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Fractales ” La Geometría de la Naturaleza “

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Geometría Euclidea vs Geometría Fractal

Uno de los aprendizajes mas tempranos de nuestra vida esta relacionado con la geometría, al tener juegos donde el objetivo es introducir figuras en  orificios con la misma forma, o reconocer  figuras de  triángulos, cuadrados,  círculos, y darles un nombre, iniciamos nuestra interacción con el entorno. Posteriormente durante  nuestra  formación escolar, en alguna de las primeras materias, aprendemos sobre líneas, triángulos, circunferencias, elipses las propiedades de estas y sus representaciones  en el plano.

Es tan importante esta geometría que le dedicamos gran parte de nuestra formación profesional  para entenderla y no es para menos,  si no fuera por esta, jamás habríamos podido construir rascacielos, mecanismos para mover el mundo y fabricar todo tipo de herramientas, de ahí la importancia de capacitarnos para poder interactuar  con nuestro mundo moderno.

Esta geometría Clásica creada  por Euclides al rededor del siglo III a.C.  con la que la  humanidad ha construido el mundo moderno, ha permeado tan profundo en nuestra cultura y además está, tan sólidamente fundamentada que nos ha segado casi por completo.

Impidiendonos  apreciar la geometría que está afuera de  líneas rectas, rectángulos,  triángulos etc.  Al vivir en ciudades conformadas en su mayoría por figuras a partir de la geometría clásica, nos hemos creando un hábitat completamente artificial del cual es difícil que escape  nuestra percepción enjaulada en este marco geométrico. Sin embargo fuera de está isla geométrica en la que vivimos, existe todo un océano irregular y caótico que obedece a sus propias reglas, a este océano llamado Geometría Fractal le dedicamos este artículo.

Proyecciones en el plano de figuras volumétricas.
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La Geometría de la Naturaleza.

Para poder salirnos de esa caja Euclidiana en la que nuestra mente vive, necesitamos hacer un ejercicio de observación a la mera usanza de la antigüedad. Basta con observar cuidadosamente un elemento del entorno cuyo  origen sea natural, por ejemplo una roca, una rama de árbol o un  brócoli y hacernos algunas preguntas    ¿ Cuál es su forma? ¿Cómo están construidos ?,  ¿Cuál es su estructura ? y tal vez después de reflexionar, nuestra mente finalmente……………………………………………….. se abra a este apasionante mundo infinito que nos rodea.

Helecho Filicopsida.
Romanesco o Romicia Coliflor.
Estructura autosimilar seguida por un árbol.

Que hace a un Fractal un  Fractal.

Es algo complejo de definir, incluso en la actualidad existen diferentes formas de abordar, lo que es y no es un fractal, sin embargo nos inclinaremos a nombrar las características que la mayoría de estudiosos de la materia,  concuerda para definiros.  Al observar una montaña y una piedra podemos ver que la diferencia en su estructura es casi  nula  es decir si fuéramos un gigante y tomáramos  la  montaña en nuestra mano  luciría como una piedra más,  y si  invertimos el ejercicio y  nos hiciéramos diminutos la piedra luciría como una montaña. 

Brassica Oleracea (Brócoli).

¿Aun no queda claro ??? esta vez tomemos la  rama de  un árbol, y observemos las bifurcaciones de esta  a lo largo del tallo, si la comparamos con el tronco del árbol del cual proviene,  veríamos que es una estructura muy similar solo que tal vez mas delgada y sin tantas derivaciones de ramas. Sigues sin captar la esencia del concepto ?  tranquilo,  entrarás en shock después de este, vamos con el brócoli, si cortamos un trozo respetando el tallo veras que no importa que tan pequeño es el trozo es una versión más pequeña del trozo más grande, obteniendo  siempre la misma estructura.

Romanesco o Romicia (Coliflor).

En todos los casos, es como si la misma  estructura se repitiera, solo que a diferentes escalas dentro del mismo objeto.  Un objeto compuesto de si mismo?,  pues así es !! a esto se le llama autosimilitud, y es la primera característica de un Fractal,  la simpleza   de este tipo de estructuras es fascinante, un diseño simple pero eficaz para generar estructuras más complejas. Posteriormente se encontraría que las estructuras fractales tienen tres grados de autosimilitud de las  cuales hablaremos mas  adelante.

Estructura fractal seguida por un rayo

En 1919 el matemático  Alemán  Felix Hausdorff  estableció el concepto de dimensión, lo que posteriormente dio origen al  método matemático de dimensionamiento generalizado de  Hausdorff – Besicovitch para objetos fractales, con el cual se pueden clasificar estos, donde se encontró teóricamente para el caso del (Copo de Kotch) que su longitud  no puede ser mayor a 1.6 veces, este análisis dio pie a una de las características más impresionantes y útiles de estas estructuras, la relacionada con su dimensión fractal. Y esto ¿ Como se traduce  en términos de la  naturaleza ? pues que las estructuras originadas en la naturaleza poseen detalle a cualquier escala,  lo que conocemos por rugosidad en el mundo natural.

Y a causa de esta rugosidad infinita, se puede deducir otra de sus características,  continuando con el ejemplo del copo de Kotch, si quisiéramos aplicarle el concepto de recta tangente a alguno de sus puntos que se encuentran en su perímetro, encontraríamos que no hay ninguna recta  que se ajuste a la definición de recta tangente, es decir una recta que  toque a la curva en un punto dado, sin cortarla, por lo tanto se puede inferir otra de sus características, que los fractales no son curvas diferenciables,  cuestión que valida el estado de rugosidad antes mencionado en cuerpos naturales. Algo muy llamativo en cuestiones geométricas clásicas.


