Para la aplicación de las nuevas tecnologías en la ganadería en Cuba, se propone para la alimentación de los animales, establecer áreas forrajeras fundamentalmente de caña de azúcar y de kingrass, generándose una alta demanda de tecnologías mecanizadas para el procesamiento de estas nuevas fuentes de alimentos en las vaquerías según Valdés et al. (2012), además de estos cultivos más recientemente se han incorporado diferentes plantas proteicas como moringa, morera y tithonia, las cuales han tenido resultados muy favorables en Cuba, Latinoamérica y el Caribe, según Acosta (2017); Alonso (2017); González (2018). Por otro lado es necesario realizar la determinación de sus propiedades fisico-mecánicas como datos entrada para su procesamiento, en los modelos de cálculos establecidos, para la determinación de parámetros de diseño y explotación de las maquinas picadoras de forraje u otras máquinas.

Estos cultivos deben ser procesados, y de acuerdo a las condiciones explotativas especificas de cada unidad de producción, se debe contar con equipos picadores de forraje, los que asumen un importante papel, durante el desmenuzado, ya que se realiza su ruptura física, pues poseen un alto contenido de fibra, lo que facilita una digestión más rápida, contribuye a un mayor aporte de nutrientes al rumiante y a su vez favorece a mayores consumos según Elías et al. (1990); Martín (2005), aspecto a tener en cuenta para la adquisición de dichas máquinas.

El conocimiento y estudio de las propiedades físico-mecánicas de los productos agrícolas es de vital importancia ya que estas tienen una relación directa con los parámetros requerido para el diseño de las máquinas agrícolas, con la optimización del funcionamiento de estas y la calidad del producto final.

Dentro de las propiedades físicas - mecánicas fundamentales para el diseño de la maquinaria agrícola se encuentran el diámetro y la longitud de los tallos, masa específica o densidad, fuerza de corte, energía y energía específica de corte, coeficiente de fricción estático y dinámico. Debido a su importancia disímiles autores han dedicado sus investigaciones al estudio de estas como Fernández (2015), que determinó las propiedades físico - mecánicas de ramas en verde de haya (Fagus sylvatica L.), donde para ello se emplearon ensayos no destructivos (NDT) para obtener variables de medición y sus relaciones con las propiedades físicas y mecánicas así como mediciones con penetrómetro (Pilodyn), para obtener su relación con la densidad de las ramas, mediciones de velocidad de propagación de una onda (Microsecond Timer) para obtener el módulo de elasticidad dinámico con el que estimar el módulo de elasticidad y la resistencia, un ensayo a flexión para obtener el módulo de elasticidad (MOE) y de resistencia (MOR). Entre sus resultados se pudo observar que las ramas más gruesas tienen un MOE a flexión y MOR más bajo y un MOE dinámico más alto que las ramas más delgadas.

Estas propiedades físicas y mecánicas guardan una relación muy estrecha con el contenido de humedad en los productos agrícolas, debido a esto se han realizado estudios dirigidos a evaluar el comportamiento de las mismas, con distintos porcentajes de humedad, según Olea et al. (2018). El autor realizó un análisis del comportamiento de las propiedades mecánicas de tracción como alargamiento, energía específica al alargamiento o tracción, absorción de energía a la tracción (TEA) y torsión, bajo dos condiciones de humedad y envejecimiento para fibras de “Tamshi” (Heteropsis flexuosa (Kunth) G.S. Bunting) (Tabla 1).

La resistencia máxima a la tracción para los haces fibrosos de la fibra de H. flexuosa en estado seco al aire, sin ser sometido al envejecimiento acelerado, es en promedio 616,9 J/cm², mientras que en estado saturado (65% de humedad) disminuye su resistencia a 535,92 kg/cm² y para el 80% se obtiene una menor resistencia de 584,78 kg/cm². Las muestras secas al aire, presentan el menor porcentaje de elongación o alargamiento de 0,74 a 15% de humedad; la muestra sometida a envejecimiento con 0,97 a 80% de humedad y finalmente la muestra en condición verde con 1,4 a 65% de humedad (Tabla 1). La absorción de energía de tracción del material en láminas de H flexuosa en estado seco (15%) sin ser sometidas a envejecimiento resultó en promedio de 31 138 J/m².

