Propiedades físico-mecánicas del suelo

Dureza

Dureza — propiedad del suelo en condiciones naturales de ofrecer resistencia a la acción de fuerzas de cuña. La dureza está influida por la humedad, la estructuración y la composición granulométrica. Al secarse, la dureza aumenta. Una dureza elevada afecta negativamente al crecimiento de las raíces de las plantas, aumentan los costos energéticos de laboreo y el desgaste de los órganos de trabajo de la maquinaria.

La unidad de medida de la dureza del suelo es N/cm² o kg/cm². Para determinar la dureza del suelo, primero se mide con penetrómetros la fuerza de resistencia del suelo a la penetración vertical de la punta de un instrumento de diversas formas (émbolo, cono, esfera, cilindro) y luego se divide esa fuerza por el área de la sección transversal del cuerpo que penetra.

Los chernozems y los suelos estructurados poseen la menor dureza. La dureza óptima de los chernozems con humedad 0,7 CMH para cultivos de cereales es de 7-9,9 kg/cm², para maíz — 5,2-7,2, para patata — hasta 5 kg/cm².

Con una compactación fuerte durante el secado y un aumento de la dureza hasta valores críticos superiores a 10 kg/cm² para los cultivos de cereales, se produce una disminución del crecimiento de las raíces y un aumento de los costos energéticos de las plantas para superar la resistencia del suelo.

Cohesión

Cohesión de los suelos — propiedad del suelo de ofrecer resistencia a la acción de desmenuzamiento. Los suelos arcillosos pesados y los solonetz en estado seco poseen la mayor cohesión, lo que se manifiesta en un mal desmenuzamiento, terronosidad y aumento de los costos energéticos de laboreo. En estado húmedo, estos suelos se adhieren fuertemente a los órganos de trabajo de las máquinas. Los suelos ligeros y bien estructurados poseen la menor cohesión, lo que permite labrarlos en un amplio intervalo de humedad.

La cohesión aumenta la resistencia a la erosión.

Plasticidad

Plasticidad de los suelos — capacidad del suelo en estado húmedo de cambiar y conservar su forma bajo la acción de fuerzas externas y de deformarse sin formación de grietas. La plasticidad depende de la composición granulométrica, de la composición de la fracción coloidal y de los cationes intercambiables, y del contenido de humus. La plasticidad se manifiesta en un determinado intervalo de humedad del suelo. El límite superior de plasticidad se determina por el límite inferior de fluidez.

El límite inferior de plasticidad se manifiesta a la humedad con la cual el suelo pasa de una consistencia semisólida a una viscosoplástica; por ejemplo, se enrolla en un cordón. La relación entre los límites superior e inferior de plasticidad se mide por el índice de plasticidad, igual para los suelos franco-arenosos de 0 a 7, para los franco-arcillosos de 7-17, y para los arcillosos, más de 17. Los suelos más plásticos son los arcillosos, franco-arcillosos y solonétzicos.

Pegajosidad

Pegajosidad de los suelos caracteriza la capacidad de sus partículas de pegarse y adherirse a los órganos de trabajo y a las ruedas de las máquinas. Se manifiesta cuando se supera un determinado nivel de humedad del suelo.

La pegajosidad se mide en N/cm². Para determinar la pegajosidad del suelo, la fuerza que es necesario aplicar para desprender una placa de acero adherida al suelo se divide por el área de pegado.

La pegajosidad depende de la humedad y de la dispersidad del suelo. A presión normal constante, la pegajosidad aumenta con el incremento de la humedad del suelo hasta un valor máximo y luego, como resultado del aumento del espesor de las películas de agua en la superficie de pegado, disminuye. Con el aumento de la dispersidad (pulverización) del suelo, aumenta la adherencia de los implementos.

Los suelos arcillosos poseen la mayor pegajosidad. En el suelo pulverizado, es decir, sin estructura, la pegajosidad comienza a manifestarse con una humedad relativa del 40-50%, mientras que en el estructurado, al 60-70%. Por ello, es necesario conservar y restaurar la estructura del suelo, que crea condiciones óptimas de fertilidad y reduce el pegado de los implementos.

Para reducir la pegajosidad contribuyen las medidas dirigidas a aumentar la fertilidad y la estructuración: aplicación de fertilizantes orgánicos, encalado o enyesado, drenaje de las zonas excesivamente húmedas, recubrimiento de las superficies de los órganos de trabajo con materiales poliméricos, uso de vertederas de láminas en los cuerpos de los arados, etc.

Madurez física

Madurez física de los suelos — intervalo óptimo de humedad para el laboreo del suelo, en el cual las propiedades físico-mecánicas poseen las mejores cualidades para realizar las operaciones tecnológicas.

Para los suelos franco-arcillosos, la madurez física corresponde al 40-60% CMH; para los ligeros, al 40-70% CMH. Debido a la compactación bajo la acción de la maquinaria pesada, se acostumbra realizar el laboreo al 60-70% CMH. La alta calidad de laboreo con la menor resistencia de tracción se alcanza con una humedad del 14-18%.

