De izq a derecha: Los doctores Pablo Beneyto; Héctor Ariel Di Rado, Javier Luis Mroginski, trabajan en este proyecto innovador en la búsqueda de herramientas matemáticas que permitan descifrar señales internas en los materiales, antes de que se produzcan fallas visibles. (Foto: Cynthia Jara)
Cada vez que un edificio se agrieta, un camino cede o una tubería se rompe, la causa ya estaba registrada en el interior del material mucho antes de que el daño fuera visible. El problema es que hasta ahora no había manera de leer ese registro.
Un grupo de científicos del Laboratorio de Mecánica Computacional (LAMEC), dependiente del Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica (IMIT-CONICET) de la Universidad Nacional del Nordeste, junto con colegas de la Universidad Nacional de Formosa, trabaja en herramientas matemáticas que permiten, por primera vez, descifrar esas señales internas.
La línea de investigación lleva el nombre técnico de «Micromecánica aplicada a fuerzas configuracionales en medios porosos». Traducido al lenguaje cotidiano: una forma de entender qué pasa dentro de los materiales que tienen huecos, como el suelo húmedo, la roca de un yacimiento petrolífero o el hueso de un ser humano.
Sus responsables son los doctores Héctor Ariel Di Rado, Javier Luis Mroginski y Pablo Alejandro Beneyto. Lo que los distingue de otros grupos de trabajo es el punto de partida: en lugar de observar cómo se rompe algo por fuera, ellos estudian las fuerzas que actúan en el interior del material, sobre sus propios defectos.
La línea de investigación innovadora tiene cinco ejes temáticos:
Eje 1: Ver lo invisible. Todo material sólido tiene imperfecciones: poros, grietas microscópicas, espacios vacíos. En el suelo del Nordeste argentino, esos poros están a veces llenos de agua y otras veces de aire, dependiendo de la temporada. En una roca petrolera, contienen fluidos a presión. En un hueso, la mezcla de cavidades y tejido le da su capacidad de absorber golpes.
La ingeniería convencional observa cómo cambia la forma de un objeto cuando se le aplica una carga. Lo que hacen Di Rado, Mroginski y Beneyto es diferente: rastrean las fuerzas que se acumulan dentro del material, sobre esas imperfecciones. Esas fuerzas reciben el nombre de fuerzas configuracionales, un concepto desarrollado décadas atrás por el físico J.D. Eshelby, pero que solo ahora comienza a aplicarse con precisión en materiales que tienen poros con más de un componente adentro.
Las fuerzas configuracionales funcionan como una señal de alarma interna: indican cuánta energía se está concentrando en un punto y hacia dónde avanzará el daño si la carga continúa.
Esto convierte el modelo en un sistema de alerta temprana. Saber que una grieta va a crecer hacia la derecha, y no hacia arriba, cambia por completo la decisión de un ingeniero sobre dónde reforzar una estructura o cuándo reemplazar un componente.
Las fuerzas configuracionales funcionan como una señal de alarma interna: indican cuánta energía se está concentrando en un punto y hacia dónde avanzará el daño si la carga continúa.
Eje 2: Diferencia de Escala. Uno de los problemas históricos de la ciencia de materiales es la diferencia de escala: lo que pasa en un poro de milésimas de milímetro no debería afectar a un dique de veinte metros de altura. Sin embargo, lo hace. La pregunta es cómo traducir lo que ocurre en lo pequeño al comportamiento de lo grande.
Para establecer esa relación, el equipo recurre a una técnica matemática conocida como método de Mori-Tanaka. El procedimiento consiste en promediar el comportamiento de millones de poros individuales para obtener una descripción del material como un todo. No es un promedio simple: tiene en cuenta la forma de los poros, su orientación, qué hay dentro de ellos y cómo interactúan entre sí.
El resultado es un modelo que describe el suelo, la roca o el hueso con datos que vienen de su composición real. No de una estimación ni de una tabla estándar, sino de la mezcla concreta de sólidos, aire y agua que forma ese material en ese lugar y en ese momento.
Cuando un ingeniero diseña una fundación en los suelos arcillosos del Chaco o del litoral argentino, no tiene acceso a ese nivel de detalle. Usa tablas de referencia que no siempre coinciden con la realidad del terreno. El modelo de este equipo permite acortar esa distancia entre lo que el manual dice y lo que el suelo hace.
Eje 3: Aplicaciones. Ingeniería civil y suelos del Nordeste. Los suelos del noreste argentino tienen una característica que los hace difíciles de predecir: su contenido de agua cambia de manera notable entre la época de lluvias y la de sequía. Ese cambio altera la resistencia del suelo: el mismo terreno que soporta una obra en agosto puede ceder en marzo. El modelo permite calcular esa variación con datos reales, anticipando hundimientos o desplazamientos de tierra en obras viales y civiles.
Energía y minería. En la extracción de petróleo, gas o minerales, los fluidos que hay dentro de la roca están bajo presión. Saber cómo se comportará esa roca cuando se perfora o cuando cambia la presión es determinante para la eficiencia de la extracción y para evitar fracturas que contaminen los acuíferos cercanos. El modelo de fuerzas internas permite anticipar esos escenarios antes de intervenir el yacimiento.