TABLA 1
Valores promedios de las propiedades mecánicas para fibras de “Tamshi”, bajo dos condiciones de humedad y envejecimiento, fuente: Olea et al. (2018)

- TEA: absorción de energía a la tracción - SE: secado - CE: condiciones de envejecimiento - CH: condiciones de humedad

Estas propiedades tienen como característica particular que poseen relación entres si, por ejemplo la correlación entre propiedades anatómicas, resistencia a flexión estática y energía requerida para el corte en caña de azúcar (Saccharum officinarum L.), según González (2006), se demostró que empleó mayor requerimiento de energía específica al corte en los entrenudos que en los nudos y un menor consumo específico de energía al corte con las cuchillas con ángulo de afilado de 20°, Esto se explica porque los nudos tienen una mayor área transversal, pero también son microestructuralmente más discontinuos. Se estableció relación entre la microestructura de los tallos, comportamiento a la flexión y al corte, destacándose la relación proporción, entre el área transversal efectiva de fibra (ATEF) y la energía específica al corte, así como entre el coeficiente de flexibilidad y el módulo de elasticidad a la flexión.

Otros investigadores como Valdés e Iglesias (2002a) y Valdés et al. (2008), determinan el ángulo de fricción estático y dinámico sobre acero y otros materiales, para tomate variedad Campbell 28 y tallos de caña de azúcar, variedad C323-68, para ello empleó una instalación mecánica que se muestra en la figura 1. La medición del tiempo transcurrido entre los puntos 6 y 5, se realiza con la filmación de un video para cada ensayo con la cámara de video (8), el cual se procesa en el Laboratorio de Tecnología Educativa de la Universidad Agraria de La Habana (UNAH, a través del software de edición de video Pinacle Estudio 9, con una precisión de 0,0333 s (30 cuadros/s). La masa de las muestras y de los contrapesos para cada ensayo, se determina con una balanza de precisión de 0,01 g.

FIGURA 1
Instalación mecánica que se emplea en los ensayos, fuente: Valdés e Iglesias (2002a) y Valdés et al. (2008).

En la Figura 2 se muestra el dispositivo experimental, para la determinación de la energía específica de corte, para tallos de caña variedad C323-68, utilizando como principio la pérdida de la energía potencial elástica de un resorte, según Valdés et al. (2009).

FIGURA 2
Instalación empleada durante la medición de la energía específica de corte, fuente: Valdés e Iglesias (2002a) y Valdés et al. (2008)

Donde se obtuvo como resultado que la energía específica durante el corte de los tallos en función del ángulo de deslizamiento para diferentes velocidades, caracterizada por la obtención de un valor mínimo de la energía de corte para un ángulo de deslizamiento en el entorno de los 25^o. Asimismo se obtuvo una disminución de la energía específica con el incremento de la velocidad de corte, coincidiendo la tendencia con la obtenida por otros autores en otros cultivos de tallos gruesos, caracterizada por un comportamiento asintótico a partir de los 20…30 m/s, según la Figura 3.

FIGURA 3
Variación de la energía específica durante el corte de los tallos en función de la velocidad de corte, para los diferentes ángulos de deslizamiento, ajustadas al modelo exponencial, fuente: Valdés (2008).

Ledea et al. (2017), investigaron sobre el efecto del ecotipo y la frecuencia de corte en el rendimiento forrajero de Moringa oleifera Lam, en el Valle del Cauto. Para ello se evaluó el efecto de la frecuencia de corte (45 y 60 días) en el rendimiento forrajero de los ecotipos Nicaragua y Criolla de Moringa oleifera, en condiciones de riego y fertilización orgánica, en un suelo Fluvisol del Valle del Cauto.