No es deseable realizar el laboreo de suelo seco debido al mal desmenuzamiento, la fuerte terronosidad, la pulverización y la compactación.

La mejor calidad de aflojamiento se alcanza en la madurez física en primavera a la profundidad de gradeo del barbecho y cultivación de 6-10 cm; en el arado primaveral, de 16-20 cm. El laboreo de suelos no maduros aumenta el esfuerzo de tracción y el consumo de combustible: en suelos secos, debido a la mayor cohesión, y en suelos excesivamente húmedos, debido al aumento de la pegajosidad.

La humedad determina la elección de los implementos de laboreo. Los implementos de discos y fresadoras se utilizan para el laboreo de suelos con una humedad 2-3% mayor; los agregados con órganos de trabajo de flecha, de corte plano o en forma de cincel, con una humedad menor.

El aumento de la velocidad de movimiento de los agregados, por ejemplo, durante el arado, hasta 2,50-3,33 m/s amplía el intervalo de humedad óptima y el suelo puede labrarse con una humedad del 18-20% CMH, sin deterioro de la calidad de desmenuzamiento.

La humedad óptima correspondiente a la madurez física, con la cual la acción compactante de la maquinaria agrícola pesada es mínima, para los suelos de chernozem se encuentra en el intervalo del 15-24%, para los sod-podzólicos, del 12-21%, para los grises forestales, del 15-23% CMH.

Fricción de deslizamiento

La fricción de deslizamiento del suelo contra la superficie de un órgano de trabajo se denomina externa. Se evalúa por la fuerza F de resistencia del suelo al movimiento sobre la superficie de trabajo. Esta fuerza es proporcional a la fuerza de presión normal del suelo sobre el órgano de trabajo:

El coeficiente de proporcionalidad f, o coeficiente de fricción, depende ante todo de la composición granulométrica y de la humedad del suelo. En los suelos arenosos sueltos, el coeficiente de fricción del suelo contra el acero varía de 0,25 a 0,35; en los arenosos cohesivos, de 0,5 a 0,7; en los franco-arcillosos medios, de 0,6 a 0,9.

Desde el punto de vista productivo, la fricción durante el arado es un factor negativo. La fuerza de fricción sobre la superficie de reja-vertedera constituye el 30-40% de la resistencia total del arado.

Se emplean varios métodos para reducir la fuerza de fricción:

• uso de vibración y órganos de trabajo activos;
• creación de una capa límite de agua y aire en la superficie de contacto del suelo con el órgano de trabajo;
• pulido de las vertederas, recubrimiento con diversos materiales;
• cambio de la forma geométrica de los órganos de trabajo;
• sustitución del deslizamiento del suelo por rodadura sobre rodillos.

Resistencia a las deformaciones

La resistencia a las deformaciones caracteriza la resistencia mecánica del suelo. Durante el laboreo del suelo con diversos órganos de trabajo, este experimenta deformaciones de compresión, tracción, cizalladura, torsión y sus combinaciones. La resistencia temporal del suelo (hasta el comienzo de su desmenuzamiento) bajo distintos tipos de deformación varía en amplios límites. Así, el suelo franco-arcilloso con humedad absoluta del 21-28% tiene una resistencia temporal a la tracción de 5-6 kPa, a la cizalladura de 10-12 kPa y a la compresión de 65-108 kPa. Por ello, el aflojamiento del suelo con un consumo mínimo de energía es posible con el empleo de órganos de trabajo que aseguren la tracción de la placa de suelo.

Abrasividad del suelo

La abrasividad del suelo se evalúa por el contenido en él de arena física con una gran cantidad de inclusiones pedregosas de tamaño 0,25-3 mm, que son la causa del aumento de la abrasión (desgaste) de los órganos de trabajo.

Según el criterio de desgaste abrasivo, los suelos se subdividen en grupos:

• con baja capacidad de desgaste, con contenido de arena hasta el 80%;
• con capacidad de desgaste media, con contenido de arena del 80-95%;
• con capacidad de desgaste elevada, con contenido de arena del 95-100%.

El desgaste abrasivo de las rejas durante el arado de 1 ha de suelos del primer grupo es de 2-30 g, del segundo grupo, de 30-100 g, del tercero, de 100-450 g.

Resistencia específica

La resistencia específica del suelo es una característica generalizada de la dificultad de su laboreo. El coeficiente K_c de resistencia específica del suelo durante el arado se determina midiendo la resistencia de tracción del arado P y dividiéndola por el área de la sección transversal de la placa levantada:

donde

a

— profundidad de arado, cm;

b

— ancho de trabajo del cuerpo, cm;

n

— número de cuerpos.

