Ir a página principal SOBRE PIEDRAS, ÁRBOLES Y NÚMEROS
Decía Aristóleles al hablar de los principios del arjai, que la naturaleza está hecha de números, y acertada era su intuición, ya que a pesar de otorgar a estos elementos un elevado valor metafísico, el maestro de la lógica supo ver en el siglo IV A.C, que más allá de las apariencias externas, la esencia de las cosas estaba establecida por patrones númericos ocultos a la vista, y si eran numéricos, debían ser también deterministas.
Opino que incluso hoy en día no deberíamos olvidar la validez de estas palabras, porque una vez liberadas de su carga mística representan una de las mayores seguridades en que basar el conocimiento humano... Pero confieso que mi pensamiento estaba muy lejos de estos temas cuando el otro día, a media mañana, sonó el teléfono en la mesa del despacho...
...Pues resulta que trabajo en un gran edificio de oficinas situado en una plaza de una zona residencial, y ese día, cerca del extremo del ala de poniente, unos albañiles que estaban realizando obras en el muro del jardín de un chalet vecino advirtieron que uno de sus camiones dando marcha atrás había roto la tapa de un cuadro eléctrico adherido al mismo. Me llamaron a mi porque este cuadro es el que controla el encendido de las luces de la plaza, y por un convenio con el Ayuntamiento, nuestros servicios técnicos son los encargados de su mantenimiento.
Al poco rato regresé con una cámara fotográfica, y ante la extrañeza del albañil, que debió pensar que no me encontraba en mis cabales, comencé a hacer fotos de las losas del muro, especialmente de aquellas que según él "estaban manchadas". Las dentritas mostraban cadencias de crecimiento semejantes a troncos, ramas y hojas de pequeños árboles y arbustos, aunque era evidente de que no se trataba fósiles y el proceso era el resultado de la penetración a través del substrato de agua muy mineralizada y, posiblemente, de un ataque químico con posterior formación de cristales diferenciados.
Cuatro grupos de dentritas que muestran la losas del muro en cuestión
Antes de irme supongo que rematé la opinión del albañil sobre mi persona al pedirle si podría recoger unos cuantos trozos de piedra más pequeños que tenía tirados por el suelo. Pese al polvo y restos de cemento elegí los que me parecían más prometedores y los guardé en una bolsa para limpiarlos al llegar a casa.
Al poco de hablar con un par de compañeros aficionados a la geología averigüé que se trataba de dentritas de Pirolusita, que químicamente es un dióxido natural de manganeso, soluble en agua, que durante miles de años se ha ido introduciendo en el material más poroso de la piedra base. Las causas de tal acción son muy diversas, pero básicamente tienen que ver con reacciones de equilibrio entre elementos químicos, siempre condicionados por las presiones orogénicas y las pautas de cristalización.
También me comentaron que resulta muy difícil distinguir los distintos óxidos de manganeso, especialmente si la Pirolusita está mezclada con otros como la Criptomelana o la Romachedita. En este caso se nota además la presencia de difusiones de hierro, posiblemente Limonita, que se diferencian del manganeso por su color marrón. El albañil me había comentado que aquellas losas eran llamadas de "piedra alemana", lo que lejos de ser una denominación genérica indica realmente su procedencia. Entre los técnicos es también conocida como Piedra Solnhofen y se extrae de canteras de la región de Baviera. Bajo el punto de vista geológico es una caliza sedimentaria de gran dureza, de unos 200 millones de años de edad, con características de resistencia semejantes al granito, aunque a igual que la pizarra presenta una cierta exfoliación, con grosores naturales medios entre 5 y 20 mm. Naturalmente, al ser producto de la sedimentación de estratos, también es normal la presencia de verdaderos fósiles de la época de los dinosaurios, desde pequeños equinodermos hasta esqueletos de cangrejos-herradura o aves del tipo Pterosaurio.
Ignoro si en España existen canteras de este tipo de piedra, pero en cambio si son frecuentes los minerales de manganeso, habiendo sido muy explotados desde la segunda mitad del siglo XIX hasta la primera mitad del XX, aunque actualmente muchas minas están cerradas a causa de la desfavorable competencia de costes con los países africanos.
En cuanto a su uso, la industria de aceros especiales de alta dureza absorbe casi toda la producción de este metal en forma de silicatos y carbonatos, mientras que sus óxidos y peróxidos se utilizan en la fabricación de pilas eléctricas y como colorantes de productos inorgánicos tales como vidrios o tejidos.
