I
I
N
N
S
S
T
T
I
I
T
T
U
U
T
T
O
O
P
P
O
O
L
L
I
I
T
T
É
É
C
C
N
N
I
I
C
C
O
O
N
N
A
A
C
C
I
I
O
O
N
N
A
A
L
L
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE
POSGRADO E INVESTIGACIÓN
“DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE MEDICIÓN Y CANAL DE
PRUEBAS PARA LA DETERMINACION DE ESFUERZOS
CORTANTES EN SUELOS”
TESIS DE MAESTRÍA
QUE COMO REQUISIO PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD
EN INGENIERIA MECANICA
PRESENTA:
ING. MARCOS FELIPE RÍOS RAMÍREZ
DIRECTOR:
M. EN C. FIDEL DIEGO NAVA
CO-DIRECTOR:
ÍNDICE
RESUMEN I
ABSTRACT I
OBJETIVO II
JUSTIFICACION II
INTRODUCCION III
1 PROPIEDADES DEL SUELO 01
1.1 EDAFOLOGÍA 01
1.2 SUELO 01
1.3 COMPONENTES DEL SUELO 04
1.3.1 FRACCIÓN INORGÁNICA 05
1.3.2 FRACCIÓN ORGÁNICA 05
1.3.3 AIRE 05
1.3.4 AGUA 05
1.4 ORIGEN Y GÉNESIS DE LOS SUELOS 05
1.5 MATERIAL GENERADOR DE LOS SUELOS 06
1.6 CICLO DE LAS ROCAS Y SUELO 06
1.7 METEORIZACIÓN 07
1.7.1 METEORIZACIÓN FÍSICA 07
1.7.2 METEORIZACIÓN QUÍMICA 08
1.8 FACTORES QUE AFECTAN LA METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS 08
1.9 ORIGEN Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS 08
1.10 RELACIÓN CLIMA-SUELO 09
1.11 ORGANISMOS – VEGETACIÓN Y SUELO 10
1.12 RELIEVE Y SUELO 10
1.13 TIEMPO – SUELO 10
1.14 TEORÍA DE SIMONSON 11
1.15 DIAGNÓSTICO DE LAS CONDICIONES FÍSICAS DEL SUELO 12 1.16 SÍNTOMAS RESULTANTES DE UN CRECIMIENTO RADICAL RESTRINGIDO 12
1.17 PROPIEDADES FÍSICAS 12
1.17.1 PROPIEDADES PRIMARIAS 12
1.17.1.1 TEXTURA 13
1.17.1.1.1 IMPORTANCIA DE LA TEXTURA 13
1.17.1.1.2 NATURALEZA FÍSICA Y MINERALÓGICA DE LAS PARTÍCULAS 13 1.17.1.1.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS PARTÍCULAS 13 1.17.1.1.4 INFLUENCIA DE LA TEXTURA EN EL SUELO 16 1.17.1.1.5 IMPORTANCIA DE LA TEXTURA EN PRÁCTICAS AGRONÓMICAS 17
1.17.1.2 ESTRUCTURA 17
1.17.1.2.1 FACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIÓN DE AGREGADOS 19 1.17.1.2.2 IMPORTANCIA DE LA ESTRUCTURA 19
1.17.1.2.3 DETERIORO DE LA ESTRUCTURA 20
1.17.1.3 POROSIDAD 21
1.17.1.4 PESO 21
1.17.1.4.1 DENSIDAD APARENTE 21
1.17.1.4.2 DENSIDAD REAL 21
1.17.1.5 COLOR DEL SUELO 22
1.17.1.6 PROFUNDIDAD 22
1.17.2 PROPIEDADES SECUNDARIAS 22
1.17.2.1 CAPACIDAD DE ARRAIGAMIENTO 22
1.17.2.2 DRENAJE Y ALMACENAMIENTO DE AGUA 23
1.17.2.3 AIREACIÓN 23
1.17.2.4 TEMPERATURA 23
1.17.2.4.1 FACTORES EXTERNOS QUE INFLUYEN EN LA TEMPERATURA DEL SUELO 23
1.17.2.5 CAPACIDAD DE SOPORTE 23
1.18 PROPIEDADES DINÁMICAS 23
1.18.1 ESFUERZO EN SUELOS 23
1.18.3 FUERZA DEL SUELO 24
1.18.4 CEDENCIA EN SUELOS 24
1.19 CLASIFICACION DE SUELOS (FAO - Food and Agriculture Organization) 24
1.20 REFERENCIAS 26
2 TIPOS DE HERRAMIENTAS DE LABRANZA 27
2.1. OBJETIVOS DEL LABOREO DEL TERRENO 27
2.2. ARADO Y SUELO 27
2.3. TIPOS DE APEROS DE LABRANZA 29
2.4. FORMA DE TRABAJO DE LOS ARADOS FIJOS Y REVERSIBLES 31
2.5 ARADOS PARA LA PREPARACIÓN DEL TERRENO 31
2.6 ARADOS DE VERTEDERA 33
2.6.1 TIPOS DE VERTEDERAS 33
2.6.2 CLASIFICACIÓN DE LAS VERTEDERAS 35
2.6.3 ELEMENTOS DEL ARADO DE VERTEDERA 37
2.6.3.1 REJA 38
2.6.3.2 RESGUARDADOS 39
2.6.3.3 DENTAL (porta-rejas) 39
2.6.3.4 ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS DEL CUERPO DE ARADO 39
2.6.3.5 ELEMENTOS DE SUSTENTACIÓN 40
2.6.3.6 ELEMENTOS DE UNIÓN AL TRACTOR 41
2.6.3.7 ACCESORIOS 41
2.6.4. FORMAS ESPECIALES DE ARADOS DE VERTEDERA 41
2.7 ARADOS DE DISCOS 43
2.7.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS ARADOS DE DISCOS 43
2.7.2 ELEMENTOS DE TRABAJO 44
2.7.2.1 DISCO 44
2.7.2.2 BRAZO PORTADISCO O CAMA 45
2.7.2.3 RASQUETA (FIGURA 2.27) 46
2.7.2.4 RUEDA TRASERA 46
2.7.2.5 BASTIDOR 47
2.8 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS ARADOS DE VERTEDERA Y DE DISCOS 47
2.9 REFERENCIAS 48
3 SISTEMAS DE MEDICION 49
3.1. SENSORES, DETECTORES Y TRANSDUCTORES 49
3.2 ENCODER (transductor de posición) 49
3.3 TACÓMETRO DE CAPTACIÓN POR FOTOCELDA (transductor de velocidad) 51 3.4 SENSOR SMS3 (transductor de humedad y temperatura) 52 3.5 GALGA EXTENSIOMÉTRICA (transductor de fuerza) 53
3.5.1 ROSETA DE DEFORMACIÓN 54
3.5.1.1 ROSETA RECTANGULAR 55
3.5.1.2 ROSETA DELTA 55
3.6 AMPLIFICADOR OPERACIONAL OPAM 55
3.6.1 AMPLIFICADOR INVERSOR DE LAZO CERRADO 55
3.6.2 AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE LAZO CERRADO 56
3.6.3 AMPLIFICADOR SUMADOR INVERSOR 57
3.7 CONVERTIDOR ANALÓGICO A DIGITAL (ADC) 58
3.7.1 MÉTODO SECUENCIAL 59
3.7.2 MÉTODO DE APROXIMACIONES SUCESIVAS 59
3.8 COMUNICACIÓN SERIAL 59
3.8.1 CARACTERÍSTICAS DE LA COMUNICACIÓN SERIAL 60
3.8.1.1 VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN 60
3.8.1.2 BITS DE DATOS 60
3.8.1.3 BITS DE PARADA 60
3.8.1.4 BIT DE PARIDAD 60
3.8.2 MÉTODOS DE COMUNICACIÓN SERIAL 61
3.8.2.1 RS232 61
3.9 MICROCONTROLADOR 61
3.10. VARIADOR DE FRECUENCIA 62
3.11 SUMARIO 63
3.12 REFERENCIAS 63
4 FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DEL CANAL DE PRUEBAS 64
4.1 INTRODUCCIÓN 64
4.2 UTILIDAD DE LOS CANALES DE PRUEBA 64
4.3 TIPOS DE CANALES DE PRUEBA 65
4.4 CRITERIO PARA LAS DIMENSIONES DEL CANAL 66
4.5 REFERENCIAS 67
5 DISEÑO DEL CANAL DE PRUEBAS 68
5.1 DETERMINACIÓN DEL SISTEMA 68
5.1.1 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN 68
5.2 DISEÑO DE LOS PARAMETROS DIMENSIONALES 68
5.2.1 MECANISMO DE CUATRO BARRAS 68
5.2.1.1 CALCULO DE POSICIONES 69
5.2.1.2 CALCULO DE VELOCIDADES 74
5.2.1.3 CALCULO DE ACELERACIONES 76
5.3 CÁLCULO FUERZAS EN LOS PERNOS Y TORQUE DEL MOTOR 79 5.4 CÁLCULO DE LA ETAPA AMPLIFICADORA DE LOS TRANSDUCTORES 80
5.4.1 ETAPA AMPLIFICADORA DEL SMS3 80
5.4.2 ETAPA AMPLIFICADORA DE LA ROSETA 80
5.5 PROGRAMACION DEL µC 81
5.6 PROGRAMACION DEL ORDENADOR 81
5.7 REFERENCIAS 81
CONCLUSIONES 82
RECOMENDACIONES PARA UN TRABAJO FUTURO 82
ANEXO A “PROGRAMA EN VB” 83
ANEXO B “PROGRAMA DEL µC” 91
RESUMEN
En el presente trabajo se aborda el diseño de un canal de pruebas para aperos, con el que se pretende realizar análisis a herramientas de labranza previamente diseñadas, estas se colocan en un dispositivo de sujeción del canal y son obligadas a realizar un trabajo sobre un suelo especifico (para el cual fueron creadas), se miden condiciones de humedad y temperatura dentro del canal, así como las deformaciones producidas en la herramienta por su interacción con el suelo, la velocidad y profundidad de trabajo de ésta (mediante transductores).
