari y la segunda es una adaptación que realiza Hill debido a la complejidad del dibujo. Al-Jazari por otro lado dice que se basó en el sifón bizantino utilizado para proyectar fuego griego[6] y hace uso de las paletas usadas en las norias en la impulsión. La altura de elevación sería de 13,6 metros, sin embargo no se está seguro si se extendió por otros territorios del Islam o a Europa.

Figura 12. Dibujo realizado por al-Jazari de su bomba de succión (Hill, 1996)

Figura 13. Vistas de la bomba de succión realizada por al-Jazari (Hill, 1996)

5. Una nueva clase, una nueva ciencia

Del mismo modo que el sistema esclavista, el feudal llega también a un punto de desintegración propiciado por el desarrollo de una nueva clase, la burguesía, cuya participación se hace cada vez más activa a partir del siglo XV EC con el progreso de la ciudad, el comercio y la industria (incompatibles con el feudalismo, íntimamente unido a la tierra). Se inicia de este modo el avance del Capitalismo.

Este avance de nuevas relaciones de producción hace posible y necesaria la Revolución Científica. Bernal advierte tres fases en la transformación científica, coincidentes con el proceso de la transformación de la economía feudal en capitalista. La primera coincide con el Renacimiento y la Reforma (1440-1540). La segunda corresponde con las Guerras de Religión que tuvieron lugar en Alemania y Francia así como el establecimiento de la República burguesa de Holanda y la Comunidad británica burguesa al final (1540-1650). La tercera la denomina Restauración (1650-90), época en la que la gran burguesía tenía presencia en todos los países y Holanda marcaba la tónica, a la vez que Inglaterra se desarrollaba industrial y comercialmente.

5.1 El inicio de la Revolución Científica en Italia con el Renacimiento

Esta primera fase (Bernal, 1979) corresponde a un desafío a la imagen del mundo adoptada en la Edad media, basándose directamente en las fuentes de la antigüedad clásica, no considerándolo a través de las tradiciones árabes o escolásticas (cabe recordar que en la Edad Media, todo este saber estaba principalmente en los monasterios). Esto lleva al redescubrimiento y el dominio del arte y la Naturaleza y la unión entre artesano y sabio, desapareciendo el desprecio que se tenía hacia los primeros en tiempos clásicos y medievales.

Ya Leonardo da Vinci, ejemplo fundamental del ideal de hombre renacentista, comienza el estudio de la hidráulica, aunque de forma puramente experimental y por ello ciertamente limitada, aunque muchas de sus observaciones tienen gran interés. A su vez realizó diseños de una gran cantidad de artilugios y máquinas, que, a pesar de que pudo hacer realidad pocas de ellas y otras estuviesen abocadas a no funcionar, son de gran interés. Algunas de estas máquinas eran máquinas de elevación de agua, como por ejemplo la mostrada en la figura 14, una bomba de doble acción. Hill (1996) también corrobora que las bombas de fuerza romanas expuestas antes volverían a aparecer en tratados de da Vinci, así como de otros autores renacentistas como Giorgio Martini o Taccola.

Figura 14. Bomba de doble acción diseñada por da Vinci (Bernal, 1979)

En esta primera fase también parece que hubo un primer acercamiento a las bombas centrífugas o por lo menos que pudiese ser caracterizado como tal. Este primer intento llegó en 1475 y se trató de una máquina para la elevación de barro que se incluyó en un tratado realizado por el ingeniero Francesco di Giorgio Martini (Moniruzzaman, 2015).

Otra fecha destacable es 1588, año en el que Agostino Ramelli, un ingeniero militar italiano, publica un diseño para una bomba volumétrica rotativa con mecanismo de paletas, es decir una nueva bomba de desplazamiento positivo (Skinner, 2014). Lo publicó en lo que se considera el primer manual de ingeniería y se encontraba entre las ciento diez máquinas de elevación de agua que se incluían (Brashear, 2004).  A pesar de todo no está claro si la inventó o sólo se limitó a hacer constar su existencia, pero sí que es la primera referencia a este tipo de bombas.

5.2 Los avances prosiguen en Francia y Holanda

Como ya se ha dicho este periodo está marcado por las Guerras de Religión que sacudieron Europa y culmina con la creación de Holanda y la Commonwealth británica, en las que se condensa el desarrollo industrial y económico. Este proceso de consolidación política de la burguesía da un mayor impulso a la ciencia que derivarían en una revolución científica, con ejemplos de este periodo como Kepler y Galileo. Además está marcado por la exploración del mundo por parte de las potencias occidentales.

