ARTÍCULO ORIGINAL
Análisis de los sistemas de fuerza surgidos durante la operación del Arado de palo tradicional mexicano
Force systems analysis from the mexican wooden ard work
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M.Sc. Fidel Diego Nava,I Dr.C. Miguel Herrera Suárez,II Dr.C. Armando Eloy García de la Figal Costales,III M.Sc. José Rodolfo Martínez y CárdenasI
I CIIDIR Unidad Oaxaca IPN. Xoxocotlán, Oaxaca, México.
II Universidad Central de Las Villas. Facultad de Ciencias Agropecuarias. Santa Clara, Villa Clara, Cuba.
III Universidad Agraria de La Habana. Facultad de Ciencias Técnicas. San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.
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RESUMEN
El uso del arado de madera con yunta de bueyes está muy extendido en las milpas de los Valles Centrales de Oaxaca. Los boyeros frecuentemente tienen problemas con la operación de dicho arado puesto que este tiene problemas de inestabilidad durante el surcado. Por tal razón se tomaron fotos de la yunta y el boyero durante el surcado para observar las maniobras del boyero durante el surcado. Por esta razón se tomaron fotos en el transcurso del surcado. Enseguida estos datos fueron analizados con el fin de establecer los diagramas de cuerpo libre del arado. Luego se obtuvieron cuatro diagramas de cuerpo libre y sus ecuaciones de equilibrio estático. Después el arado de palo fue evaluado para obtener la demanda de tiro en la labranza y así relacionar la fuerza de tiro real y la calculada. Los resultados mostraron la alta variabilidad de las fuerzas de tiro en ambos casos. Finalmente se encontró que la maniobra del boyero influye decisivamente en los altos y bajos valores de la demanda de tiro.
Palabras clave: fuerzas, equilibrio, estabilidad, manejo.
ABSTRACT
The use of wooden plough with oxen is widespread in the milpas of Central Valleys of Oaxaca. The ploughmen often have problems with the operation of this plough since this has problems of instability during the furrowing. For this reason, the photos were taken during the furrowing with the purpose of watching the ploughman handling during tillage. Then, these data were analyzed for establishing the free body diagrams of the plough. Therefore, it was got four free body diagrams and their equations of static equilibrium. Consequently, the wooden plough was tested for obtaining the draught force through tillage and so doing the relation between actual and computed draught forces. The results show the high draught forces variability in the two circumstances. Finally, it is found that the ploughman handling is related to the high and low draught forces.
Key words: forces, equilibrium, stability, handling.
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INTRODUCCIÓNLa tracción animal está muy difundida en la agricultura mexicana donde alcanza un grado de utilización del 32,1% de la superficie cultivada (Cruz et al., 2004). En la región de los Valles Centrales de Oaxaca predomina el sistema de explotación agrícola denominado milpa cuyas características no es exterminar las malezas puesto que muchas de ellas son utilizadas para la alimentación humana, animal, o como medicina (Mera et al., 2003; Crocker et al., 2004; Good y Barrientos, 2004; Vázquez-García et al., 2004; Blanckaert et al., 2007). La característica principal de este sistema es su adecuación a las condiciones locales de clima, suelo y cultivos, sin forzar y agotar al agroecosistema (Lambert et al., 1984; González y Del Amo, 1999; Pulido y Bocco, 2003; Vázquez et al., 2004; Barrera et al., 2006; Martin et al., 2010). De acuerdo a estudios hechos anteriormente la mayoría de las parcelas de esta región tienen un tamaño que va de 0,66 a 1,88 ha (Castillo, 1990)1.
Antes de la expansión colonial europea, el arado de madera de tracción animal se utilizaba para la labranza desde España y Marruecos hasta Etiopía, India, Indonesia, China y Japón; pero no se había introducido en América y Oceanía (Hopfen, 1969; Starkey, 1989). En México este arado fue introducido por los españoles en 1524 (Romero, 2006). Existen dos tipos de arados, los simétricos y los asimétricos. Durante siglos se fabricaron con madera, excepto la reja y la cuchilla que abren el suelo (Stresser, 1988). El arado que se utiliza en los Valles Centrales de Oaxaca es simétrico, de una sola mancera y está conformado por cinco partes, las cuales son: (1) la reja, generalmente hecha de hierro, que abre el suelo; (2) la cabeza de madera que se desliza en el fondo del surco y que lleva la reja fijada en su extremidad anterior; (3) la mancera de madera que el labriego acciona con su mano para mantener el arado en su posición y dirigirlo; (4) el timón de madera es la pieza recta que une al arado con la yunta y transmite la fuerza de los animales a la herramienta de labranza; y (5) el tornillo de acero que une la cabeza y el timón, y mantiene el ángulo deseado entre ellos (Figura 1).