Para lograr esto, se requiere calcular los elementos mecánicos del canal, mediante la mecánica de materiales, con teorías que se encuentran dentro de los análisis elásticos, las ecuaciones de estas ayudan a determinar las dimensiones de los elementos.
También es necesario diseñar los sistemas electrónicos de medición, que serán los encargados de obtener la información por la cual este canal tiene su razón de ser.
Finalmente ambas partes, mecánica y electrónica se unen para crear esta herramienta.
ABSTRACT
This work takes up the development of a soil bin, to prove tillage tools previously designed, these ones are placed in a subjection device of the soil bin in order to be tested while they are working on a specific soil (the one they were created for), moisture and temperature conditions are measured in this machine, as well as strains produced on the tillage tool during soil-tool interaction, speed and tool depth (by transducers).
For reach it, mechanicals elements of the soil bin need to be calculated, using mechanics of materials, with theories within the elastic analyses, its equations helps to determine elements dimensioning.
Also electronics measurements devices required to be designed, they are in charge to get the information because this soil bin is required.
OBJETIVO:
Diseñar un canal de pruebas capaz de realizar lo siguiente: • Medir humedad y temperatura del suelo.
• Medir las fuerzas producidas en el apero durante su interacción con el suelo. • Variar la profundidad y velocidad de trabajo de la herramienta de labranza.
• Almacenar y mostrar de manera fácilmente legible las mediciones hechas en la prueba. Su estructura debe permitir:
• Observar la interacción entre el suelo y la herramienta por lo menos en uno de sus lados más largos.
• Cargar y descargar las muestras de suelo fácilmente. • Intercambiar las herramientas a probar de forma sencilla. En lo que a movimiento se refiere, requieren dos:
• Uno para la regular profundidad del apero.
• Y otro para trasladarlo a lo largo del canal, en este es indispensable poder variar la velocidad.
JUSTIFICACIÓN:
La agricultura es fundamental para el desarrollo de nuestro país, sin embargo la ayuda a esta actividad no es suficiente, se tienen muchas necesidades, entre ellas: producir aperos adecuados a nuestro suelo, estudiar de la interacción entre este y las herramientas de labranza. Buscando así ahorrar energía durante el laboreo de terrenos.
La mejor forma de probar una herramienta de labranza, es en el suelo en cuestión para el cual fue diseñada, desafortunadamente esto no se hace en México y por ello se invierte tiempo y energía de más en el laboreo de la tierra, sin mencionar que la herramienta se desgasta más rápidamente de lo normal (ya que no fue hecha para ese suelo).
INTRODUCCIÓN
En el proceso de laboreo del terreno existen dos elementos, el suelo y la herramienta (apero), es de suma importancia conocer las características de ambos, ya que al diseñar una máquina, es necesario conocer el proceso que va a realizar, los elementos que requiere para llevar a cabo el mismo y las variables que lo afectan.
El diseño del canal de pruebas considera la medición de:
• Variables que afectan durante el proceso de laboreo de terrenos, las cuales son: humedad y temperatura del suelo, profundidad y velocidad de trabajo de la herramienta.
• Fuerzas producidas en el apero mientras trabaja, para su posterior análisis.
Para efectuar las mediciones anteriores se requiere de transductores y elementos capaces de acondicionar señales y transmitirlas, así como de un receptor apto para recibirlas y mostrarlas en un lenguaje entendible para el usuario.
PROPIEDADES DEL SUELO
El suelo es el elemento con el cual interactúa la herramienta de labranza (apero), por ello es importante conocer las características del mismo.
1.1 EDAFOLOGÍA
La edafología (de edafos, "suelo") es la ciencia que estudia la composición y naturaleza del suelo en su relación con las plantas y el entorno que le rodea. Dentro de ésta aparecen varias ramas teóricas y aplicadas que se relacionan en especial con la física, la química y la biología. [1.1]
1.2 SUELO [1.2]
[image:10.612.219.438.363.613.2]Es un cuerpo natural, tridimensional, trifásico, que ocupa un lugar en el espacio, con características únicas, producto de la transformación del material originario o parental, a través de procesos destructivos y de síntesis, provocados por una determinada combinación de factores ambientales que se expresan en un perfil con horizontes y/o estratas (figura 1.1).
Figura 1.1 Representación grafica del suelo.
Los cuerpos individuales de suelo rara vez se separan entre si por limites abruptos. No son particulados, hay un cambio gradual entre uno y otro, formando un continuo y por ello los límites se deben establecer en forma arbitraria (figura 1.2).
horizonte y finalmente, además al primero. Se tienen así al menos tres suelos distintos y tres integrados o intermedios.
Figura 1.2 Variación espacial del continuo suelo.
El perfil simplifica la tridimensionalidad que posee el suelo, con fines de representación y análisis. Corresponde a una sección vertical bidimensional de un suelo, que se extiende desde la superficie hasta el material rocoso o sustrato, mostrando las estratas y horizontes que lo conforman y que han sido pedogenéticamente alterados durante el proceso de formación de suelos.
Un horizonte se puede definir como una capa de suelo, aproximadamente paralela a la superficie del mismo, y que posee propiedades producidas por los procesos formadores del suelo; entre los horizontes existe una relación genética, evolutiva (figura 1.3 y cuadro 1.1).
Cuadro 1.1 Definiciones y designaciones simplificadas de los horizontes dominantes del suelo. Símbolo Horizonte dominante
O1 Horizonte orgánico. Formado (o en formación) por una acumulación de materia orgánica depositada sobre la superficie del suelo. La mayor parte de los componentes vegetales son frescos y aún reconocibles. Este horizonte se conoce como litera (L).
O2 Horizonte orgánico. Como el anterior, contiene por lo menos un 35% de materia orgánica que, por lo general, consiste en materia orgánica parcial a totalmente descompuesta. Los componentes no se reconocen en sus estructuras originales. Este horizonte se subdivide de acuerdo al grado de descomposición de la materia orgánica en F (M.O. parcialmente descompuesta) y H (M.O. humificada).
A Horizonte mineral. Formado (o en formación) en la superficie o adyacente a ésta. El concepto central del horizonte es de acumulación de materia orgánica humificada íntimamente asociada con las partículas minerales. Es de coloración algo más oscura que el horizonte B subyacente y el material orgánico descompuesto aparece mezclado con el material mineral debido a la actividad biológica.
E Horizonte eluvial. Yace bajo un horizonte O o A. Contiene menos materia orgánica, presenta una acumulación de minerales resistentes y es de color más claro. Se forma por la pérdida de constituyentes tales como el hierro y la arcilla fina, entre otros, que han sido translocados al horizonte B subyacente donde se acumulan.
B Horizonte mineral. En que las partículas minerales (solas o combinadas con humus) provenientes de un horizonte E se han concentrado en el tiempo. C Horizonte mineral de material no consolidado. Material parental, a partir
del cual se ha desarrollado el suelo. También se incluyen aquí los materiales gravosos y pedregosos de fondo que permiten el desarrollo de las raíces. R Capa de roca continua endurecida Suficientemente coherente en húmedo
para hacer impracticable la excavación con una pala. Esta roca puede tener fisuras, pero éstas son muy escasas y demasiado pequeñas para un desarrollo radical significativo. De hecho, éste no es un verdadero horizonte del suelo.