Formas "vegetales" en piedras, electricidad y microbiología... es decir, fractales
Hasta aquí la anécdota y la descripción geológica, pero en realidad no fue sólo la forma de las dentritas lo que despertó mi curiosidad, si también los motivos que subyacen debajo de ellas. En una tienda de material de construcción también me comentaron equivocadamente que las "manchas eran fósiles de plantas", lo cual no por errado es demasiado condenable, porque para cualquier profano resulta "evidente" la semejanza de estas imágenes con pequeños arbustos. Pero entonces podemos preguntarnos ¿A que se debe que un proceso puramente geológico y un vegetal puedan tener una similar morfología? La respuesta es muy simple: porque pese a ser físicamente muy distintos, tanto en materiales como en naturaleza de los procesos que los forman, resulta que ambos siguen parecidas pautas matemáticas de ejecución. Habitualmente obedeciendo a leyes muy simples cuya aparente complicación de resultados se debe a la iteracción, es decir, a que el resultado afecta a los siguientes de forma creciente y sucesiva. Un vegetal, por ejemplo hace crecer sus hojas con un patrón que maximiza la cantidad de luz que pueden recoger, y eso no ocurre porque la planta sea "inteligente" o algún "ser superior" haya planeado que sea así, sino porque por mutaciones aleatorias sucesivas las plantas que adoptaron esta disposición pudieron acelerar su metabolismo y crecer más rápido que las demás, a las que por otra parte, sumían en su propia sombra aumentando la diferencia de crecimiento. En el caso de las dentritas, la difusión a través de la piedra Solnhofen que le sirve de sustrato está también regida por acciones inhibidoras, como reacciones químicas y leyes de presión, ya que cada una de las infiltraciones crea una zona de presión positiva diferencial a su alrededor que aleja las filtraciones vecinas, obligando a que si quieren crecer vayan divergiendo hacia zonas periféricas, a igual que una rama cargada de hojas hace con sus semejantes.
En la primera de las imágenes anteriores podemos observar patrones parecidos en una deposición de zinc en un baño electrolítico, ya que cada rama cristalizada disminuye la concentración de solventes a su alrededor, alterando la formación de cristales cercanos. De la misma forma se reproducen algunas colonias de bacterias, luchando por la disponibilidad local de nutrientes, que a igual que las hojas con la luz, representa el premio a la eficacia en la selección natural. Las descargas eléctricas, tanto las libres en aire ionizado como las figuras de Lichtenber sobre placas de cristal, presentan también las mismas pautas, en este caso condicionadas por las creación de caminos iónicos y las repulsiones entre cargas próximas.
Y en este punto debemos introducir un término que a buen seguro muchos de vosotros estáis pensando desde el principio. Se trata de "fractal", y se refiere a una amplísima familia de objetos gráficos cuya compleja estructura suele estar generada por fórmulas matemáticas de gran sencillez.
Formas biológicas naturales con aspecto fractal
El término deriva de la palabra latina "fractus", y fue adjudicado por el matemático polaco-francés Benoit Mandelbrot en 1975 a esas formas quebradas de complejidad aparentemente infinita que tras haber sido sugeridas anteriormente por otros matemáticos como Gaston Julia, podían representarse por primera vez en las pantallas de los ordenadores. En su definición, el término fractal implica una relación de autosemejanza con independencia de la escala que se observe, pero muchos fractales son en realidad cambiantes con la escala, como por ejemplo el más famoso e intrincado de ellos, que nació precisamente de la propia genialidad de este personaje: el Conjunto de Mandelbrot.
Mandelbrot estaba entonces estudiando las variaciones en las pautas de distribución de las rentas entre ciudades y capas sociales de Estados Unidos cuando fue invitado por el eminente profesor de economía de Harvard, H. Houthakker, a pronunciar una conferencia en el Littauer Center. El día prefijado se dirigió al campus, y al entrar en el aula de Houthakker se sobresaltó al ver que los resultados de sus estudios estaban reflejados en forma de gráficos en la pizarra.
Al escuchar el comentario, el profesor demostró la misma sorpresa que su invitado y le respondió que aquellas curvas no tenían nada que ver con las rentas entre distintas ciudades americanas, ya que sólo representaban la evolución del precio del algodón en los últimos ocho años.
