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Una orquesta de músicos ejecutando, aves batiendo sus alas y la mitosis celular son ejemplos del dinamismo de la naturaleza, derivado en el fenómeno universal de la sincronización, uno de los comportamientos más dominantes.

“El principal secreto para que exista el fenómeno de sincronización es un canal de comunicación, llamado acoplamiento, que permita a los sistemas interactuar entre sí por medio de la transferencia de energía. Como resultado de dicha interacción los sistemas `coinciden’ en el tiempo, es decir se sincronizan”, dijo el Dr. Jonatan Peña, investigador de Dinámica y Control, de la División de Física Aplicada del CICESE, quien experimenta con la sincronización de sistemas físicos acoplados por un medio flexible.

Aunque se descubrió en 1665 por el científico Christiaan Huygens, el análisis de la sincronización resulta algo nuevo desde el aspecto de investigación, ya que después de 350 años no existe un análisis matemático riguroso que muestre por qué los péndulos de dos relojes (dos sistemas físicos independientes) se sincronizan cuando se encuentran en una misma estructura. “Nosotros estamos dando los primeros pasos hacia allá”, mencionó Peña.

En una ocasión, cuando el Dr. Peña visitó Zacatlán, Puebla, conoció un laboratorio único donde la sincronización emana en cada rincón: una empresa fabricadora de relojes, con experiencia de casi 100 años en creación de estas máquinas marcadoras de pulsos.

Al reunirse con los dueños de Relojes Centenario, el Ing. José Luis Olvera y sus hijos Alberto y José Luis, quienes dirigen la empresa y el museo, encontraron atractiva la investigación para complementar su legado familiar con respaldo científico.

El análisis de Peña, hecho en el posdoctorado que realiza en el CICESE, ha ido desencadenando sucesos importantes tanto para la ciencia básica como para procesos de eficiencia en ingeniería, incluso en la industria relojera. La sincronización de péndulos de dos relojes es considerado como “romper un paradigma”, algo que no se creía posible: los relojeros han logrado que dos relojes marquen la misma hora, pero no que sus péndulos oscilen de manera sincronizada.

La simpatía del tiempo – El experimento

La sincronización de dos relojes de péndulo, es un experimento clásico. Huygens fue el primero en observarla, encontrando que la tabla de madera sobre la que estaban colgados era responsable de la comunicación entre ambos relojes; es decir, a través de la tabla los relojes intercambiaban energía y se sincronizaban. Huygens llamó a este fenómeno “la simpatía de los relojes de péndulo”.

Para estudiar el fenómeno en su más simple expresión, Peña trabaja en laboratorio con un modelo reminiscente al de Huygens. Consiste en el acoplamiento de varios metrónomos colocados en dos grupos. A través de una estructura flexible de madera, el acoplamiento entre los metrónomos se da mediante un resorte.

La rigidez de ese resorte, como canal de comunicación, es la clave de la sincronización. Qué tan rígido o flexible es el resorte determina si la comunicación entre ellos será fuerte o débil.

La idea del experimento es que los metrónomos inician en diferentes posiciones y después de cierto tiempo converjan al movimiento sincronizado por la transferencia de energía entre ellos. Aunque el péndulo de un metrónomo esté detenido, después de cierto tiempo, la fuerza cadenciosa de los otros metrónomos influye en él, lo domina, y hace que vuelva a oscilar hasta llegar al punto de la sincronización.

Peña desarrolló un modelo matemático que permite reproducir las mediciones de los péndulos. Y justamente, la reproducción de esta sincronización es una función más del experimento: poder reproducirla en otros sistemas, como biológicos, químicos y físicos, con el objetivo de controlarla y aplicarla de manera eficiente.

El experimento con metrónomos es una versión simplificada del experimento con relojes de péndulo que se encuentra en exhibición en el Museo del Reloj, de Relojes Centenario, en Zacatlán, Puebla.

“Es como brujería”

Durante 2014, Peña contactó al arquitecto Alberto Olvera Cárdenas, gerente del área de producción. Tras explicarle Peña todo sobre la teoría de sincronización de péndulos de Huygens, el arquitecto decidió apoyar la investigación en la parte práctica con una versión moderna del experimento: fabricaron dos relojes de péndulo idénticos, así como la base flexible de madera bajo las precisiones estudiadas por Peña.

“Es como brujería”, declaró el arquitecto Olvera al ver que los relojes se sincronizan, evento que consideraba imposible. El arquitecto había intentado realizar la sincronización de relojes con anterioridad, a través de sensores que los ajustaran a exactitud, pero al final siempre fallaba algo y no se movían al unísono.

Como relojeros, la familia Olvera considera de suma importancia exhibir en el museo este tipo de investigaciones científicas, ya que representa un gran atractivo para los visitantes de instituciones educativas y turísticas, sectores con lo que se encuentran comprometidos. El siguiente reto para Relojes Centenario y los doctores Peña y Joaquín Álvarez (investigador y asesor de tesis de Peña) es sincronizar cuatro relojes de péndulo.

Ciencia básica

Por ser un área de ingeniería, para el Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE, conocer detalladamente los fenómenos físicos más básicos como la sincronización, representa la capacidad de innovar diseños de sistemas para hacer más eficiente su desempeño.

Ya sea por la necesidad de accionar simultáneamente sistemas de robots o vehículos, así como tareas complejas de la industria de la manufactura o telecomunicaciones, la sincronización de sistemas permite desarrollar estrategias de control. El conocer el fenómeno permite reproducirlo para llevarlo a sistemas biológicos, químicos, electrónicos, entre otros.

“Como ingenieros necesitamos entender el fenómeno en la manera más natural: por qué se da, cuáles son los elementos que lo conforman, bajo qué condiciones se puede tener cierto tipo de sincronización”, afirmó el Dr. Joaquín Álvarez. En ese aspecto, aunque el fenómeno de la sincronización (basado en el péndulo mecánico) sea muy simple, es importante porque se encuentra en conjuntos amplios de ingeniería.

Para el Dr. Álvarez la difusión del quehacer científico es un objetivo muy importante. En su opinión, la expansión de lo que hacen día a día y las innovaciones que se logran dentro de la investigación necesitan salir de los laboratorios. “¿Qué mejor lugar que un museo en donde se exhiban nuestros resultados?”, concluyó.

En marzo de 2016, el artículo de la investigación fue publicado en la revista Nature, teniendo gran impacto a nivel internacional. Para leer el artículo… http://bit.ly/1N9BfYv


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