La naturaleza de los horizontes presentes en un perfil de suelo, depende de los procesos genéticos ocurridos durante su formación, por lo tanto no todos los suelos tienen los mismos horizontes, estos son de espesor variable y la complejidad de los horizontes presentes depende de la intensidad con que han operado los fenómenos de aportes, pérdidas, translocaciones y transformaciones. El pedón es el volumen más pequeño que puede considerarse representativo de un suelo, mostrando sus horizontes y estratas. Posee una superficie aproximada de 1 m2, lo que permite describirlo, además, contiene el volumen suficiente para extraer muestras para una caracterización adecuada de laboratorio.
Figura 1.4 Conceptos de pedón polipedón, perfil y su relación con el paisaje.
1.3 COMPONENTES DEL SUELO [1.2]
El suelo es un sistema de tres fases: sólida, líquida y gaseosa; los diferentes suelos presentan distintas proporciones de estos componentes, que dependen de las condiciones de su formación. En la figura 1.5 se aprecia la distribución de los componentes de un suelo mineral.
Estos componentes se encuentran interrelacionados, de manera que la organización de los componentes sólidos entre sí, determinan la cantidad de espacio poroso destinado al aire y agua. La proporción de agua y de aire esta sujeta a grandes fluctuaciones, dentro de un mismo suelo, por la influencia del clima y del manejo.
1.3.1 FRACCIÓN INORGÁNICA
• Corresponde a una mezcla de varios componentes minerales primarios (cuarzos, feldespatos, etc.) y secundarios (arcillas silicatadas).
• Los distintos componentes minerales tienen propiedades y características diversas. • Los tamaños de las partículas son variables, desde la arcilla hasta fragmentos de rocas.
• Determinan en relación con otros de los componentes, las propiedades físicas y fisicoquímicas de los suelos.
• Constituyen una fuente de nutrientes e intervienen en su dinámica en el suelo (movilidad, fijación, disponibilidad).
1.3.2 FRACCIÓN ORGÁNICA
• Formada por materiales orgánicos diversos, en distintos grados de descomposición, incluyendo los organismos del suelo, vivos y muertos.
• La fracción coloidal humificada afecta las propiedades físicas y fisicoquímicas de los suelos, tales como porosidad, retención de agua y capacidad de intercambio catiónico entre otras. • Es fuente de algunos nutrientes, como N, P y S.
1.3.3 AIRE
• Corresponde a la "atmósfera" del suelo y al igual que la atmósfera exterior es una mezcla de O2, N2, CO2 y gases menores.
• Posee un mayor contenido de CO2 y menor de N2 y O2 que el aire exterior debido a la actividad biológica en el suelo.
• Es dinámica, variando cualitativa y cuantitativamente.
• La humedad relativa de esta atmósfera del suelo puede llegar a 100% ya que parte del aire se encuentra disuelto en la solución del suelo.
• Proporciona el oxígeno necesario para la vida de la mayoría de los organismos del suelo y las plantas.
• El oxígeno participa en todos los procesos aeróbicos que afectan al suelo y la planta.
1.3.4 AGUA
• Es una solución acuosa, que contiene sales disueltas en pequeñas cantidades en forma de iones.
• Variable en cantidad, tipo y concentración de solutos. Está en una relación dinámica entre suelo y planta.
• Participa en la nutrición vegetal siendo el vehículo para la absorción de los iones. Permite la ocurrencia de reacciones químicas.
• Necesaria para el proceso de evapotranspiración del cultivo y la producción de biomasa. • Afecta algunas propiedades físicas del suelo como la temperatura.
1.4 ORIGEN Y GÉNESIS DE LOS SUELOS [1.2]
la vegetación da origen a la materia orgánica. Los factores climáticos y biológicos provocan por su parte una transformación y una mezcla, más o menos completa de estos elementos; algunos constituyentes migran en el perfil, enriqueciendo o empobreciendo las estratas. El conjunto de estos procesos conduce a la diferenciación de los horizontes y al desarrollo del perfil.
1.5 MATERIAL GENERADOR DE LOS SUELOS [2]
• Todos los suelos derivan de las rocas.
• El origen primario de los suelos se debe a la evolución del material parental proveniente de la transformación de las rocas por variados mecanismos de meteorización.
• El material parental puede, posteriormente, permanecer "in situ" y originar un suelo o ser transportado por distintos agentes a otro lugar y ahí desarrollar un suelo.
Existen tres tipos principales de rocas que originan materiales parentales de suelos. Rocas ígneas:
• Son aquellas que originalmente constituyeron la corteza de la tierra después de que ésta se enfrió lo suficiente para endurecerse o cristalizarse en su superficie.
• Corresponden al magma consolidado.
• En general son susceptibles a cambios químicos.
• Su clasificación se basa en la proporción y tamaño de sus componentes minerales, su contenido de sílice y su grado de cristalinidad.
• Algunas de estas son granito, diorita, basalto. Rocas sedimentarias:
• Se originan por depositación y recementación de productos de descomposición de otras rocas.
• Son resistentes a los cambios químicos.
• Algunas de estas son: caliza, dolomita, arenisca, conglomerado. Rocas metamórficas:
• Se forman por alteración de rocas ígneas y sedimentarias debido al calor o a la presión, o a la acción simultánea de ambos.
• Algunas de estas rocas son: gneis, esquisto, pizarra, cuarcita, mármol.
Los diferentes tipos de rocas están relacionadas entre sí, pudiendo derivarse las unas de las otras y por ello se habla del ciclo de las rocas, que a su vez está relacionada con la génesis de los suelos.
1.6 CICLO DE LAS ROCAS Y SUELO [1.2]
• La roca madre de los suelos está compuesta de minerales, siendo la mayoría de ellos alúmino-silicatos de metales.
Los componentes minerales que constituyen el horizonte C de los perfiles de suelo, consisten principalmente de productos de meteorización de las rocas ígneas primarias y de rocas sedimentarias y metamórficas derivadas de ellas.
El material parental varía mucho en identidad y composición mineral, dependiendo del tipo de roca madre, de las condiciones de meteorización y del tiempo de meteorización.
La fracción mineral de los suelos proviene de la transformación de "las rocas madres" que sufren un doble proceso: la desagregación física y mecánica, sin modificación química de los minerales y la alteración química que provoca una transformación de los minerales primarios en minerales secundarios, especialmente arcillas. El conjunto de estos procesos se conoce como intemperización o meteorización y da origen al complejo de alteración.
1.7 METEORIZACIÓN [1.2]
Por meteorización o intemperización, se entiende una combinación de procesos físicos y químicos de desintegración y descomposición de las rocas en fragmentos minerales y productos solubles e insolubles, algunos de los cuales se recombinan para formar minerales secundarios de diversos grados de complejidad.
Estos procesos de alteración transforman las rocas y minerales en formas más estables bajo las condiciones ambientales de la superficie terrestre. En la meteorización física la roca original se desintegra en fragmentos de menor tamaño, preparando el material a la acción química. La meteorización química, en cambio, es un proceso de descomposición, en que cambia la naturaleza de la roca original. Ambos procesos ocurren juntos en la naturaleza y es difícil separar sus efectos. La intensidad de meteorización depende de la accesibilidad y susceptibilidad de los minerales individuales de las rocas a los agentes de la meteorización.
1.7.1 METEORIZACIÓN FÍSICA
Fluctuaciones de temperatura. Estas fluctuaciones ocurren entre día y noche, produciendo un
calentamiento y enfriamiento de rocas y minerales, que tienen diferentes coeficientes de expansión y contracción, lo que provoca un juego de fuerzas que tienden a separar los minerales y capas concéntricas al núcleo de una roca.
Hielo. El agua al congelarse, aumenta en un 9% su volumen, lo que tiende a partir las rocas. Este fenómeno es típico en los taludes en la Cordillera de Los Andes.
Agua. El agua en escurrimiento favorece el desgaste de las rocas, especialmente cuando arrastra sedimentos.
Formación de cristales. Las sales en solución pueden cristalizarse, aumentando su volumen, lo que genera fuerzas que contribuyen a la separación de minerales o de partículas, como en una arenisca.
Acción mecánica de las raíces de plantas. Aprovechando grietas preexistentes se introducen,
1.7.2 METEORIZACIÓN QUÍMICA
Disolución. Proceso que implica la solubilización de rocas solubles (yeso) y el transporte posterior de los elementos solubles de este proceso o los resultantes de otros procesos de meteorización. Depende de la temperatura, del pH del medio, de la cantidad de agua y de la interacción con otros iones.