El ya mencionado Johannes Kepler, importante por su aportación al movimiento de los planetas, también realizó el primer diseño de una bomba de engranajes entorno al año 1600 (Skinner, 2014). No está claro cómo llegó a ello pero encargó a un constructor de fuentes la construcción del primer prototipo, que posiblemente por no ser lo suficientemente preciso no funcionó. Sería en 1604 cuando le encargaría a un relojero, habituado a trabajar con mayor precisión, la construcción del segundo prototipo. En esa ocasión sí que funcionaría pero debido a que lo vería como algo trivial, no llegó a comercializarla. Posteriormente aparecerían más menciones de este tipo de bombas de desplazamiento positivo. En 1630, por ejemplo, Nicolas Grollier de Servière, inventor francés, realiza una colección de máquinas mecánicas entre las que se encuentra una de estas bombas de engranajes.

La exploración del mundo no sólo trajo los recursos de las colonias y nuevos mercados, si no también nuevos afluentes que iban a parar al flujo principal descrito por Childe (1985) y que se encontraba en los países mencionados anteriormente. Esto trajo la expansión de algunas técnicas de los países colonizados. Así por ejemplo el primer contacto con China se produjo en 1513 y Needham (1965) pone algunos ejemplos relacionados con ello. El primero se refiere a la rueda de cucharas (diferente a la mencionada en la época del Islam), utilizada en China para la elevación de agua a pequeñas alturas, que a partir del siglo XVI se utilizó en Holanda e Inglaterra instalándose en la base de molinos con el objetivo de drenar las zonas pantanosas (muy importante en Holanda pues gran parte se encuentra bajo el nivel del mar). El otro ejemplo que menciona es el de la bomba de cadena de paletas cuadradas ya mencionada anteriormente, cuyo uso se vería extendido a otras partes del mundo y cita una gran cantidad de ejemplos en su obra.

5.3 El avance de las bombas durante la Restauración

El tercer periodo comprende la consolidación final de la nueva ciencia en forma de las primeras sociedades científicas como la Royal Society de Londres y la Academia Real Francesa, que se dedicarían a los problemas técnicos más importantes de la época.

En lo referente a las bombas de nuevo se llevó a cabo un adelanto en las de desplazamiento positivo. En 1675 Sir Samuel Moreland, un académico inglés, realizó la patente de una bomba de pistón, capaz de elevar grandes cantidades de agua con menos esfuerzo. A su vez, esta bomba es interesante ya que puede decir que se trata del primer uso de un pistón con prensaestopas para desplazar agua.

En ésta época sin embargo se realizó un paso importante también en lo referente a las bombas centrífugas. Es a Denis Papin, un físico e inventor francés, a quien se le atribuye el inicio de la investigación sobre las bombas centrífugas al desarrollar el concepto de la creación de un vórtice forzado en una caja circular o espiral a través de hélices (Girdhar & Moniz, 2004). En la figura 15 se pueden observar unos dibujos realizados por Papin entorno al año 1689 en los que se muestra este precursor de las máquinas centrífugas. Los álabes del rodete, como se puede ver en la figura, son rectos. Una vez en Inglaterra Papin realizó una prueba frente al rey y los nobles en el río Támesis, sin embargo no consiguió despertar el interés en su trabajo, lo que significa que su invención  no continuó adelante.

Figura 15. Dibujos realizados por Papin mostrando la composición de su bomba centrífuga (Grist, 1998)

6. Las bombas hidráulicas bajo la ciencia moderna

La última etapa que se va a tratar es la del nacimiento de la ciencia moderna y el capitalismo industrial. Es una etapa en la que la relación entre la ciencia y la sociedad se advierte claramente, en la que la ciencia se convierte en característica indispensable de la naciente civilización industrial, se da un giro decisivo en el dominio del hombre sobre la Naturaleza con la introducción de las máquinas (Bernal, 1979). Tras los “Principia” de Newton de 1687 se produce cierto estancamiento pero luego tendrá lugar la Revolución Industrial, principalmente en Reino Unido, que lleva a la trasformación de los medios de producción. Otros acontecimientos importantes son las revoluciones políticas de Norteamérica (la independencia de las Trece Colonias) y la Revolución Francesa, que representa por otro lado la exaltación de la razón y la destrucción de los restos feudales, en lo que la ciencia representó una función importante.

Como se ha visto a lo largo del texto las bombas de desplazamiento positivo tuvieron una gran expansión a lo largo de la Revolución Científica a partir del siglo XV, así pues la máquina de vapor, que se utilizó para vaciar las minas de agua, previsiblemente accionaría uno de estos tipos de bombas.