Esta extraña asociación podría causar extrañeza si no hubiéramos explicado antes las similitudes en el comportamiento de elementos tan dispares como las piedras, la electroquímica y las bacterias. Mandelbrot comenzó a interesarse por otros sistemas dinámicos que presentan una gran variabilidad. Estudió la distribución del ruido en los sistemas de transmisión, elemento realmente importante para las comunicaciones digitales entre los primeros ordenadores, ya que condiciona la máxima velocidad de transferencia que el sistema soportará sin dar errores. Siguió analizando las pautas en el comportamiento impredecible los precios del algodón, que recopiló desde 1800, y sus similitudes con cosas tan dispares como las crecidas del Nilo durante milenios, la distribución de palabras en un texto literario, o la forma de las montañas y las nubes. En 1982 publicó The Fractal Geometry of the Nature, verdadera biblia de un campo en que la importancia de las dimensiones de lo infinitamente pequeño y complejo sobrepasa con creces a la geometría tradicional en la descripción de la realidad. Más tarde, Mandelbrot fue profesor en Harvard y Yale, así como en prestigiosas instituciones de País y Ginebra.
Pero no voy a extenderme más con este extraordinario personaje ni a caer en la tentación de adentrarme en los inacabables paisajes de su famoso Conjunto Fractal, puesto que sólo para desentrañar una pequeña parte de su trabajo haría falta no una página, sino una extensa web con cientos de referencias. Las imágenes de la piedra de Solnhofen son en todo caso elementos de estructura mucho más sencilla y su simulación puede conseguirse a partir del procedimiento denominado DLA.
La Agregación por Difusión Limitada (DLA)
Entre las numerosas formas fractales están las denominadas DLA o de Agregación por Difusión Limitada. Fueron propuestas por L.M. Sander y Thomas Witten en 1981 y no son deterministas en el sentido que cada vez que se repiten con los mismos parámetros dan el mismo resultado, cono el citado Conjunto de Mandelbrot, sino que su crecimiento responde en parte a pautas aleatorias y por tanto nunca se repiten pese a mantener una clara relación de semejanza.
Las DLA se crean al tomar una semilla en forma de un punto fijo y visible contenido en medio de una nube de otros puntos ocultos que se mueven por efecto browniano, es decir, aleatorio. En el momento en que algunos de los puntos móviles tocan la semilla se quedan unidos a ella, pasando a ser visible y formar parte de la misma. En un principio, la adición es bastante circular, pero cuando el tamaño de la semilla va creciendo, los nuevos puntos tienen más tendencia a ir añadiéndose en los extremos, ya que serán más "accesibles" para los puntos móviles que los alveolos interiores. La consecuencia serán formas arborescentes como las siguientes:
Cuatro etapas de crecimiento mediante la Agregación por Difusión Limitada (DLA), realizados con el programa Fractint
El PDLA-V1, mi versión en Visual Basic de un generador de fractales de difusión
Os presento mi propio programa de generación de fractales tipo DLA, que en este caso llamo PDLA, es decir Pseudo-DLA.
La razón de esta variación en el nombre es que imaginé un sistema distinto de generación, ya que en vez de un campo de "puntos" invisibles que se mueven por efecto browniano, imaginé una sucesión de "rayos" aleatorios que partiendo de los bordes del campo lo cruzaran en cualquier dirección, y en el momento que su frente se encontrara a la distancia de 1 pixel de un punto-semilla consolidado y visible, esta cualidad se adjudicara también a la punta del rayo, sumando por lo tanto un nuevo punto-semilla.
El PDLA, a diferencia de los DLA normales que tienen sólo un parámetro de entrada, dispone de unos 18 parámetros de configuración, y es por tanto capaz de generar una amplísima secuencia de fractales de "Difusión". El programa está escrito en Visual Basic, ocupa un solo fichero de 68 K y no necesita instalación. Al arrancarlo nos aparece la siguiente ventana:
Programa PDLA de generación de fractales de difusión
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Controles del programa a tamaño real
Veamos un poco por encima su funcionamiento:
- Recuadro "Semilla"
Al arrancar el programa observaremos la pantalla vacía, excepto una serie de pequeños puntos reunidos en el centro de la misma. Los puntos constituyen la "semilla inicial" que se coloca por defecto, es decir, los puntos de referencia a los que se irán añadiendo otros de forma aleatoria en la generación del fractal. Estos puntos son inicialmente 100, y están contenidos en unos límites cuadrados de 50 x 50 pixels que están establecidos en las ventanas "Long" (por Longitud) y "Altur" (por Altura), y que por tanto podremos cambiar a voluntad. A la vez, el conjunto de puntos está situado en el centro de la pantalla porque las coordenadas "X" e "Y" están establecidas en el valor 225, que es precisamente la mitad de los 450 pixels que tiene de lado la pantalla.