Hidrólisis. Consiste esencialmente en la reacción de un mineral con el agua para dar un ácido y una base. Los aluminosilicatos se comportan como si fueran sales del ácido silícico (débil) y una base fuerte, de modo que el H+ reemplaza al catión de la sal en la estructura del mineral, produciendo su colapso.
Hidratación. Este proceso se caracteriza por la incorporación de moléculas de agua en la estructura cristalina de un mineral, originando un mineral distinto.
Carbonatación. En este caso se trata de la reacción de los iones carbonato y bicarbonato con los minerales. Estos iones provienen de la disolución delco Z originado por la actividad microbiana del suelo y de las raíces de las plantas.
Oxidación. Afecta a aquellos elementos que pueden actuar con distintas valencias, tales como el hierro y el manganeso. Está asociado a cambios de volumen y color y a revestimientos de colores oscuros.
Quelación. Se produce por la asociación de compuestos orgánicos con metales, por ejemplo el Cu, que son encerrados en una estructura orgánica que permite su movilización en el perfil.
1.8 FACTORES QUE AFECTAN LA METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS [1.2]
• Tipos de rocas, composición mineral y estructura.
• Condiciones climáticas (humedad, temperatura, amplitud térmica). • Presencia o ausencia de vegetación.
• Condiciones tales como pendiente, exposición al sol y lluvia.
Los materiales parentales de los suelos provienen de la meteorización de las rocas in situ o en otro lugar, previo al transporte por diversos agentes, tales como el agua, el viento y el hielo.
1.9 ORIGEN Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS [1.2]
El material generador está sujeto a una serie de procesos que efectúan continuos cambios en él. El origen y las características del suelo están determinados por la interacción de 5 factores principales de formación: clima, organismos, topografía, material generador, tiempo.
Esta serie de factores actúan interrelacionados, estableciéndose la función de suelo:
donde:
S = suelo
cl = clima
o = organismos
r = relieve
mg = material generador
t = tiempo
Los procesos evolutivos culminan en un perfil característico, resultante de todas las transformaciones bajo ciertas condiciones específicas, ocurridas a partir de la meteorización de las rocas y de la descomposición de los materiales procedentes de organismos asociados con ellas. El proceso es extremadamente lento y no se pueden observar en todas sus etapas, pero es posible hacer una correlación entre los factores de formación y las características del suelo.
En las figuras siguientes se esquematizará el efecto de cada uno de los factores de formación en las características de los suelos.
1.10 RELACIÓN CLIMA-SUELO [1.2]
[image:18.612.161.496.384.593.2]La precipitación efectiva, es decir el agua que efectivamente ingresa al perfil es la que contribuye a los cambios del material parental y al desarrollo de los horizontes del suelo, por ello es importante conocer el ciclo del agua (figura 1.6).
Figura 1.6 Ciclo hidrológico bajo condiciones húmedas.
Figura 1.7 Balance hídrico bajo diferentes condiciones húmedas.
La profundidad y el grado de alteración de los materiales originales están fuertemente afectados por el clima. En condiciones tropicales con elevadas precipitaciones y altas temperaturas la profundidad de la alteración es considerable y el grado de transformación del material original es completo, llegando a acumularse los óxidos de Fe y Al, no así en condiciones desérticas o muy frías.
1.11 ORGANISMOS – VEGETACIÓN Y SUELO [1.2]
La vegetación y los organismos influyen en el suelo a través de: • Acumulación de materia orgánica de composición variada. • Desarrollo de horizontes orgánicos.
• Ciclo biológico o reciclaje de los elementos • Reacciones bioquímicas en el suelo.
• Estabilidad estructural y aireación. • Modificación del clima del suelo.
1.12 RELIEVE Y SUELO [1.2]
• Se entiende por relieve a las grandes desigualdades de la superficie terrestre.
• Topografía corresponde a los detalles del relieve y aparece en las cartas topográficas, a nivel de predio.
1.13 TIEMPO - SUELO [1.2]
Figura 1.8 Relación entre tiempo y suelo en suelos derivados de cenizas volcánicas.
1.14 TEORÍA DE SIMONSON [1.2]
De acuerdo con Simonson existen sólo cuatro procesos pedogenéticos principales que dan origen a los diferentes suelos, y cuyas diferencias se deben a las distintas intensidades con que se manifiesta cada uno de ellos.
Estos cuatro procesos son los siguientes:
• Adiciones: Comprenden principalmente materia orgánica y diversos materiales
transportados. Cuando los materiales sólidos son agregados en gran cantidad actúan como una nueva roca madre e inician la formación de un nuevo suelo. Por ejemplo: un aluvión. • Remociones: Se refiere a la eliminación de un constituyente o constituyentes del perfil del
suelo. La erosión, que produce pérdidas en la superficie del suelo es un buen ejemplo.
• Transferencias o translocaciones: Comprenden movimientos limitados de constituyentes
dentro del perfil del suelo y que son responsables principales de la diferenciación de los horizontes. Por ejemplo, la translocación de arcillas que da origen al horizonte argilico en suelos Rojo- Arcillosos.
• Transformaciones: Se refieren al cambio y formación de nuevos constituyentes y minerales
en el perfil. Por ejemplo la formación de arcillas.
1.15 DIAGNÓSTICO DE LAS CONDICIONES FÍSICAS DEL SUELO [1.2]
Las limitaciones físicas del suelo tienen como consecuencia un sistema radical restringido, que a su vez produce ciertos síntomas en las plantas, de los cuales la mayoría son muy generales; por ello el diagnóstico de las propiedades físicas debe ser realizado fundamentalmente en el terreno al describir el suelo y en el laboratorio las propiedades mecánicas.
1.16 SÍNTOMAS RESULTANTES DE UN CRECIMIENTO RADICAL RESTRINGIDO [1.2]
• Crecimiento lento o restringido de la planta. • Crecimiento de brotes limitado.
• Hojas pequeñas.
• Hojas de coloración anormal, síntomas de deficiencia de nutrientes. • Marchitez temporal en días cálidos.
• Amarillez temprana de hojas en otoño. • Madurez temprana de la planta. • Rendimiento limitado.
1.17 PROPIEDADES FÍSICAS [1.2, 1.3]
Las propiedades físicas son aquellas relacionadas con la organización estructural de un suelo, que son utilizadas en su descripción o determinadas en el laboratorio y que equivalen a su arquitectura. Para una mejor comprensión del tema se han separado las propiedades físicas en primarias y secundarias. Las primeras pueden o no relacionarse entre ellas (porosidad se relaciona con textura y estructura), pero la combinación de una o más determinan las propiedades "secundarias".
Estas, en último término, establecen las relaciones entre suelo, aire, agua, materia orgánica y planta. Por lo tanto las propiedades físicas de un suelo son de gran importancia para determinar la calidad del mismo, como medio para el desarrollo de los cultivos.
Una característica física corresponde a la forma o expresión cuantitativa con que se manifiesta la propiedad y que varía según el suelo. Así por ejemplo, si la propiedad es textura la característica podría ser franco arcillosa.
1.17.1 PROPIEDADES PRIMARIAS
• Textura. • Estructura. • Porosidad.
• Peso (Densidad real - Densidad aparente). • Color.
1.17.1.1 TEXTURA
Es una expresión cualitativa y cuantitativa del tamaño de las partículas. Cualitativa ya que se refiere al comportamiento que resulta del tamaño y de la naturaleza de los constituyentes del suelo, y cuantitativa por ser una expresión porcentual; se refiere a la proporción relativa en peso de los diferentes tamaños de partículas existentes en él, expresada como porcentaje de la fracción mineral.
1.17.1.1.1 IMPORTANCIA DE LA TEXTURA
• La textura es la propiedad física más importante del suelo. • Estable en el tiempo, no modificable a la escala agrícola.
• Afecta esencialmente a todas las otras propiedades físicas y muchas propiedades químicas y biológicas se correlacionan con esta.
1.17.1.1.2 NATURALEZA FÍSICA Y MINERALÓGICA DE LAS PARTÍCULAS
Se distinguen básicamente tres tipos de partículas: arcilla, limo y arena. La distinción entre ellas se basa en una distribución arbitraria que asocia a cada fracción propiedades relacionadas al tamaño, como la plasticidad.
Arenas: Fragmentos de roca o minerales. En la arena fina predominan partículas individuales de
minerales primarios y en la arena gruesa fragmentos de rocas
Limos: Minerales o fragmentos de rocas, dominando en la fracción fina los minerales primarios
individuales y eventualmente minerales secundarios del tipo arcilla de tamaño grueso como la caolinita.