Las plantas se cortaron a 10 cm y se determinaron las variables altura de la planta, cantidad y grosor de brotes, número de hojas, relación hoja/tallo y los rendimientos de materia seca total (MS) y materia seca de hojas y tallos.

Los mayores rendimientos de materia seca total se obtuvieron en la frecuencia de corte cada 60 días con 3,8 t∙ha^-1 pero debido a la competencia que se creó entre la M. oleifera y gramíneas invasoras, el experimento solo se extendió por 180 días con reducción paulatina de la productividad. Se concluye que la frecuencia de corte cada 60 días mostró mayores rendimientos de materia seca, sin embargo, la altura de corte empleada favoreció la presencia de plantas invasoras, lo que disminuyó los rendimientos y la sostenibilidad de producción de forrajes del cultivo.

Se registran pocas investigaciones sobre las propiedades de los tallos de caña de azúcar; lo anterior posiblemente porque este material no tiene aplicación estructural. Pero los tallos de caña de azúcar en el proceso de corte por parte de las cosechadoras sufren gran cantidad de esfuerzos, por lo que el estudio de las propiedades físicas, mecánicas y anatómicas de los tallos es fundamental para optimizar los componentes de las máquinas cosechadoras sometidos a diferentes acciones de tipo tribológico (González, 2006).

Según Perafán (2005), la caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) está compuesta por una parte sólida llamada fibra y una parte líquida, el jugo, que contiene agua y sacarosa. En ambas partes también se encuentran otras sustancias en cantidades muy pequeñas.

Las características geométricas y mecánicas de las células de fibras son determinantes de las propiedades globales de los tallos; Leonard et al. (1988), asociaron el coeficiente de flexibilidad de los tallos con las dimensiones de las fibras (diámetro, espesor de la pared celular y lumen). En la Tabla 2 se observa la clasificación de las fibras con base en las recomendaciones de Tomolang y Wangaard (1961), que con valores medios del coeficiente de flexibilidad (en porcentaje) clasifican las fibras en cinco categorías (muy gruesa, gruesa, media, delgada y muy delgada).

TABLA 2
Clasificación de las fibras según resultados del coeficiente de flexibilidad (L/D), fuente: Tomolang y Wangaard (1961)

En otras investigaciones Valdés et al. (2019), determinaron las propiedades fisico-mecánicas de racimos de banana como parámetros requeridos para el diseño de un sistema de transporte de racimos de banana en zonas montañosas del estado Trujillo, Venezuela. Las propiedades estudiadas fueron parámetros dimensionales e inerciales de los racimos de banana, como el diámetro del raquis, el momento de inercia, la masa, centro de masa, el diámetro y la longitud de los racimos de banana. Los resultados obtenidos arrojan que la media aritmética obtenida para el diámetro del raquis ascendió a 5,41 cm, con una desviación estándar de ± 0,77 cm; la longitud de los racimos 63,96 cm, con una desviación estándar de ± 14,92 cm; el diámetro de los racimos ascendió a 33,67 cm, con una desviación estándar de ± 2,69 cm; la masa de los racimos obtenida ascendió a 16,58 kg, con una desviación estándar de ± 4,91 kg; la coordenada X del centro de masa de los racimos arribó a 28,84 cm, con una desviación estándar de ± 3,78 cm y el momento de inercia ascendió a 0,13 kg∙m² con una desviación estándar de ±0,11 kg∙m². El mejor modelo ajustado de la relación entre el momento de inercia y la masa de los racimos de bananos fue el método de box - cox con un R² de 86,65 %. En cuanto a la relación con el diámetro de los racimos el modelo que mejor se ajustó fue el polinomial con un R² de 88,7 %.