A este respecto, al variar las coordenadas X e Y observaremos que las nuevas semillas que hagamos aparecer se situarán de acuerdo a los nuevos valores, teniendo en cuenta siempre que el origen de las coordenadas es la esquina superior-izquierda de la pantalla del programa.
Pruebe por ejemplo cada una de estas opciones cambiando los parámetros. Y pese a que he introducido algunos algoritmos limitadores, intente no obstante que estén siempre situados en el espacio de la pantalla.
Estas "semillas" no son una simple imagen, ya que su forma y posición es guardada por el programa en una matriz interna que actúa como memoria de cálculo. Para borrarlas de la pantalla bastará pulsar el botón rojo "B-Imag" (Borrar Imagen), del recuadro "Pantalla", pero si desea además que se borren de al memoria interna, debe pulsar "B-Datos" (Borrar Datos).
En la parte baja del recuadro "Semilla" hay tres controles más:
1) Cuadro de texto "Rnd" es el punto de arranque del generador interno de números aleatorios. Inicialmente muestra la cifra 123456, y por tanto, cada vez que arranque el programa irá mostrando la misma secuencia de fractales, que usted podrá cambiar a voluntad introduciendo cualquier número comprendido entre 1 y 999999. Por tanto, si desea repetir alguno de los fractales obtenidos, sólo tiene que anotar los parámetros que lo han generado, incluyendo sobre todo la cifra Rnd.
2) Cuadro de texto "Color" establece que las dentritas sean de un único color o sean de una gran gama variable. El color de cada "arbol" de dentritas dependerá del color del pixel "madre" que lo haya generado, el cual también es elegido de manera aleatoria por el programa en el momento de introducir la semilla en la pantalla.
Naturalmente, auqnue se tenga seleccionada la opción "Color", si la semilla es "1P", es decir, un único punto, el resultado será de un sólo color.
3) Cuadro de texto "Punto" establece el tamaño de los puntos de la imagen. El valor que encuentro más adecuado y especificado en el arranque es "2", y puede variar a voluntad del usuario entre 1 y 4.
- Recuadro "Rayos"
Bien... ya tenemos las "semillas" sembradas en nuestra pantalla, pero ahora imaginemos que son de una planta que para crecer necesitará luz, y dicha luz vendrá en forma de rayos que salen de los bordes de la pantalla y la cruzan en cualquier dirección. Como ya hemos dicho antes, en el momento que uno de estos rayos invisibles rocen un "punto semilla" añaden otro punto del mismo color en la esquina de contacto.
Los "Rayos" tienen un origen y un destino, evidentemente generados de forma aleatoria. Si el rayo parte del lado izquierdo en el punto Y = 180, y ha de desplazarse hasta el Y=240 situado enfrente, tendrá la pendiente descendente necesaria para seguir este camino, en cambio si el destino también fuera Y=180, el rayo sería completamente horizontal. Dichos rayos pueden ir desde inicio a destino sin chocar contra ningún punto-semilla, con lo cual no tendrán ningún efecto sobre la imagen que se genere, pero si chocan o rozan alguno de los puntos consolidados y visibles, su carrera se detiene y el algoritmo procede a emitir otro rayo distinto.
Simulación de los "rayos generadores". Observar como se
interrumpen al chocar contra los puntos-semilla
1) Cuadros de texto Los recuadros "Origen" y "Destin" establecen al "anchura" en pixels que tendrá el origen de los rayos y el punto hacia donde se dirigen. Los valores por defecto son de 450 y 450 pixels, lo cual nos dará un haz de rayos de dirección variable pero cuyo valor medio será una horizontal o una vertical, en cambio si introducimos por ejemplo 450 y 900, el resultado serán rayos con valores divergentes, de la misma forma que serán convergentes en caso de introducir 1000 y 300.
2) El cuadro de verificación "Circ", si está activado establece que los rayos partirán desde cualquier lado de la imagen, arriba, abajo, derecha o izquierda, en cambio si está desactivado los rayos solo procederán de arriba de la pantalla y su sentido, con distintas inclinaciones, siempre será descendente.