Arcilla: Minerales secundarios arcillosos del tipo cristalino, con una estructura compleja en capas en el caso de las arcillas cristalinas; arcillas de bajo grado de cristalinidad, como el alofán y la imogolita y las llamadas arcillas hidróxidos u óxidos de Fe y Al.
1.17.1.1.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS PARTÍCULAS:
Principalmente alúmino silicatos (Al, Si, O2) y constituyentes básicos dependiendo de los minerales existentes.
El predominio de algunas de estas fracciones afecta el comportamiento del suelo de la siguiente manera:
Arcilla:
• Fracción coloidal, incluye arcillas amorfas y cristalinas. • Alta plasticidad y adhesividad.
• Capacidad de expansión y contracción. • Alta capacidad de retención de agua. • Alta capacidad de retención de iones. • Superficie específica alta.
Limo:
• Partículas de forma irregular.
• Alta plasticidad y adhesividad media. • Capacidad media de retención de agua. • Permeabilidad e infiltración media a baja • Poca actividad química.
• Escasa a nula capacidad de retención de iones. • Baja fertilidad física.
• Riesgo de sellado y encostramiento superficial Arena:
• Partículas de forma irregular. • Baja adhesividad y plasticidad. • Poca capacidad de retención de agua. • Inactividad química.
• Macroporosidad alta
El número de combinaciones entre las tres fracciones que determinan la textura del suelo es ilimitado. Este continuo granulométrico del suelo, donde hay infinitas posibles combinaciones, ha sido dividido en clases texturales, las cuales representan un grupo de combinaciones de tamaños de partículas, con propiedades inferibles de acuerdo a la fracción predominante o proporción en que se encuentren, y tienen un comportamiento más o menos determinado.
[image:23.612.80.521.419.548.2]Existen dos métodos para determinarlas: al tacto y el análisis granulométrico. Cuadro 1.2 Características de las fracciones granulométricas.
Fracción Diámetro (mm) Número de
partículas/g Area cm2/g
Arena muy gruesa 2,00 - 1,00 90 11
Arena gruesa 1,00 - 0,50 720 23
Arena media 0,50 - 0,25 5.700 45
Arena fina 0,25 - 0,10 46.000 91
Arena muy fina 0,10 - 0,05 722.000 237
Limo 0,05 - 0,002 5.776.000 454
Arcilla <0,002 90.260.853.000 8.000.000
La cantidad de partículas por gramo de suelo y el área superficial aumentan exponencialmente, incrementando su influencia en el comportamiento del suelo. Un suelo arcilloso debido a su gran área superficial tiene una gran actividad química y física, en contraste con los suelos arenosos. Existen varios sistemas de clasificación granulométricos propuestos por distintos organismos, de los cuales el más usado es el del USDA (Figura 1.9).
Figura 1.10 Diagrama de las clases texturales básicas del suelo según el tamaño de las partículas (USDA).
Cuadro 1.3 Clases texturales de suelos (USDA).
Textura del suelo (porcentajes, peso en seco) Nombres vulgares de
los suelos (textura
general) Arenoso Limoso Arcilloso
Clase textural
86-100 0-14 0-10 Arenoso
Suelos arenosos
(textura gruesa) 70-86 0-30 0-15 Franco arenoso
Suelos francos (textura
moderadamente gruesa)
50-70 0-50 0-20 Franco arenoso
23-52 28-50 7-27 Franco
20-50 74-88 0-20 Franco limoso Suelos francos
(textura media)
0-20 88-100 0-12 Limoso
20-45 15-52 27-40 Franco arcilloso 45-80 0-28 20-35 Franco arcillo arenoso Suelos francos
(textura
moderadamente fina) 0-20 40-73 27-40 Franco arcillo limoso 45-65 0-20 35-55 Arcillo arenoso
0-20 40-60 40-60 Arcillo limoso Suelos arcillosos
(textura fina)
0-45 0-40 40-100 Arcilloso
1.17.1.1.4 INFLUENCIA DE LA TEXTURA EN EL SUELO
Porosidad total. Aireación.
Retención y movimiento de agua en el suelo. Escurrimiento superficial e infiltración. Drenaje y permeabilidad.
Desarrollo de la estructura y estabilidad de los agregados. Susceptibilidad de erosión.
1.17.1.1.5 IMPORTANCIA DE LA TEXTURA EN PRÁCTICAS AGRONÓMICAS
• Laboreo del suelo. • Riego.
• Fertilización.
• Adaptación de algunos cultivos
Cuadro 1.4 Factores de manejo de suelos relacionados con la textura.
Arenosos Francos Arcillosos
Relaciones Hídricas
Infiltración: ingreso de agua al perfil. Rápida Media Muy lenta Percolación: drenaje interno y
lavado
Excesiva Buena Rápida con grietas Muy lenta
Almacenamiento de agua Muy bajo Medio Alto Aireación: movimiento de 02 en la
zona radical
Muy buena
Moderada Pobre
Laboreo y erosión
Potencia requerida Baja Media Alta
Laboreo: facilidad para la
preparación de la cama de semilla
Fácil Moderado Difícil
Erodabilidad por viento y transporte Moderada Alta Baja-Media Erodabilidad por agua y transporte Baja Alta Baja-Media
Fertilizantes químicos
Fertilidad potencial: aporte de nutrientes
Baja Media Alta
Recomendaciones fertilizantes (dosis por hectárea)
Baja Media Alta
1.17.1.2 ESTRUCTURA
[image:26.612.81.513.167.451.2]La estructura del suelo corresponde a la forma en que se agrupan las partículas elementales (arena, limo y arcilla) en agregados. Es uno de los primeros procesos que ocurre en el suelo, junto con la incorporación de materia orgánica y que distingue a este del material geológico.
Estos agregados tienen propiedades diferentes de las de una masa igual de partículas elementales sin agregación. Las unidades estructurales se distinguen por estar separadas entre sí por los espacios porosos. Este tipo de asociación puede asumir diferentes modalidades, lo que da por resultado las distintas estructuras del suelo.
La Capacidad Estructural del suelo se define como su aptitud para formar terrones espontáneamente constituidos por agregados de menor tamaño, sin la intervención del hombre. Cuadro 1.5 Clasificación simple de los agregados por el tamaño
Tipo Descripción Tamaño
Terrón Conjunto de agregados >5mm
Agregado Conjunto de microagregados y partículas de arena
0.5 -5mm Microagregado Dominios, limo y partículas finas de arena
unidas por polímeros orgánicos
5 -500µm Dominio Conjuntos orientados de cristales de arcilla <5µm
La Estabilidad Estructural se refiere a la capacidad que tienen los agregados de conservar su forma cuando se humedecen o son sometidos a una acción física.
• Un suelo bien estructurado mantiene la asociación de las partículas primarias, evita el sellado del suelo y la formación posterior de una costra.
• La estructura de un suelo dado se deteriorará o mejorará según sea el sistema de manejo o tratamiento que se aplique.
La estructura puede determinarse de acuerdo a dos criterios: uno cualitativo y descriptivo en el terreno y otro, cuantitativo por la determinación de propiedades del suelo que son una consecuencia de la estructura, tales como porosidad, estabilidad de los agregados, etc. La descripción de la estructura en el terreno está referida a la macroestructura; la microestructura en cambio, se estudia al microscopio en láminas delgadas de suelo.
La estructura de un suelo puede describirse según: • Tipo (forma y arreglo de los agregados). • Clase (tamaño).
• Grado (fuerza de agregación, estabilidad de agregados). Se distinguen cuatro tipos generales de estructura:
1. Laminar: en la cual los agregados son unidades de diferente espesor con el eje horizontal más desarrollado.
2. Prismática: los agregados son alargados, tienen el eje vertical de mayor tamaño que el eje
horizontal.
4. Granular: son esferas porosas, imperfectas, de tamaño pequeño, de caras redondeadas y de superficies irregulares.
Figura 1.12 Tipos de estructura y tasa de infiltración del agua.
1.17.1.2.1 FACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIÓN DE AGREGADOS
• Cantidad y actividad de los coloides del suelo.
• Tipo de cationes dominantes en el complejo de cambio: el Na+ tiene una acción dispersante y el Ca++ floculante.
• Cementantes inorgánicos en el suelo, como el Fe. • Cantidad y tipo de materia orgánica.
• Actividad de organismos vivos animales y vegetales, especialmente microorganismos. • Procesos naturales como congelamiento y descongelamiento, humedecimiento y secado del
suelo.
• Manejo, cultivo del suelo, laboreo, rotaciones.
1.17.1.2.2 IMPORTANCIA DE LA ESTRUCTURA.
La estructura influye en:
• Capacidad de retención de agua e infiltración. • Aireación.