Durante la labranza el boyero realiza varias maniobras con las manos y los pies sobre el arado para mantener una profundidad uniforme de penetración de la reja y la dirección de avance en las diversas operaciones, con el fin de garantizar la calidad del laboreo de la tierra. En cada maniobra se ejerce un sistema de fuerzas diferente sobre el arado, cuyo efecto puede elevar la demanda energética de la labor y originar cansancio excesivo tanto en el boyero como en los animales, impidiéndoles labrar adecuadamente la tierra. Se buscó información sobre este aspecto en trabajos de investigación sobre aperos de tracción animal pero no se encontró ninguna referencia al análisis de la variación de los sistemas de fuerza sobre el apero por efecto de las maniobras del boyero y su consecuencia sobre la demanda de tiro (Gebresenbet, 1994; Gebregziabher et al., 2007 ). De ahí la importancia de realizar el presente trabajo que tiene por objetivo, analizar los esfuerzos que surgen durante las maniobras ejercidas por el boyero sobre el arado de palo tradicional mexicano, durante la labranza.
MÉTODOS
La investigación se realizó en dos etapas, en la primera se hizo una entrevista no estructurada a los boyeros, con el objetivo de esclarecer las distintas maniobras que realizan estos durante la operación del arado tradicional de madera mexicano.
En la segunda etapa se determinaron experimentalmente las fuerzas actuantes sobre el arado durante su operación, y se tomaron evidencias fotográficas de las maniobras que realiza el boyero durante la aradura. En dicha etapa se emplearon las siguientes metodologías: ]]>
Caracterización de la parcela de prueba. En este caso se seleccionó una parcela de 60,0 m x 150,0 m, con topografía llana, en la zona de Rancho Quemado ubicada en el municipio Cuilapam, Valles Centrales de Oaxaca, México. Se le determinó la textura según la norma NC 20: 1999, que establece la metódica, los equipos y accesorios para su realización. A partir de la composición granulométrica del suelo se realiza su clasificación textural, mediante el empleo del triángulo textural del Instituto de Suelos de la Academia de Ciencias de Cuba (Cairo Cairo y Quintero, 1980). La determinación de la humedad del suelo se realizó según los procedimientos de la NC 67:2000 (NC 67:2000, 2000) y densidad de acuerdo a la norma oficial mexicana NOM-021-SEMARNAT-2000 (NOM-021-RECNAT-2000, 2002), que establece los procedimientos, así como los equipos y accesorios a emplear para la obtención de esta propiedad con fundamento en métodos gravimétricos.Metodología para la determinación experimental de los esfuerzos durante la labranza. La parcela se labró con una yunta de bueyes de dos años de trabajo, operada con un boyero experimentado. Se empleó un arado de palo tradicional mexicano del tipo dental (Figura 2a). Se labraron los surcos en toda la longitud de la parcela, para registrar la fuerza de tiro ejercida por lo animales, durante las distintas operaciones que realizó el boyero. La profundidad promedio del surco fue de 0,18 m. La velocidad de trabajo se determinó por medio del cronometraje del tiempo recorrido en una longitud de 50 m del surco, con un cronómetro manual marca Citizen.
Para la medición la fuerza de tiro de los animales se empleó una celda de carga del tipo S, modelo TCCA-750 marca Omega con capacidad máxima de 3 340 N, la cual se acopló al pértigo y la cabeza del arado por medio de uniones atornilladas (Figura 2b). Los datos fueron registrados y almacenados con un sistema de adquisición de datos (SAD) portable, marca Omega, modelo OM-DAQPRO-5300 (Figura 2), el cual se encarga de adquirir las lecturas de voltajes, amplificarlas y almacenarlas con una velocidad máxima de 1 muestra/s.
Metodología para la observación de las maniobras de los boyeros. Para dejar evidencias gráficas de las operaciones realizadas por los boyeros durante la labranza, se empleó una cámara comercial marca Samsung de 14,2 MPix de resolución para la toma de fotografías de las maniobras del boyero durante el surcado. Finalizado el surcado, se tomaron las muestras de profundidad de surcado. Posteriormente se analizaron todas las fotos para identificar las maniobras y seleccionar las muestras gráficas representativas que sirvieran para elaborar los diagramas de cuerpo libre (DCL) del arado de los casos seleccionados. Enseguida se procedió a la formulación de las ecuaciones de equilibrio estático para cada caso seleccionado.