Sin embargo, sería con la Revolución Industrial que se llegaría al último paso para la implantación de las bombas centrífugas, que recordemos no habían tenido mucho éxito con Papin. Combs, siguiendo con la teoría de Papin, presentó en 1838 su investigación sobre los álabes curvos y el efecto de esta curva en los álabes, lo que resultó un gran avance en el desarrollo de los rodetes para las bombas (Girdhar & Moniz, 2004). En 1839 W.H. Andrews introdujo el diseño óptimo de la voluta en la que está contenido el rodete y siete años después, en 1846, utilizaría un rodete completamente cerrado. Ese mismo año W.H. Johnson construyó la primera bomba con tres escalonamientos (es decir, tres rodetes). James S. Gwynne en 1849 volvería a realizar la construcción de una bomba de múltiples escalonamientos y comenzaría el primer estudio sistemático de este tipo de bombas. A su vez, John Appold realizaba una serie de experimentos empíricos para determinar la forma óptima del rodete, que resultaría en el descubrimiento de que la eficiencia depende de la curvatura de los rodetes. En 1851 realizaría una bomba que llegaría a un 68% de eficiencia, triplicando las existentes. La expansión de las bombas centrífugas fue relativamente rápida gracias a su manufactura barata y capacidad de elevar grandes cantidades, sin embargo la popularidad de este tipo de bombas vendría dada sobre todo por los avances en los motores eléctricos o los motores de combustión interna.

Otro ejemplo de desarrollo que se llevó a cabo puede encontrarse en Estados Unidos, donde se puede encontrar la bomba de agua eólica (Fraenkel, 1986). Como ya se ha dicho antes, los molinos de viento ya se usaban en Inglaterra y Holanda para propulsar bombas gravimétricas que drenasen las zonas pantanosas. Entre 1860 y 1900 en Estados Unidos, por otro lado, se desarrollaron las bombas de agua eólicas más usadas. Surgieron debido a la introducción de millones de reses en las Grandes Llanuras (Great Plains en inglés) en Norte América, donde había poca agua superficial, por lo que era necesario obtenerla, y se creó una gran demanda de este tipo de bombas (Fraenkel, 1986). Esto además facilitó la expansión del tren en EEUU, que al ser de vapor necesitaba grandes cantidades de agua para funcionar y necesitaba reabastecerse cada cierto tiempo. Un ejemplo se puede ver en la figura 16, en la que se puede ver su forma característica.

Figura 16. Dibujo de una bomba activada por el viento (Fraenkel, 1986)

Con la Revolución Industrial ya se han desarrollado y utilizado por lo tanto los tres tipos de bombas hidráulicas: gravimétricas, volumétricas y centrífugas. En todo este periodo que inicia con la Revolución Industrial y abarca hasta la actualidad se puede observar un proceso de desarrollo e invención relacionado con estos dos últimos tipos, muy sujetos a su vez a las empresas dedicadas a la producción de bombas que aparecen con la implantación definitiva del Capitalismo y no tanto a científicos o ingenieros en particular, como pudo suceder en la Revolución Científica de los siglos anteriores.

7. Conclusiones

1. 1. • La elevación de agua u otros fluidos ha sido una necesidad desde el inicio de la civilización y las soluciones han variado con el tiempo.

Como ya se indica en el inicio del texto la propia invención de la agricultura necesita del desarrollo de las bombas para asegurar el abastecimiento de agua y de la misma forma sucede con el suministro necesario de las ciudades. Ésta necesidad se mantiene a lo largo del tiempo ampliándose posteriormente a otros ámbitos, por ejemplo al vaciado de agua de las minas o al drenado de las zonas pantanosas.

1. 1. • Las máquinas características de la Época Clásica fueron las gravimétricas, que tendrían gran presencia en siglos posteriores.

El primer gran desarrollo de las bombas corresponde a la Época Clásica dominada por Roma y Grecia, época en la que se desarrollaron una gran cantidad de máquinas gravimétricas como la saqiya, el tornillo de Arquímedes o la rueda de cántaros. Estas máquinas representan un gran primer paso en la solución de las necesidades y muchas se mantendrán durante los siglos posteriores caracterizados por el feudalismo y recibirán mejoras del islam.

1. 1. • Las máquinas volumétricas tuvieron un gran desarrollo durante la Revolución Científica.

El siguiente paso en la resolución de la necesidad de elevar agua le corresponde a la Revolución Científica que comienza en el Renacimiento y termina en el siglo XVII. Este paso consiste en el progreso en las máquinas volumétricas, no sólo recuperándose la máquina de fuerza de la Época Clásica si no llegando a nuevos diseños como la bomba de engranajes.

1. 1. • Las máquinas centrífugas se implantarían definitivamente con la Revolución Industrial.