• Intercambio gaseoso. • Compacidad del suelo • Desarrollo radical.
1.17.1.2.3 DETERIORO DE LA ESTRUCTURA.
Compactación: Reducción del volumen del suelo, causada por una fuerza aplicada sobre él, resultando un aumento de la densidad aparente y disminución de la porosidad.
Los principales efectos de la compactación a nivel de planta y/o manejo son: • Disminución del vigor y de la productividad.
• Crecimiento radical restringido y superficial. • Deficiencias nutricionales.
• Patologías en la raíz. • Baja infiltración.
• Escasa lixiviación de solutos. • Anoxia del suelo.
Horizontes o estratas resultantes del deterioro de la estructura:
Tosca. Nombre genérico que se da a cualquier capa endurecida (y/o cementada) que se ubica
normalmente en el subsuelo.
Duripan. Es una capa compactada y cementada con sílice y completamente impermeable al paso
del agua y las raíces. Se reconoce porque los fragmentos secos del duripan no se disgregan en agua.
Fragipan. Es una capa subsuperficial que tiene mayor densidad que las capas superiores; parece
cementado, y tiene una consistencia dura o muy dura cuando está seco. Sin embargo, cuando se humedece se pone quebradizo y se rompe bajo pequeñas presiones. Debido a su mayor densidad, presenta una permeabilidad lenta a muy lenta y se reconoce porque los fragmentos secos se disgregan en agua.
Tertel (Horizonte petrocálcico). Es una capa cementada con carbonato de calcio, extremadamente
dura, masiva y completamente impermeable al paso del agua y de las raíces, característica de zonas áridas y semiáridas.
Fierrillo. (Horizonte plácico). Capa delgada (algunos mm), muy dura, cementada Ion hierro y
materia orgánica que se encuentra en los suelos derivados de cenizas volcánicas que presentan mal drenaje (Ñadis).
Pie de arado. Característico de suelos agrícolas, se produce artificialmente por efecto de las labores mecanizadas. Su formación se atribuye a una compactación del suelo causada por el peso de la maquinaria e implementos agrícolas. Generalmente el movimiento del agua, aire y raíces se interfiere inmediatamente por debajo de la profundidad de aradura.
Sellado y encostramiento. Son dos fenómenos del mismo proceso, los dos se refieren a la
la gota de agua, por depósito de sedimentos finos, producto del escurrimiento superficial, por depositación eólica o por eflorescencia salina.
Cuadro 1.6 Corrección de problemas estructurales.
Problema Aradura profunda Subsolador (disco y vertedera)
"Slip plowing"
Duripanes No se usa Si la penetración100%
y el espaciado es adecuado, el mejoramiento es permanente.
Muy efectivo, y mezcla del suelo en toda la profundidad de trabajo.
Claypan y horizontes arcillosos de
permeabilidad lenta.
Buenos resultados Si no hay suficiente penetración ni fractura, el resultado es transitorio. Debe trabajarse en seco.
Idem.
Compactación artificial excesiva.
Rompe, suelta y mezcla.
Efectiva, pero puede dejar bloques compactos a la Da original.
Idem.
Estratificación Bastante efectiva debido a mezcla.
Inefectivo, se produce resellamiento.
Idem.
Fragipanes Efectiva si se trabaja en todo el espesor problema.
Fracturación parcial. Idem.
1.17.1.3 POROSIDAD
Corresponde a la porción de un volumen dado de suelo no ocupado por sólidos (es decir ocupado por gases o agua).
La porosidad permite espacios para el crecimiento de raíces y es muy variable en los suelos.
1.17.1.4 PESO
Esta propiedad tiene dos facetas la densidad aparente y la real.
1.17.1.4.1 DENSIDAD APARENTE
Es el peso del suelo por unidad de volumen del suelo inalterado, tal como se encuentra en su emplazamiento natural (figura 1.13).
1.17.1.4.2 DENSIDAD REAL
Figura 1.13 Densidad aparente y real del suelo.
1.17.1.5 COLOR DEL SUELO
Es una propiedad útil y fácil de determinar, aunque no tiene influencia directa en la funcionalidad o productividad del suelo y no afecta el crecimiento de las plantas, es indicativo de condiciones que si afectan el desarrollo de los cultivos.
El color del suelo puede deberse a condiciones que estén sucediendo actualmente o que ya pasaron, al material generador y estado de intemperización de los minerales.
1.17.1.6 PROFUNDIDAD
La profundidad efectiva del suelo es aquella hasta la que no existe una condición restrictiva que afecte el desarrollo del sistema radical (Estas restricciones pueden ser físicas o químicas).
1.17.2 PROPIEDADES SECUNDARIAS
• Expansión - contracción. • Capacidad de arraigamiento. • Drenaje y almacenamiento de agua. • Aireación.
• Temperatura.
• Capacidad de soporte.
1.17.2.1 CAPACIDAD DE ARRAIGAMIENTO
1.17.2.2 DRENAJE Y ALMACENAMIENTO DE AGUA
Esta propiedad esta relacionada con la capacidad que tiene el suelo para eliminar el exceso de agua del perfil, ya sea proveniente del riego o las precipitaciones.
La remoción del agua puede ocurrir en forma de escurrimiento superficial o percolación profunda.
1.17.2.3 AIREACIÓN
La aireación del suelo es la capacidad de éste para permitir el flujo de O2, está afectada por la textura, porosidad y contenido de agua del mismo
1.17.2.4 TEMPERATURA
Los procesos químicos, físicos y biológicos del suelo están fuertemente influidos por la temperatura y por lo tanto afectan igualmente la producción vegetal.
1.17.2.4.1 FACTORES EXTERNOS QUE INFLUYEN EN LA TEMPERATURA DEL SUELO
• Radiación incidente (solar y/o terrestre) • Temperatura del aire
• Humedad del viento • Velocidad del viento • Cubierta vegetal
• Rugosidad de la superficie
1.17.2.5 CAPACIDAD DE SOPORTE
Es la propiedad del suelo de recuperar su volumen inicial después de ser sometido a una compresión.
Varía con el contenido de humedad y esta ligado al contenido de M.O. y arcilla de los suelos
1.18 PROPIEDADES DINÁMICAS [1.4, 1.5]
Son aquellas que se manifiestan a través del movimiento del suelo y no pueden ser determinadas hasta que éste ocurra.
1.18.1 ESFUERZO EN SUELOS
El concepto de fuerza por unidad de área no tiene sentido en un medio tridimensional semi-infinito donde ni la dirección ni un área finita son fijas.
La mecánica de lo continuo, a sido aplicada con éxito en metales y fluidos que aparecen como sólidos en un nivel macroscópico pero tienen espacios vacíos en un nivel atómico. La diferencia entre la continuidad del suelo y la continuidad de un metal es una diferencia de grado más que de cualidad. Ya que un área finita es requerida cuando se trata de una masa de suelo, ya sea para medir o para manipulaciones físicas, asumir que es continuo parece ser justificado siempre y cuando el área más pequeña en discusión sea físicamente mucho más grande que los poros o los agregados individuales del suelo. El concepto de esfuerzo ha sido desarrollado satisfactoriamente para el suelo por autores como Bekker , Nichols y Payne.
1.18.2 DEFORMACIÓN EN SUELOS
La aplicación de una fuerza al suelo generalmente produce deformación o movimiento o ambos. Así como las fuerzas aplicadas al suelo deben ser descritas dentro y sobre el medio, la deformación debe ser tratada de igual forma. El procedimiento usual es definir una deformación en un punto dentro de un medio con suficiente detalle para que la deformación de cualquier punto alrededor pueda ser calculada relativamente al punto seleccionado. Muchas aproximaciones se pueden hacer para desarrollar expresiones de deformación en un punto, pero todas son basadas en el mismo principio. La posición y longitud de elementos de línea radiando de un punto son descritos en relación al punto antes de que la deformación ocurriera. El cambio en la longitud del elemento de línea es una medida de deformación lineal o longitudinal.
1.18.3 FUERZA DEL SUELO
Es la capacidad de un suelo en específico bajo una condición particular de resistir una fuerza aplicada, también puede ser definido como la capacidad del suelo para resistir la deformación.
1.18.4 CEDENCIA EN SUELOS
Las fallas en suelos son mucho mas complejas que en metales o en materiales quebradizos, debido a que los suelos se encuentran en la naturaleza desde casi líquidos hasta quebradizos.
Si el esfuerzo o deformación excede el valor de cedencia, el suelo de deforma, y los esfuerzos se redistribuyen o la carga disminuye o el suelo de vuelve mas fuerte y la cedencia ya no es excedida.