Otros autores también se han referido en sus investigaciones a la caracterización mecánica y físico-química del banano tipo exportación (CAVENDISH VALERY) como Millán y Ciro (2012), que realizaron ensayos de compresión unidireccional mediante pruebas de firmeza, fractura y módulo elástico, y de propiedades físico-químicas como grados Brix, pH y acidez. Obteniendo como resultado que la fuerza de firmeza en la cáscara varió significativamente (p<0.05) respecto al tiempo poscosecha al presentar un valor entre el primero y el último día de 16,49 N y 12,39 N, respectivamente. En las pruebas de fuerza de fractura y esfuerzo de falla se encontró que el producto presenta una mayor resistencia mecánica bajo ensayos de flexión, y una disminución en el valor del módulo elástico bajo ensayos de compresión y flexión durante el período poscosecha, lo que constituye el ablandamiento del fruto; esta pérdida de rigidez es uno de los cambios más evidentes durante el período de almacenamiento, propia de materiales viscoelásticos. Las pruebas físico-químicas realizadas a la pulpa del banano mostraron un aumento significativo (p<0.05) en el contenido de grados Brix y acidez, y una disminución significativa (p<0.05) en el pH durante la madurez.

También en el diseño de la maquinaria dirigida a la cosecha de productos, en este caso la papa resulta importante el conocimiento de sus propiedades físicas y mecánicas, según Rosario (2015), para el desarrollo de una máquina clasificadora de semilla de papa en la zona alta del estado Trujillo. Los resultados arrojan que la semilla de papa variedad Granola, presentan una media de 51,73 mm de largo, 66,81 mm de ancho, 43,18 mm de espesor, las cuales se emplean para el cálculo fundamentado de parámetros de diseño.

Las propiedades anteriormente analizadas, varían según el producto agrícola, esto se debe a su forma, contenido de humedad, firmeza, entre otras características. Se plantea que para el caso del transporte de racimos de bananos por cable vía, la determinación de las propiedades físico-mecánicas de los productos agrícolas a transportar resulta una etapa indispensable ya que constituyen datos de entrada durante la evaluación de los modelos teóricos elaborados para el cálculo de los diferentes parámetros de diseño, constructivos y de explotación de las máquinas picadoras de forraje, según Valdés et al. (2008), Valdés et al. (2009, 2015) y Valdés y Martínez (2012),

Las características asociadas al forraje, tales como tiempo de retención, ta maño de partícula y densidad, pueden afectar la respuesta animal en dietas al tas en grano (Gill et al., 1981). Los resultados de Thompson y Lamming (1973), indican que la tasa de almidón se incrementó cuando se redujo el tamaño de partícula de forraje. Todos estos factores de nivel, tamaño de partícula, forma y fuente de forraje podrían ser considerados para elaborar modelos de simula ción para predecir los cambios en la digestión del almidón (Mendoza y Ricalde, 2016).

En los últimos 20 años, el Centro de Investigación en Mecanización Agropecuaria (CEMA), ha desarrollado varias investigaciones encaminadas primeramente, al diseño y construcción de las máquinas picadoras de forraje para el procesamiento de tallos gruesos y posteriormente a su perfeccionamiento, llevadas a cabo por parte de diferentes investigadores, según Martínez et al. (1998), para el caso de picadoras de tallos gruesos con órgano de corte del tipo disco, así como por Valdés (2008); Valdés et al. (2009); Valdés y Martínez (2011, 2012), realizando la elaboración de un modelo teórico físico-matemático del proceso tecnológico, para el caso de picadoras con órgano de corte del tipo tambor, que interrelaciona las propiedades físico mecánicas del material a procesar, con los parámetros de diseño y de explotación, el cual se validó experimentalmente con el prototipo de picadora de forraje de producción nacional MF-IIMA modelo EM-01, durante el desmenuzado de tallos de caña de azúcar variedad C323-68, y se obtuvo la influencia del momento de inercia y de diferentes ángulos de alimentación constante y variable, sobre el calibre de las partículas, la productividad y la potencia consumida.