Metodología del registro de las maniobras que realiza el boyero durante la aradura. El análisis de las operaciones mostró, que el boyero tuvo que maniobrar frecuentemente para mantener el equilibrio y la profundidad de trabajo del arado, evidenciándose que se realizan cuatro maniobras fundamentales, siendo:
Trabajo libre del arado, cuando el boyero no ejerce ninguna fuerza sobre el mango de la mancera, solo toca con la mano para no perder el contacto con el apero, pues el arado trabaja en equilibrio. Se nota un paso normal de la yunta (Figura 3).
En este caso las fuerzas que actúan sobre el arado se deben a la acción de la fuerza de tiro ejercida por la yunta de bueyes (Ft), para vencer la resistencia (Rzx), que opone el suelo a ser cortado por el arado (Figura 4), así como el peso propio del arado (G) que actúa sobre el centro de gravedad del mismo.
A partir del sistema de fuerzas definido en el DCL y con la realización de su sumatoria en el eje x y z, se puede establecer, que:
Despejando Ftx de la ecuación (1) se obtiene, que:
Despejando Ftz de la ecuación (3), se obtiene:
Finalmente si se realiza la suma de momentos ∑Mcg= 0, se obtiene, que:
donde: a, es la distancia entre la línea de acción de Rx y el centro de gravedad cg; b, es la distancia entre la línea de acción de Rz y cg; c, es la distancia entre la línea de acción de Ftz y el punto de aplicación de Rzx; A y d son la distancia entre la línea de acción de Ftx y el punto A.
Despejando los momentos producidos por las componentes de Ft, se obtiene la ecuación de equilibrio de las fuerzas durante el trabajo libre del arado.
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El boyero ejerce una fuerza con la mano sobre la parte superior de la mancera, para equilibrar las fuerzas de resistencia generadas por suelo y la fuerza de tiro de los animales (Figura 5). En este caso se evidencia un incremento de la resistencia del suelo, con respecto al caso anterior.
En el caso 2, se adiciona la fuerza ejercida por la mano del boyero (Fm), Figura 6.
Realizando la sumatoria de fuerzas en la horizontal ∑Fx= 0, se obtiene, que:
Despejando (Ftx) en la ecuación (7), se obtiene:
La sumatoria de fuerzas en la vertical ∑Fz= 0, permite obtener la componente de la fuerza de tiro en ese eje, como: ]]>
Finalmente se despeja Ftz y queda:
Por último realizando la suma de momentos ∑Mcg= 0, se obtiene, que:
donde: e, es la distancia perpendicular entre la línea de acción de Fmx y el punto cg; ƒ es la distancia perpendicular entre la línea de acción de Fmz y el punto cg.
Al despejar los momentos producidos por las componentes de Ft, se obtiene la ecuación de equilibrio:
Si el boyero levanta el arado para disminuir la profundidad de trabajo o sortear un obstáculo, entonces las ecuaciones (8), (10) y (12) quedarían, como:
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En el caso de levante, el boyero aplica una carga vertical de levante sobre el arado. Eso significa que cambia de sentido Fm, y la inclinación vertical será igual cero (b=0). El caso extremo, es cuando el arado pierde contacto con el suelo porque el boyero lo levanta para evitar un obstáculo.
Trabajo del arado con carga de mano en el mango de la mancera. El boyero aplica una fuerza sobre el mango de la mancera, para equilibrar el arado cuando este tiende a levantarse debido a la reacción del suelo (Figura 7). En este caso la fuerza de reacción vertical del suelo adquiere magnitudes tales, que obliga al boyero a ejercer esta fuerza para equilibrar arado durante el trabajo y estabilizar la profundidad de aradura. Como un caso particular el boyero en ocasiones levanta el arado para sortear obstáculos en el terreno, o evitar la profundización excesiva.
Durante esta maniobra del boyero, actúan las mismas fuerzas que en el caso 2, con la diferencia que el punto de acción de la fuerza ejercida por el boyero se traslada hacia el mango de la mancera (Figura 8).