1.19 CLASIFICACION DE SUELOS (FAO - Food and Agriculture Organization) [1.6, 1.7]
Hay dos clasificaciones principales para los tipos de suelo, la de USA (Soil Taxonomy) y la de las Naciones Unidas, que es la que esbozaremos en su proyecto de 1988.
Hay que subrayar que la edafología tiene su origen en Rusia con la escuela de geografía de Dokuchaev y que esta clasificación y después sobre todo la alemana y francesa tuvieron bastante influencia pero hoy en día no tienen vigencia.
Cuadro 1.7 Grupos de la clasificación FAO.
Grupos de la clasificación FAO
Acrisoles Chernozems Kastanozems Plintosoles Alisoles Ferralsoles Leptosoles Podsoluvisoles Andosoles Fluvisoles Lixisoles Podzoles Anthrosoles Gleysoles Luvisoles Regosoles
[image:34.612.86.574.305.658.2]Arenosoles Greyzems Nitisoles Solonchaks Calcisoles Gypsisoles Phaeozems Solonetz Cambisoles Histosoles Planosoles Vertisoles Cabe mencionar que México cuenta con 25 de estos 28 grupos distribudos en el territorio nacional, 17 de estos se muestran en el mapa de suelos dominantes de la República Mexicana (figura 1.14.), siendo las de mayor extensión Leptosoles, Regosoles y Calcisoles.
1.20 REFERENCIAS:
[1.1] Wikimedia Foundation, Inc. (2006) ‘Edafología’. Estados Unidos. Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Edafolog%c3%ADa
[1.2] Honorato P., Ricardo. Manual de edafología. Alfaomega, 2000, págs. 13-125. [1.3] Foth, Henry D. Fundamentals of soil sciences. John Wiley & sons, 1990, págs. 22-52. [1.4] Gill, William R. Agriculture handbook 316. ASABE, 1968, págs. 14-54.
[1.5] Finkl, Charles W. Encyclopedia of soil sciences. Academic Press. 1979, págs. 462-469. [1.6] Wikimedia Foundation, Inc. (2006) ‘Tipos de suelo’. Estados Unidos. Disponible en
http://es.wikipedia.org/wiki/Tipos_de_suelo
TIPOS DE HERRAMIENTAS DE LABRANZA
Las herramientas de labranza (aperos) son aquellas que se usan para el laboreo del terreno en el cual se va a sembrar. Este capitulo tiene como objetivo dar a conocer los tipos de aperos que existen y ya que el canal propuesto sirve para evaluar el desempeño de estos, es importante saber como funcionan y para que se usan.
2.1. OBJETIVOS DEL LABOREO DEL TERRENO [2.1, 2.2]
Por laboreo del terreno se entiende el conjunto de operaciones realizadas con equipos mecánicos, encaminadas a conseguir un mejor desarrollo de las semillas y de las plantas cultivadas. Dentro de los múltiples objetivos que se persiguen con el laboreo, se tienen los siguientes:
a) Esponjamiento del suelo, que permita la aireación y el almacenamiento de humedad.
b) Volteo de la tierra, para el enterrado de malas hierbas y sus semillas, de parásitos en general, así como de productos fertilizantes y antiparasitarios.
c) Mezcla de la tierra, para la distribución uniforme de sus partículas, de los elementos nutritivos y de la humedad en la totalidad del volumen labrado.
d) Configuración de caballones, surcos, etc., por necesidades del cultivo, o de la reducción de la erosión en terrenos en pendiente.
Estas labores son necesarias para contrarrestar los desequilibrios introducidos en el suelo con el cultivo (debidos al hecho de cubrirlo con una sola especie de plantas, y a dejarlo sin ninguna cubierta vegetal durante cierto tiempo), pero pueden ser causantes de un apelmazamiento o compactación del mismo, debido al frecuente paso de los tractores, que puede llegar a ser grave en determinadas circunstancias. [1]
2.2. ARADO Y SUELO [2.1, 2.2]
Al introducirse la reja de un arado en el terreno (figura. 2.1), y realizar el corte de un prisma continuo de tierra, éste se rompe en diferentes capas por la formación de grietas primarias y después en fracciones (grietas secundarias), con lo que resulta desmenuzado, efecto que termina de realizarse al ser volteado mediante la vertedera (figura 2.2).
Quedan así teóricamente los prismas de tierra (de sección: p, profundidad, multiplicada por a, anchura) invertidos y apoyados cada uno en el anterior, siendo alfa el ángulo de volteo y resultando una aireación máxima para alfa=145°, aunque normalmente se tienen valores del orden de 135° a 140°.
En la realidad, ya se ha visto que el prisma volteado se desmorona, quedando el surco como se indica en la figura 2.3.
Figura 2.1. Desmenuzamiento del suelo por la acción del arado.
Figura 2.2. Volteo del prisma de tierra.
Se define la resistencia específica del terreno μ como la fuerza de tracción necesaria para realizar una labor, por unidad de sección de la misma, expresándose en KPa:
F
μ
=
S
El valor de la resistencia específica depende de la naturaleza y de las condiciones del terreno, especialmente de la humedad, así como del tipo de apero y de su forma de trabajo. Para aquellas condiciones en que la resistencia especifica es mínima para un suelo dado, se dice que hay tempero.
2.3. TIPOS DE APEROS DE LABRANZA [2.1, 2.3]
Los aperos se clasifican según:
a) Su forma de funcionamiento b) Su acoplamiento al tractor c) La labor que realizan
a) Atendiendo a su forma de funcionamiento, se distinguen aperos:
de vertedera reversibles
Arados
de disco
irreversibles (fijos)
de púas
Gradas
de discos
desterronadoras
No accionados Cultivadores
Rastras
Rodillos
⎧
⎧
⎧
⎨
⎨
⎪
⎩
⎩
⎪
⎪
⎧
⎪
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎩
de eje transversal (las fresadoras o"rotovátors"usuales)
Fresadoras
de eje vertical
de eje longitudinal
Azadas mecánicas
Accionados
de vertedera rotativa
Arados
acaballonadores accionados
de discos accionados
Gradas
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
de púas oscilantes
b) Según el acoplamiento al tractor, se distinguen los siguientes tipos de aperos (figura 2.4):
- Arrastrados o remolcados: Son aperos enganchados al tractor en un solo punto y nunca
soportados totalmente por el mismo.
- Semisuspendidos: Son básicamente aperos suspendidos, pero con apoyo sobre una rueda trasera.
[image:39.612.173.484.194.523.2]- Suspendidos: Son aperos acoplados al tractor en el enganche en tres puntos, de tal forma que son completamente soportados por aquel en su posición elevada.
Figura 2.4. Distintas formas de montaje de los aperos al tractor.
c) Según la labor que realizan los aperos, se distinguen los tipos siguientes:
- Aperos de alzar o primarios, los cuales realizan labores profundas (20-35 cm) en la preparación del suelo para la siembra o el paso del invierno. Incluyen los arados de vertedera y de discos, escarificadores, e incluso aperos accionados.
- Aperos para labores complementarias o secundarias. Realizan el cultivo de la capa superficial (hasta unos 15 cm), como el enterrado de rastrojo, la preparación secundaria para la siembra, el cultivo entre líneas, etc. Comprenden las gradas, cultivadores, rastras, rodillos, fresadoras y azadas mecánicas.
2.4. FORMA DE TRABAJO DE LOS ARADOS FIJOS Y REVERSIBLES [2.1]
Con los arados fijos, el volteo del prisma de tierra se produce siempre hacia un mismo lado. Con un arado reversible se puede voltear hacia un lado o hacia otro indistintamente, con lo que se puede labrar de forma continua girando tractor y arado en las cabeceras, desde un extremo de la parcela al otro.
Las ventajas de un arado reversible son evidentes, por la forma de trabajo y por el mayor peso que gravita sobre el arado. Su mayor desventaja es el aumento de precio que supone un doble juego de elementos de trabajo.
2.5 ARADOS PARA LA PREPARACIÓN DEL TERRENO [2.1, 2.2]
Antes de entrar en el estudio de otros tipos de arados, vamos a considerar los que se dedican a la preparación y saneamiento del terreno, como son los subsoladores y escarificadores.
Los arados subsoladores y escarificadores están compuestos por uno o varios brazos de material pesado y resistente, que trabajan a una profundidad superior a la de laboreo normal para mejorar la penetración de agua en el suelo, el drenaje y la penetración de las raíces (figura 2.5).
Los trabajos para los que se usan son: desfondes, roturaciones, drenaje, despedregado, destoconado (rompiendo raíces para que después un bulldozer arranque el tocón).
[image:40.612.195.461.397.623.2]Las rejas son de perfil rectangular o trapecial, de acero especial resistente al desgaste.