Dicho modelo desarrollado permitió la predicción del flujo o productividad, del calibre de las partículas y del consumo de potencia, con errores de pronóstico no superiores a 19,04, 22,3 y 5,7 % respectivamente, con un nivel de significación del 1%, para valores racionales del momento de inercia del tambor, calculados sobre la base del modelo teórico. La racionalización del momento de inercia en el órgano de trabajo de dicho prototipo, produjo un incremento en la calidad del desmenuzado, que se manifestó en un mayor porcentaje de partículas con calibres por debajo de 20 mm entre 43 y 48 % y una disminución en el consumo de potencia entre 22 y 23 %. Posteriormente dicha picadora modificada a partir de los resultados obtenidos, se evaluaron y compararon los indicadores tecnológicos y de explotación, con respecto a la picadora de origen brasileño JF-50, en las condiciones de producción de las entidades ganaderas del Instituto de Ciencia Animal (ICA), según Valdés et al. (2015, 2017), obteniéndose resultados positivos a favor de la picadora de fabricación nacional, la que se muestra en la Figura 4.

FIGURA 4
a). Picadora de forraje MF IIMA modelo EM-01 perfeccionada, b). Órgano de trabajo del tipo tambor con los platos laterales agregados por Valdés y Martínez (2011, 2012).

Por lo que, en las tecnologías para el procesamiento y corte del forraje, según Rodríguez et al. (2015), se requiere de una correcta selección de equipos y maquinarias necesarios en la promoción de tecnologías de alimentación para el ganado, se debe contar con respaldo técnico y garantías para resolver problemas, reparar daños en equipos (picadoras, motores, etc.), el apoyo del proyecto mediante el suministro de semillas, insumos y equipos.

Se conoce que el trópico se caracteriza por una época seca bien definida hay una marcada estacionalidad en la producción de pastos y forrajes, con alta disponibilidad y calidad de forrajes durante el período de lluvias, mientras que lo opuesto (baja disponibilidad y calidad) ocurre en el período seco. La escasez de pastos y la baja calidad de los mismos en el período seco resultan en una reducción drástica en los niveles productivos (carne y leche) del ganado bovino y de otros herbívoros (Reyes et al., 2009).

En la figura 5 y 6 se muestran algunas máquinas picadoras de forraje. En la industria de diseño y producción de la maquinaria especializada para el corte del forraje se puede destacar la NOGUEIRA de Brasil, ha puesto su empeño en diseñar máquinas forrajeras de gran eficiencia y productividad para la alimentación animal, como el Modelo EN-12 y el Modelo DPM-4, de la Figura 5. Además, en la Figura 6 se muestran algunos modelos de la firma AZTECA de origen mexicana, a). Modelo 18-32, b). Modelo 20-36, c). Picadora de forraje eléctrica modelo AZTECA y d). Picadora de forraje para acoplar a tractor modelo AZTECA, según Valdés (2008).

FIGURA 5
a). Modelo EN-12, b). Modelo DPM-4, fuente: Valdés (2008).

FIGURA 6
a). Modelo 18-32, b) Modelo 20-36, c). Picadora de forraje eléctrica modelo AZTECA, d). Picadora de forraje para acoplar a tractor modelo AZTECA, fuente Valdés (2008).

Existe diferentes equipos para los requerimientos tecnológicos donde se aprecia que predominan dos tipos de órganos de trabajo: los de disco y los de tambor, así como dos sistemas de alimentación de la masa vegetal a los órganos picadores: el forzado y el manual, presentando el primero la ventaja de garantizar una mejor uniformidad de alimentación y por ende un mejor control del calibre de las partículas desmenuzadas, mientras que el segundo se caracteriza por su sencillez y bajo costo.

Autora para correspondencia: Dayami Veliz-Romeu, e-mail: dayami.veliz@nauta.cu