Se plantea como primer paso la suma de componentes de las fuerzas en horizontal ∑Fx= 0, quedando como:
Despejando la fuerza de tiro resultante Ftx ]]>
Haciendo sumatoria de fuerzas la vertical
Despejando la fuerza de tiro en la ecuación 18, quería como:
Luego se establece la sumatoria de momentos ∑Mcg= 0 con respecto a cg:
Haciendo los arreglos necesarios y los despejes pertinentes la ecuación de balance quería, como:
Si el boyero aplica una fuerza para levantar el arado, entonces se tiene que: ]]>
Trabajo del arado con carga de pie sobre la cabeza del arado. El boyero aplica una fuerza con el peso del cuerpo sobre el arado que tiende a levantarse por el efecto de la fuerza de tiro de los animales y la reacción del suelo (Figura 9). En este caso la fuerza de reacción del suelo ha alcanzado niveles superiores y no puede ser compensada con la carga ejercida por la mano del boyero, también busca alcanzar la profundidad máxima de trabajo. De igual forma que el caso 2, el boyero ejerce una carga con la mano sobre la parte superior de la mancera, aunque en este caso solo busca equilibrar su posición encima del arado y mantener la dirección del mismo.
Las fuerzas y reacciones que se manifiestan durante esta maniobra se muestran en la figura 10, las mismas coinciden con las encontradas en el caso 2, a excepción de la fuerza Fpie, aplicada por el boyero con el pie sobre la cabeza del arado.
Planteando la sumatoria de fuerzas en el eje x ∑Fx= 0la ecuación quedaría como:
Despejando Ftx de la ecuación (25), entonces quedaría: ]]>
Luego se procede con la sumatoria de fuerzas en el eje z ∑Fz= 0
se despeja la ecuación (27) con relación a Ftz, entonces:
Finalmente se plantea la sumatoria de momentos con respecto a cg ∑Mcg= 0, entonces:
donde: ƒ es la distancia perpendicular entre la línea de acción de Fpie y cg, h es la distancia perpendicular entre la línea de acción de Fmx y cg, y g es la distancia perpendicular entre la línea de acción de Fmz y cg.
Si se despeja la ecuación (29) con respecto a los momentos causados por las componentes de Ft, entonces la ecuación del balance quedaría, como:
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización del suelo de la parcela objeto de estudio. El suelo de la parcela de pruebas se clasifica como un Regosol (WRB, 2006), con un predominio de la arena en su composición textural (Tabla), lo cual condiciona que posea una consistencia franco arenosa, según la clasificación textural del Instituto de Suelos de Cuba (Cairo Cairo y Quintero, 1980). En la capa arable de 0 a 15 m de profundidad el suelo se encontró en estado suelto o poco compacto, sin embargo más allá de esta, se detectó una capa compacta que se extendía hasta los 0,30 m. La humedad del suelo durante la experimentación fue baja.
Fuerza de tiro demandada en las operaciones realizadas por el boyero durante la aradura. Los resultados de la medición de esta fuerza (Figura 11), confirman los supuestos teóricos elaborados a partir de las entrevistas a los boyeros y las observaciones realizadas durante las distintas operaciones que estos realizan durante la aradura. Se evidencia que el boyero realiza cuatro operaciones fundamentales durante esta labor, las cuales determinan la demanda de fuerza de tiro del mismo, alcanzando valores que varían de 850 a 2 182 N.
La resistencia mínima se registró durante el trabajo libre del arado, oscilando entre 850 a 1 370 N, en este caso, predominó el trabajo estable del arado, demandando el menor gasto de energía a los animales de tiro y del boyero. El límite inferior de los 850 N marca el inicio del trabajo estable del arado. Con el aumento de la resistencia del suelo el arado tiende a ser levantado, producto de un incremento de la reacción suelo en el sentido normal (Eje z), por lo que el boyero empuja el arado aplicando un fuerza con la mano sobre la mancera, con el fin de contrarrestar la fuerza de reacción y mantener la profundidad de trabajo. Este acción se refleja en el aumento la demanda de la fuerza de tiro, llegando a alcanzar valores de 1 470 N, lo cual marca el límite superior para el trabajo estable del arado.
El intervalo de esfuerzos registrados durante el trabajo estable del arado (850 a 1 470 N) concuerda con los obtenidos por otros investigadores (530 a 1 295 N), en diferentes condiciones de trabajo y tipos de aperos de labranza (Bartholomew et al., 1995; Gebresenbet et al., 1997; O’Neill, 2002; Loukanov et al., 2005; Temesgen et al., 2009).