Figura 2.5. Arado subsolador de dos rejas.
Figura 2.6 Distintas formas que puede adoptar el brazo de un arado subsolador.
La labor de subsolado interesa realizarla cuando el suelo está relativamente seco, ya que en caso contrario las grietas abiertas en el terreno compactado pueden volverse a cerrar.
En general, los arados escarificadores son más ligeros y trabajan a menos profundidad que los subsoladores. Dentro de los primeros, podemos distinguir los de tipo «chisel» (figura 2.7), que trabajan a profundidades análogas a las de los arados de vertedera, removiendo la tierra, pero sin voltearla.
En algunos casos, para labores de drenaje, se sitúa detrás de la reja subsoladora un cilindro de acero en forma de bala de cañón, denominándose «arado topo» (figura 2.8), que va abriendo en el terreno un tubo a la profundidad deseada. Este tipo de drenaje, de duración limitada, es más eficaz en terrenos plásticos; en terrenos sueltos el efecto es prácticamente nulo.
Figura 2.7. Arado escarificador tipo chisel.
2.6 ARADOS DE VERTEDERA [2.1, 2.2, 2.4, 2.5]
Las labores que realiza son: inversión de la capa arable y pulverización de la misma, cuyos efectos agronómicos pueden resumirse en:
- Aumento del volumen de poros.
- Mayor capacidad de almacenamiento del agua. - Enterrado de restos orgánicos.
- Enterrado de parásitos.
2.6.1 TIPOS DE VERTEDERAS
Las vertederas son las piezas del arado que elevan, pulverizan y voltean un prisma de tierra, que previamente ha sido cortado por la reja.
En la superficie de la vertedera existen dos zonas bien diferenciadas por su cometido: 1) Frente.
2) Ala.
La primera de ellas tiene como misión continuar el proceso de rotura del terreno iniciado en la reja, pulverizando los fragmentos del suelo resultantes de la acción de ésta e iniciando el volteo del mismo (figura 2.9.1).
Por lo que al ala se refiere, su misión fundamentalmente es conducir las partículas para depositarlas junto al surco contiguo, es decir, realiza el volteo, que será más o menos suave según su forma y la velocidad de trabajo.
A medida que el prisma va avanzando sobre la superficie de la vertedera va produciéndose el volteo, como muestra la figura 2.9.2, en la que puede observarse que los ángulos indicados de las tangentes se hacen cada vez mayores a medida que nos aproximamos al extremo del ala.
En el perfil existen cuatro tramos fundamentales, cuyas funciones son las siguientes (figura 2.9.3): AB.-Borde de la pared del surco. Esta línea debe estar contenida en un plano próximo al de la pared del surco. En los cuerpos de arado donde no existe cuchilla, el corte vertical se realiza precisamente en este tramo, constituyendo además una de las zonas de mayor desgaste.
BD. Perfil superior. Constituye la guía del prisma de tierra sobre la vertedera para los valores máximos de anchura, profundidad y velocidad de trabajo. Debe ser diseñado de tal forma que impida que la tierra lo sobrepase, ya que en este caso quedaría sucio el fondo del surco, yendo en detrimento de la calidad de la labor.
EA.-Línea de unión con la reja. Debe ser perfectamente recta, así como la reja, de modo que una se acople perfectamente a la otra. Cualquier desnivel que exista entre ambas puede tener como consecuencia un aumento de la resistencia, en el caso de que sobresalga la vertedera sobre la reja, o bien la adherencia de partículas de suelo en esa zona, en caso contrario.
Figura 2.9 Partes del arado de vertedera
Figura 2.10. La distancia entre DE y MN debe ser tal que permita alojar el volumen de suelo desplazado sin producir arrastre.
Los materiales utilizados en la construcción de vertederas han de adaptarse a los distintos tipos de suelos sobre los que van a trabajar. Debido a las acciones a que está sometida la vertedera, ésta debe poseer unas características adecuadas de resistencia al desgaste, así como a las cargas a que con frecuencia está sometida.
Un material bastante empleado es el acero «triplex» de alma blanda, el cual consta de tres capas, las exteriores, templadas, son resistentes al desgaste, mientras que la central proporciona la suficiente elasticidad para que la pieza no se fracture.
2.6.2 CLASIFICACIÓN DE LAS VERTEDERAS
A pesar de la gran diversidad de formas existentes, podemos establecer, por lo que respecta a su geometría, tres tipos fundamentales:
a) Cilíndrica. b) Universal. c) Alabeada.
a) Corresponden al tipo cilíndrico (figura 2.11a) todas aquellas vertederas cuyas líneas de forma horizontales, que son rectas, se mantienen paralelas en toda la superficie a la línea de unión con la reja.
Por lo que a su forma de trabajar se refiere, la banda de tierra cortada tiende a seguir una trayectoria helicoidal, como si tratara de enroscarse en el cilindro. En estas condiciones, como el camino recorrido en una rotación es relativamente corto para las partículas situadas en la parte superior y, por tanto, más cercanas del eje del cilindro que aquellas situadas en la base del prisma, ocasiona una serie de tensiones internas en la masa de tierra que provocan su rotura.
Estas vertederas tienen características disgregantes y, en consecuencia, a la buena pulverización del suelo. Esto trae consigo una labor uniforme y llana en la que el terreno queda bien esponjado, con una buena distribución de poros capaces de almacenar el agua de lluvia necesaria para los cultivos. Sin embargo, no son adecuadas para velocidades de trabajo elevadas.
b) Las llamadas vertederas universales (figura 2.11b) son aquellas que se componen de dos zonas diferentes; la primera corresponde al frente, de forma cilíndrica, y la segunda al ala, con forma alabeada, realizando dos trabajos combinados, pulverización y volteo. Estas piezas son utilizadas en zonas con mayor pluviometría que para el caso de las cilíndricas, en la cual uno de los objetivos principales del laboreo con este tipo de vertederas es el total enterrado de las malas hierbas durante la labor de alzada.
Como mejor podemos ver el aspecto de la pieza es observando las líneas de forma transversales (figura 2.11b). El paralelismo de éstas se mantiene hasta el final de la línea de unión con la reja; a partir de ahí vemos cómo se van enderezando formando un abanico, que ayuda considerablemente al volteo del suelo.
c) En las vertederas alabeadas (figura 2.11c), el prisma de tierra apenas es desmenuzado y sí totalmente volteado; dicho volteo se realiza en una longitud superior al de las cilíndricas y universales, de ahí que las alabeadas sean más alargadas que las anteriores.
Figura 2.11. Tipos de vertederas: a) cilíndrica; b) universal; c) alabeada.
Con respecto al grado de inclinación, se clasifican en: - Empinadas.
- Semiempinadas. - Tendidas.
Las vertederas empinadas (figura 2.12a), por lo general tienen un elevado ángulo de ataque de la reja; se utilizan para labores profundas y velocidades de trabajo comprendidas entre 4 y 6 km/h; podemos decir que están ligadas a las vertederas cilíndricas.
Las vertederas semiempinadas (figura 2.12b) corresponden a un tipo intermedio entre los dos extremos. Se utilizan para labores de pulverización y enterrado de hierbas; la profundidad de trabajo es inferior a las anteriores, estando las velocidades comprendidas entre 5 y 7 km/h.
Por lo que a las vertederas tendidas (figura 2.12c) se refiere, están ligadas a las helicoidales; su longitud, comparada con la anchura, es mayor que las dos anteriores. Son vertederas típicas de realizar volteo. Las velocidades de trabajo están comprendidas entre 6 y 9 km/h, siempre y cuando para este último caso la tierra no sea lanzada a gran distancia. Debido a la mayor superficie de contacto con el suelo y sobre todo a la velocidad, requieren una mayor fuerza de tracción y, en consecuencia, absorben mayor potencia. No obstante, es el suelo quien en último caso, condiciona esta resistencia.
Figura 2.12. Tipos de vertederas según su inclinación.
tipo de arado permite una menor distancia entre cuerpos para realizar una labor correcta, sin obstrucciones ni embozamientos; además, posibilita la adaptación de ruedas de gran anchura al surco, evitando la compactación lateral que se venía realizando en una labor rectangular.
Figura 2.13. Vertedera partida. Figura 2.14. Vertedera discontinua.
Figura 2.15. Vertedera rombal. Figura 2.16. Comparación entre las labores rectangular y rombal.
2.6.3 ELEMENTOS DEL ARADO DE VERTEDERA
A continuación se describen los tipos y funcionamiento del resto de las piezas del cuerpo del arado (figura 2.17).
[image:46.612.84.572.517.736.2]