Según la resistencia específica, los suelos se subdividen en:

• ligeros (K_c < 3 N/cm²);
• medios (K_c = 3-5 N/cm²);
• medio pesados (K_c = 5-7 N/cm²);
• pesados (K_c = 7-12 N/cm²);
• muy pesados (K_c > 12 N/cm²).

Los coeficientes de resistencia específica del suelo durante la cultivación, el gradeo, el rodillado y otras operaciones análogas se determinan dividiendo la resistencia de tracción de la máquina por su ancho de trabajo.

Interacción de la cuña con el suelo

Por su forma geométrica, los órganos de trabajo del arado y de otros implementos de laboreo están realizados como cuñas planas o curvas. A las cuñas planas pertenecen las rejas, cuchillas, brazos de cultivadores, dientes de gradas; a las curvas, los discos esféricos de gradas, rastras de discos, vertederas de arados, aporcadores. La forma de cuña también es característica de las rejas de sembradoras y plantadoras.

Cuña plana

Bajo la acción de una cuña plana se produce la deformación del suelo, cuyo carácter depende de las propiedades tecnológicas del suelo y del ángulo α de instalación de la cara de trabajo de la cuña respecto a la horizontal.

Deformación del suelo por cuñas planas (a...d) y curva (e)

<b>Suelos poco cohesivos</b>. El tipo principal de deformación de los suelos poco cohesivos es la cizalladura. Al desplazarse la cuña de la posición I a la posición II, las partículas de suelo a, b (fig. a) se presionan en la masa aún no deformada y pasan a la posición a’, b’, es decir, el material se compacta. La tensión de aplastamiento en el punto a es mayor que en el punto b, ya que aa’ > bb’. Tan pronto como la tensión de aplastamiento supera la resistencia temporal del suelo a la cizalladura, delante del filo de la cuña surge un plano de cizalladura OA, orientado bajo un ángulo ψ respecto al fondo del surco, y de la placa se separa un terrón prismático OABa’.

Después del desprendimiento, los terrones se deslizan por la superficie de la cuña plana sin experimentar nuevas deformaciones y, por ello, no se desintegran. Las dimensiones de los terrones desprendidos dependen del espesor de la placa, es decir, de la profundidad de laboreo. Una placa delgada se descompone en terrones más pequeños que una gruesa.

<b>Suelos medio y fuertemente cohesivos (franco-arcillosos y arcillosos) con humedad óptima</b>. Al comienzo mismo de la penetración de la cuña se forma una grieta OC (fig. b), que se ensancha, y de la placa se desprende el elemento AOC. Con el movimiento ulterior (de la posición I a la posición II), la cuña primero corta una viruta de espesor variable a lo largo de la línea OO’ (limpia el fondo del surco), luego forma una nueva grieta O’C’ y desprende el siguiente elemento de la placa.

<b>Suelos duros y secos</b>. La grieta de fractura se propaga hacia abajo (fig. c), por lo que el fondo queda desigual y el terrón desprendido de la placa tiene forma irregular.

Los suelos franco-arcillosos fuertemente encespedados y húmedos se rompen por la cuña a lo largo de la línea de movimiento del filo. Las grietas que surgen durante la flexión de la placa no llegan a la superficie; así, la placa no se divide en elementos separados y representa una cinta continua (fig. d).

Cuña diédrica

Según la dirección de movimiento y la posición del filo respecto a los planos horizontal y vertical, cambia el carácter de la acción de la cuña diédrica sobre el suelo.

Interacción de cuñas diédricas (I-III) y triédricas (IV) con el suelo

Una cuña diédrica con ángulo α (fig. I) separa la placa del fondo del surco, la levanta, la comprime en el plano vertical y la parte en terrones separados.

Una cuña diédrica con ángulo γ (fig. II) separa la placa de la pared del surco, la desplaza hacia un lado y la comprime en el plano horizontal.

Con la acción simultánea de cuñas con ángulos α y γ, se produce la destrucción de la placa en dos direcciones. El desmenuzamiento ulterior de los fragmentos desprendidos durante su movimiento por la superficie de las cuñas cesa, ya que los ángulos α y γ tienen un valor constante. Para un desmenuzamiento más intenso de la placa se instala una serie de cuñas simples, una tras otra, con ángulos α y γ que aumentan gradualmente, es decir, la cuña plana simple se sustituye por una curva.

Una cuña diédrica con ángulo β (fig. III) inclina la placa hacia un lado. Sin embargo, para pasar la placa de una posición horizontal a una inclinada no se necesita una, sino muchas cuñas dispuestas una tras otra con un ángulo β que aumenta de 0 a 90°. Para el volteo de la placa, el ángulo debe ser superior a 90°.

Lista de fuentes

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3. Evtefeev Yu. V., Kazantsev G. M. Fundamentos de agronomía: manual. M.: FORUM. 2013.

4. Khalansky V. M., Gorbachev I. V. Máquinas agrícolas. M.: KolosS. 2004.