Si el suelo está compactado el boyero se recarga con las dos manos sobre el mango de la mancera causando un incremento instantáneo de la demanda de tiro, elevándose hasta los 1 980 N. Cuando el suelo está muy compactado en exceso, la fuerza ejercida con las dos manos sobre el mango de la mancera, no es capaz de compensar el incremento de la fuerza de reacción del suelo, por lo que el boyero ejerce trata de compensar esta fuerza con la acción de su propio peso, subiéndose encima de la cabeza del arado, en este momento además ejerce una fuerza con la mano sobre la mancera, incrementando la demanda de tiro sobre los 1 980 N, llegando hasta alcanzar valores de 2 120 N. Cuando el arado labora capas de suelo muy sueltas penetra excesivamente producto de la abrupta disminución de la resistencia del terreno, en este caso el boyero ejerce una fuerza sobre la mancera para levantar el arado y conservar la profundidad del trabajo. Esta situación también surge cuando el boyero levanta el arado para sortear un obstáculo. En estos casos la demanda de la fuerza de tiro registrada es menor a los 850 N. En ocasiones cuando arado colisiona con una raíz o alguna piedra y se detiene su avance, entonces el boyero, lo levanta verticalmente con el fin de evitar una rotura el apero, hasta que este pierde contacto con obstáculo y el suelo. En este momento se registran valores instantáneos muy bajos de la demanda de tiro, los cuales oscilan alrededor de 33 N.
Los resultados revelaron varios fenómenos que no han sido analizados en trabajos previos y que tienen gran repercusión en la demanda de la fuerza de tiro, el efecto sobre los esfuerzos internos en los componentes del arado y la calidad del trabajo agrotécnico. La variabilidad y tendencias mostradas por la demanda de fuerza de tiro obtenida en los experimentos concuerda con la obtenida por (Bobobee y Gebresenbet, 2007), quienes probaron diferentes herramientas de labranza encontrado una gran variación de estas fuerzas, con valores que van desde 100 hasta 1 700 N, lo cual incluye el levantamiento del arado y la sobrecarga del boyero sobre el mismo. Estos autores sin embargo no hacen ninguna alusión a la influencia de las maniobras del boyero sobre el apero, achacando las causas de la variación solamente a la falta de homogeneidad de las propiedades del suelo. De igual forma Tsujimoto et al. (2005), evaluaron tres arados japoneses y un arado español (de tiro animal) en Marruecos, registrando valores promedios de la fuerza de tiro de 804; 726; 731 y 702 N, para cada arado respectivamente, sin embargo las desviaciones normales de estas fuerzas fueron elevadas, alcanzando los 400; 350; 300 y 270 N. Estas fueron atribuidas a la falta de pericia del boyero pero sin un análisis de las maniobras. Estos resultados corroboran la incidencia de la maniobras del boyero en la variabilidad de la fuerza demandada a los animales de tiro.
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CONCLUSIONES
• Durante la labranza de suelos con el arado tradicional mexicano (arado de palo), el boyero realiza cuatro maniobras fundamentales que están dirigidas a sostener el arado durante su trabajo estable, conservar la profundidad de trabajo, y sortear los obstáculos que se interponen al apero.
• La demanda de fuerza de tiro durante la aradura está en función de las operaciones que realiza el boyero alcanzando valores que varían de 850 a 2 182 N, aunque durante el trabajo estable los valores máximos de fuerza de tiro no sobrepasan los 1 470 N.
• La carga ejercida con el pie del boyero sobre el arado de madera tiene gran influencia en la demanda de tiro, puesto que la eleva hasta en un 67% con respecto a los valores máximos de tiro (1 470 N) que se registran durante el trabajo estable del arado.
• Los levantamientos de arado que realiza el boyero disminuyen de tal manera el tiro que lo puede reducir hasta un valor mínimo de 33 N, debido a la pérdida de contacto con el suelo.
Notas al pie
1 CASTILLO, T.: Los sistemas agrícolas de los Valles Centrales de Oaxaca, 174pp., Tesis en opción del título de Maestro en Ciencias, Centro de Edafología, Colegio de Postgraduados Motecillo, Montecillo, México, 1990. ]]>
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Recibido: 18 de diciembre de 2013.
Aprobado: 22 de septiembre de 2014.
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Fidel Diego Nava. CIIDIR Unidad Oaxaca IPN. Horno 1003. Xoxocotlán, Oaxaca., México. Correo electrónico: fdiego@ipn.mx
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