En la revista Materials & Design, publicación que da cuenta de algunos avances más importantes en ciencias de los materiales en el mundo, la académica del Departamento de Sonido, prof. Carolina Espinoza, publicó este artículo científico, que desarrolló en el marco de su investigación postdoctoral que cuenta con financiamiento del Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (FONDECYT). Este trabajo lo realizó en conjunto con Sebastián González, físico y luthier actualmente investigando en el Laboratori di Acustica Musicale del Museo del Violino (Cremona, Italia).
“En mi proyecto postdoctoral sobre el estudio de instrumentos musicales modificados a partir de metamateriales mecánicos, mi interés era expandir sus posibilidades sonoras e interpretativas de instrumentos musicales. Este trabajo se enriqueció y tomó un nuevo rumbo, cuando Sebastián planteó la problemática de variabilidad de la madera en la construcción de instrumentos tradicionales gracias a su experiencia en luthería”, señaló la profesora destacando que, en ese momento, sus esfuerzos se concentraron en modificar las propiedades de la madera típicamente utilizada en la construcción de placas armónicas de guitarras acústicas.
“Nuestro objetivo era controlar esta variabilidad y abrir paso al mejoramiento de maderas poco apreciadas en la construcción de instrumentos”, indicó la prof. Espinoza. La construcción de estos instrumentos están sujetos a las propiedades mecánicas de la madera, que a su vez se enfrentan a diversas condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura y los nutrientes, que han hecho que este material, haya sufrido importantes cambios en los últimos años, especialmente por el calentamiento global.
“Los y las luthieres tienen una experiencia invaluable reconociendo el valor del material con el que trabajan. Tienen muy presente el problema de la variabilidad y por lo mismo entrenan su habilidad para determinar qué maderas darán paso a un instrumento de calidad. Saben reconocer densidades y elasticidades útiles. Han desarrollado técnicas percusivas que les ayudan a identificar sus tonos, distinguen su calidad a partir de inspecciones visuales mirando la superficie de las placas y el ángulo de las vetas en sus bordes”, sostuvo la académica añadiendo que, luego de elegir el material, lo conservan en determinadas condiciones de humedad y temperatura, evaluándolo constantemente.
En el proceso la fabricación de guitaras, “juegan con ciertos parámetros como el barraje armónico, que les permite manipular las propiedades efectivas de la placa armónica como una estructura completa. Todo esto corresponde a una herencia cultural que se comunica con la tradición”, comentó la profesora. Sin embargo, no todos los y las luthieres tienen acceso a las mismas maderas, y por lo tanto las diferentes regiones generan conocimientos localizados enfocados en sus recursos naturales.
En ese contexto, la propuesta de esta publicación apuntó a “lograr manipular la variabilidad cuando esta no responde a los estándares de calidad buscado por los expertos/as. Mirando de manera más global, nos parece interesante estudiar en un futuro maderas locales con el fin de transformarlas en maderas para luthería”, indicó.
Las técnicas para manipular las propiedades mecánicas de la madera
La madera es un material complejo en la construcción de instrumentos musicales. “Su respuesta ante la aplicación de fuerzas no es la misma en todas las direcciones, y esto está relacionado con la estructura de los árboles. Este material crece según sus necesidades mecánicas, no las nuestras. Y estas respuestas de la fuerza, que se cuantifican por parámetros llamados ‘módulos de elasticidad’, que son parámetros sensibles en la construcción de instrumentos musicales tanto por su influencia en sus propiedades acústicas, como en su integridad mecánica”, explicó la prof. Espinoza. Otro factor importante es la densidad, que influye en cuánto se moverán ciertas partes del instrumento, desplazando aire y generando sonido.
En esta investigación se centró principalmente en metamateriales mecánicos sintonizables, cuyas propiedades elásticas “cambian cuando se deforman sus estructuras. Como una primera exploración, probamos el traspasar estos diseños a placas delgadas de Abeto Engelmann, madera típicamente utilizada en la fabricación de tapas armónicas”, comentó la profesora. En la investigación establecieron una geometría parametrizada, “cuyos parámetros podíamos cambiar de manera controlada con el fin de observar sus efectos en las propiedades mecánicas de las placas”, añadió.
Este estudio comenzó a partir de simulaciones numéricas, que permitió a la y los investigadores poder identificar diferentes formas de calar la madera para poder controlar sus parámetros de densidad y elasticidad efectivas. “Así, encontramos por ejemplo que para una misma densidad efectiva, dependiendo de los parámetros de la geometría, podíamos barrer una amplia gama de elasticidades”, destacó la académica. En este proceso les acompañó el estudiante Emir Chacra, quien “sistematizó los estudios numéricos en su tesis de Magíster en Ciencias de la Ingeniería mención Matemáticas Aplicadas (FCFM), y que hoy trabaja en algoritmos de optimización que permiten encontrar la estructura necesaria para alcanzar un set de parámetros determinado”, señaló.
Una vez que obtuvieron resultados robustos, la y los investigadores pasaron a una fase de estudios experimentales. “Este es un trabajo que continúa. Partimos haciendo agujeros de madera en un trabajo que giraba en torno a la ciencia de los materiales y la física. Ahora debemos construir los instrumentos, estudiar sus efectos acústicos y estructurales”, comentó la prof. Carolina Espinoza. En esta parte del proceso de investigación, han recibido diversas colaboraciones de otros académicos y estudiantes que se han sumado a esta iniciativa, como es el caso del docente del Departamento de Sonido, prof. Nicolás Quinteros, el apoyo de la Licenciada en Física (FCFM), Fernanda Blanc y los estudiantes Cristóbal Fariña, de la carrera de Ingeniería en Sonido y Claudio Carreño, estudiante de Plan Común de Ingeniería (FCFM) y luthier.
La académica destacó que los alcances de este trabajo pueden ir más allá en el campo de la arquitectura y el diseño. “Nosotros apostamos a que a partir de este conocimiento es posible determinar formas óptimas de crear diseños en madera, de manera que paneles con estructuras periódicas puedan cumplir tanto fines estéticos, acústicos como estructurales”, concluyó la académica.
Posteriormente a esta publicación en la revista Materials & Design, se sumó el artículo "Using Mechanical Metamaterials in Guitar Top Plates: A Numerical Study” en la revista Applied Sciences. Este artículo, encabezado por el físico Mattia Lercari con colaboración de la prof. Carolina Espinoza, lo desarrolló para obtener el magíster en "Music and Acoustic Engineering" en el Politecnico di Milano. Su investigación estudia numéricamente los efectos de aplicar estas placas en guitarras.