El último paso fue dado con la Revolución Industrial. Si bien en el siglo XV ya hay un primer rastro de este tipo de bombas y Papin llevó a cabo un intento de implantar las bombas centrífugas a finales del siglo XVII, será en el XIX cuando esto suceda, teniendo en la actualidad un uso muy extendido.

1. 1. • El desarrollo de las bombas hidráulicas sigue el desarrollo de la civilización.

La conclusión final, producto de las anteriores, es que siguiendo las soluciones que da la sociedad a la necesidad de elevar agua se puede seguir el desarrollo que ha seguido la civilización (expuesto por Childe utilizando como símil un flujo) y que coincide con el de la industria y el comercio, el progreso de las relaciones de producción (como indica Bernal en su obra).

8. Bibliografía y otras fuentes de información

Anónimo. (29 de julio de 2005). Hama. Recuperado el 16 de noviembre de 2015, de Wikipedia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hama-noria.jpg

Bernal, J. B. (1979). Historia social de la Ciencia 1 / La Ciencia en la Historia. Ediciones Península.

Brashear, R. (mayo de 2004). Ramelli’s Machines:Original drawings of 16th century machines. Recuperado el 2015 de noviembre de 23, de Smithsonian Libraries: http://www.sil.si.edu/ondisplay/ramelli/index.htm

Childe, V. G. (1985). Qué sucedió en la Historia. Planeta-Agostini.

Fernández Ruiz, R. (s.f.). Red Digital de Colecciones de Museos de España. Recuperado el 15 de noviembre de 2015, de Ministerio de Educación, Cultura y Deporte: http://ceres.mcu.es/pages/SimpleSearch?index=true

Fraenkel, P. (1986). Water lifting devices. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Vista online

Girdhar, P., & Moniz, O. (2004). Practical Centrifugal Pumps. Elsevier.

Grist, E. (1998). Cavitation and the Centrifugal Pump: A Guide for Pump Users. Taylor & Francis.

Hill, D. (1991). Mechanical Engineering in the Medieval Near East. Scientific American, 264(5), 100-105. Descarga del número de SA

Hill, D. (1996). A History of Engineering in Classical and Medieval Times. Routledge.

Landels, J. (2000). Engineering in the Ancient World. Constable.

Moniruzzaman, M. (2015). A Study on Dealer’s Preference towards Water Pumps with Special Reference to Beacon Pump in Chennai City. Global Journal of Management and Business Research, 15(1), 11-20. Descarga

Needham, J. (1965). Science and Civilisation in China (Vol. Volumen 4 de Physics &Physical Techonlogy. Parte 2: Mechanical Engineering). Cambridge University Press. Descarga

Skinner, S. (2014). Hydraulic Fluid Power – A Historical Timeline. Steve Skinner Presentations.

Srinivasan, T. (1970). Water-Lifting Devices in Ancient India: Their Origin and Mechanisms (from the Earliest Times to c.A.D. 1000). IJHS, V(2), 379-389. Descarga

A continuación van unos enlaces a textos que si bien no los llegué a utilizar en el trabajo, pueden resultar de interés:

Mays, L. (2008). A very brief history of hydraulic technology during antiquity. Environ Fluid Mech 8:471-484. Descarga

Meher-Homji, C. The Historical evolution of turbomachinery. Descarga

Aclaración: aquellas que no tienen enlace se debe a que cuento con ellas en formato físico y no me hizo falta buscarlas por otros medios.

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[1] Sentina de un barco es la cavidad inferior, inmediatamente sobre la quilla, donde se acumulan las aguas procedentes de filtraciones en las zonas por debajo de la línea de flotación.

[2] Estas excavaciones situadas en Pakistán corresponden a una ciudad de la antigua cultura del valle del Indo que fue habitada entre el 2600 AEC y el 1800 AEC.

[3] Marco Vitruvio Polión fue un arquitecto romano que vivió en el siglo I AEC y conocido por su tratado “De architectura”. Landels (2000) lo cita como uno de los principales escritores sobre tecnología del mundo antiguo junto a Herón de Alejandría y Sexto Julio Frontino.

[4] Ctesibio fue un inventor y matemático griego de Alejandría que vivió durante el siglo III AEC.

[5] Al-Jazari (1150-1220) fue un científico de origen Kurdo y su principal tratado es “El libro del conocimiento de los ingeniosos mecanismos” que escribió en 1206.

[6] El fuego griego era un arma incendiara utilizada por el Imperio bizantino o Imperio Romano de Oriente. Fue creado en el siglo VI EC pero su mayor uso tuvo lugar durante las cruzadas en el siglo XIII EC.