Los modelos matemáticos que producirán esta investigación podrán servir, como base para entrenar sistemas de inteligencia artificial aplicados a la seguridad de las construcciones. (Foto: Cynthia Jara)
Bioingeniería y salud. El hueso humano es, desde el punto de vista de la física, un material poroso con dos componentes: tejido sólido y espacios vacíos. Los mismos principios que sirven para estudiar un suelo arcilloso pueden adaptarse para entender cómo avanza la pérdida de densidad ósea en la osteoporosis, o para diseñar prótesis que no solo encajen en el cuerpo sino que se comporten como el tejido que reemplazan.
Eje 4: Herramientas propias. El producto final de esta investigación no es un artículo académico sino un conjunto de algoritmos que pueden integrarse en programas de simulación por computadora. Estos programas, llamados de elementos finitos, son los que usan los ingenieros en todo el mundo para calcular si un puente aguanta, si un edificio resiste un sismo o si una represa puede contener el agua.
La mayor parte de ese software viene del exterior y está diseñado para los suelos y los materiales de otras regiones. Los modelos desarrollados en la UNNE y la Universidad de Formosa se basan en las características de los suelos y las rocas del territorio argentino, en particular del noreste.
Desarrollar ese tipo de herramientas en una universidad pública tiene una consecuencia directa: los organismos del Estado, las empresas constructoras y los organismos de control pueden acceder a modelos de cálculo que responden a sus condiciones locales, sin depender de proveedores externos ni de versiones de software que no contemplaron las particularidades del suelo chaqueño, formoseño o misionero.
Hay, además, un efecto económico, cada ensayo de laboratorio que un modelo de computadora puede reemplazar es tiempo y dinero que no se gastan. Proyectos de infraestructura que hoy demoran meses en ser aprobados porque requieren ensayos físicos podrían resolverse en días con una simulación precisa.
El modelo rastrea fuerzas configuracionales, es decir, aquellas que se están concentrando en un punto del material y hacia dónde avanzará el daño si la carga continúa. (Foto: Cynthia Jara)
Eje 5: Acceso a la IA en la Ingeniería. Los modelos matemáticos que producirán esta investigación podrán servir – además- como base para entrenar sistemas de inteligencia artificial aplicados a la seguridad de las construcciones.
La inteligencia artificial aprende de datos. Pero si esos datos no respetan las leyes físicas de cómo se comportan los materiales, el sistema produce predicciones que parecen factibles pero son incorrectas.
Esto abre la puerta a los llamados gemelos digitales: representaciones virtuales de un edificio, un puente o una ciudad que se actualizan en tiempo real con datos de sensores y que pueden calcular cuánto tiempo le queda a una estructura antes de necesitar mantenimiento. No como una alerta de emergencia, sino como una planificación preventiva con años de anticipación.
Segunda línea de investigación: Relatividad de los Materiales. La segunda parte de la línea de investigación lleva el nombre de «Relatividad de los Materiales» y representa un paso conceptual sobre los ejes anteriores. Si en la primera parte se trata de medir las fuerzas internas, en esta segunda el objetivo es entender esas fuerzas desde una perspectiva más profunda: la geometría del espacio en el que ocurren.
La investigación de Di Rado, Mroginski y Beneyto propone algo que los defectos dentro de un material (los poros, las microfisuras, los huecos con agua o aire) crean una curvatura en la estructura interna de la materia. Esa curvatura no es literal ni visible, pero puede describirse con las mismas herramientas matemáticas que Einstein usó para describir el universo.
Al usar geometría no euclidiana —la geometría de las superficies curvas, no la de las líneas rectas— los investigadores pueden describir con exactitud cómo se distribuye y se concentra la energía dentro de un material. Esto no es solo un cambio de lenguaje matemático: permite detectar concentraciones de energía en lugares donde los métodos tradicionales no llegan.
El resultado es un marco de trabajo que trata a cada material —un suelo, una represa, un fémur, una viga de acero— con sus propias leyes geométricas internas. Cuando se conocen esas leyes, se puede predecir el comportamiento del material con una precisión que los modelos convencionales no alcanzan.
Aplicaciones. La geometrización del problema permite diseñar puentes, edificios y obras hidráulicas que toman en cuenta las variaciones reales del suelo, no las condiciones ideales de un manual. Para el Nordeste argentino, donde los suelos cambian de comportamiento con cada ciclo de lluvias, esto tiene consecuencias directas en la vida útil de las obras y en los costos de mantenimiento.
Cuando se sabe con exactitud en qué partes de una estructura se concentra la energía y en cuáles hay un margen de resistencia sin usar, es posible optimizar el uso el uso de materiales: poner más donde hace falta y menos donde sobra. El resultado es una construcción que utiliza menos hormigón, menos acero o menos tierra compactada para lograr la misma resistencia, con menor costo y menor huella ambiental.
El desarrollo de algoritmos con geometría no euclidiana en el ámbito de la universidad pública argentina agrega una dimensión que la primera parte de la investigación ya sugería: la posibilidad de contar con modelos de simulación propios, adaptados a las condiciones geológicas y climáticas del territorio nacional, sin depender de software extranjero concebido para otras realidades.