3) El cuadro de verificación "Rbt", si está activado, establece el "Rebote" de los rayos en los lados que sean laterales a su dirección original. Es decir, si el rayo es tan divergente que se "saldría" de la pantalla, al llegar al borde rebotará y volverá hacia el interior.
Es evidente que la variación de alguno de estos cuatro parámetros también dará lugar a una infinidad de fractales de difusión distintos.
- Recuadro "Densidad"
El recuadro "Densidad" controla un proceso adicional en la formación de las dentritas. Ya he dicho que los rayos van "añadiendo" puntos a las semillas, y como los nuevos puntos sobresaldrán más que los originales, es más fácil que un nuevo rayo incida de nuevo sobre ellos, con lo cual sus formas crecerán de manera arborescente, con el añadido que las "ramas" formadas harán "sombra" a la interiores, que recibirán menos rayos y por tanto dejarán de crecer. Este comportamiento es más o menos el de un DLA clásico, sin embargo, después de unas pruebas iniciales se me ocurrió añadir un factor adicional favorecer patrones de crecimiento en que "troncos" y "hojas" estuvieran más diferenciados, y se me ocurrió que se creará un mapa oculto de la densidad media de puntos en una zona, y que ello pudiera ser aprovechado por un filtro que decidiera si, a pesar de haber incidido un rayo, se podía añadir un punto más. Los controles de este recuadro son los siguientes:
En la práctica, valores grandes de "Matriz" crean en la imagen fractal "troncos" más separados entre ellos, mientras que los valores bajos de "Límite" disminuyen el número de "hojas" o de "frondosidad" de dichos troncos y dificultan el nacimiento de ramas secundarias.
- Recuadro "Pantalla"
Algunos botones del recuadro "Pantalla" ya han sido explicados en apartados anteriores, pero para más claridad los describiré por orden:
3) Botón azul "V-Rayos" (Ver Rayos). Muestra simulación del comportamiento de 50 rayos, aunque no afecta al fractal ni a la memoria interna.
4) Botón rojo "B-Imag" (Borrar Imagen). Borra la imagen presente en pantalla, pero no afecta a la memoria interna.
5) Botón rojo "B-Fondo" (Borrar Fondo). Borra los añadidos de fondo como los rayos o la densidad, pero respeta la imagen fractal
6) Botón rojo "B-Datos" (Borrar Datos). Borra los datos de la memoria interna y cualquier imagen presente en la pantalla
- Recuadro "Ejecutar"
Y por último veremos el cuadro "Ejecutar"
El resultado del programa es bastante bueno, y con el se pueden generar muchas formas que imitan a la perfección fenómenos naturales. La velocidad de proceso es lenta al comenzar, especialmente con semillas muy pequeñas y ángulos abiertos de focalicación de los rayos, porque entonces hacen falta un número considerable de éstos para incidir sobre las semillas y agregar por lo tanto los píxels adicionales. En cambio cuando el dibujo ha adquirido cierto tamaño, la velocidad crece de manera visible hasta alcanzar el punto que por aproximarse a los bordes se detiene de forma automática.
Mis dentritas de Pirolusita a punto de exposición
Y después de irme por las ramas alejándome bastante del tema inicial, ¿Qué ha ocurrido con la cuatro piedras que recogí ante el estupor del albañil...? Pues que como había sospechado, tras lavarlas bajo un chorro de agua aparecieron cuatro preciosas formas dentítricas. En las dos más grandes corté y rematé un poco los bordes, después las pegué a todas ellas sobre cuatro bases rectangulares de contrachapado de haya, y tanto para una mejor conservación como para resaltar los contrastes, mi mujer les dio algunas pasadas de barniz transparente. El resultado salta la vista.
Mis nuevas Dentritas de Pirolusita ocupando un rincón de mi librería...
... y por casualidad, delante de algunas obras de Aristóteles
![]() El tema de los fractales, a igual que la llamada "Matemática del Caos" que los generan es tan extenso como apasionante, y lejos de ser un divertimento de números abstractos para gente que no tenga otra cosa mejor que hacer, representa un campo de investigación cuyas enseñanzas se aplican hoy en día a campos tan dispares como la ingeniería, la bioquímica, la codificación de datos, la estadística o los negocios. Esta página ha sido solamente un pequeña puerta que sin duda invito a traspasar con otras lecturas mucho más documentadas que pueden encontrarse en la red, en la seguridad que tras ella se abre un inmenso mundo que nos permitirá conocer mejor el universo en que vivimos.
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