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El Padre de la Geometría Fractal

El  matemático y catedrático de la universidad de Yale Benoit Mandelbrot (1924-2010)  mejor conocido como el padre de la Geometría Fractal  dio más  formalidad a este fenómeno, ya que previo a  él, solo se conocían a estas figuras  como curiosidades que no aportaban gran valor a la ciencia, además de ser él, quien en 1975 les dio el nombre de Fractales del latin fractus ( quebrado ) encontró su  interés   por esta geometría en su fijeza sobre varias  formas en la naturaleza que no encajaban en ninguna de las formas geométricas establecidas, como las nubes, montañas,  costas,  cortezas de árboles, rayos. Por tal motivo definió al conjunto de formas, que generalmente son producidas por un proceso iterativo (por repetición)  como  Fractales.


Aplicaciones en la Ciencia

El estudio de estas formas en la naturaleza no quedo en meras curiosidades matemáticas su estudio repercutió en múltiples aplicaciones tecnológicas  siendo una de las primeras, y la cual abrió el campo de la investigación en esta área. El estudio de perturbaciones en las comunicaciones, mientras Mandelbrot trabajaba en IBM  identificó un patrón fractal de ruido en las líneas de transmisión de sistemas de comunicación digital, lo que dificultaba la comunicación. Al analizar este patrón, se encontró uno de los fractales mas recurrentes en la naturaleza, él conocido como Polvo de Cantor en honor al matemático Ludwig Philipp Cantor  famoso por establecer las bases de la teoría de conjuntos quien en 1883, determino un conjunto de números a los cuales este fractal obedece, razón por la que se le dio tal nombre a dicho patrón.

Este subconjunto fractal de números reales consiste gráficamente hablando en una línea que se divide en 3 segmentos, se  retira el segmento de en medio y quedan 2 segmentos se  repite el procedimiento infinitamente.

Comportamiento autosimilar en el Polvo de Cantor .
La identificación de este patrón en las perturbaciones en comunicaciones, hizo que más estudiosos se sirvieran de ellos para aplicarlos en diversos problemas técnicos, como en la compresión, almacenamiento y reproducción de imágenes digitales, para el modelado de cuerpos irregulares, análisis del pulsos cardíacos, el modelado de procesos dinámicos que aparentan ser caóticos, diseño de antenas, y en el análisis generalizado de búsqueda de patrones.
 
Una de las aportaciones que más a revolucionado las comunicaciones son las antenas tipo fractal que se encuentran embebidas en los teléfonos celulares que utilizamos a diario, estas antenas de diseño fractal ayudaron a mejorar la comunicación utilizando un diseño increíblemente pequeño en comparación con los diseños de antenas de los años noventa, este aspecto ayudó a miniaturizar este tipo de componentes, hecho que revolucionó el mundo de las comunicaciones.

Conjunto de Mandelbrot

Uno de los trabajos pioneros en la construcción de conjuntos de números, basados en la repetición de operaciones fue el desarrollado por los franceses Gaston Julia y Pierre Fatou, Los cuales sirvieron como base para que a finales de los años setenta Mandelbrot se concentrara en estudiar esta área de las matemáticas, y como resultado construyó uno de los Fractales mas fascinantes y hermosos en el mundo de la geometría fractal,  el popular Fractal de Mandelbrot.

Con la ayuda de una computadora, algo pionero en su época, ya que no era común utilizar computadoras en los trabajos de investigación matemática, Mandelbrot generó su conjunto de números, a través de un programa iterando una función que involucra variar el parámetro z de una expresión matemática en temimos complejos, e imprimiendo el resultado.
Una gran sorpresa surgió de la impresora! en un inicio aparentaba ser una mancha irregular, tal vez una anomalía en la impresión pero al repetir el experimento la forma se mantenía  algo que llamaría la atención de Mandelbrot y sería el principio de sus investigaciones en este campo, había nacido uno de los fractales más emblemáticos del mundo.  
Impresión del Conjunto de Mandelbrot.

Posteriormente los colores fueron agregados relacionando la periodicidad de las iteraciones (repeticiones) con respecto a una asignación de colores arbitraria. Pero mejor un vídeo para comprenderlo mejor.


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Curva de Hilbert

Hilbert curve.gif


Influencian en la Cultura Popular

Pintura – La Gran Ola de Kanagawa.

Estampa Japonesa del artista Katsushika Hokusai publicada en 1830 forma parte de la serie treinta y seis vistas del monte Fuji. En esta se puede apreciar como las curvas mayores se originan en curvas menores representadas por pequeñas olas, asiendo alusión a una estructura fractal.

Ola de Kanagawa con estructura recursiva.

Arquitectura – El Lideta Mercado

Lideta
Interior el Lideta Mercado.

Este centro comercial en la capital de Etiopía similar a una esponja de Menguer o cubo de Sierpinski , diseño que ayuda a proteger de las altas temperaturas y controla mejor la ventilación, inspirado en los diseños tradicionales encontrados en los tejidos de la cultura local.

Fachada de Lideta Mercado.

Música Fractal

La música esta íntimamente relacionada con las matemáticas. Existen compositores que han encontrado en las estructuras generadas por fractales su inspiración para componer obras en los más diversos géneros desde música clásica, electrónica, ambiental, soundtracks para películas, etc. El compositor español y catedrático de la Academia de Bellas Artes de Granada, Francisco Guerrero Martín (1951-1997) desarrolló un método combinatorio fractal con el que en 1983 compuso su primera Obra  Zayin I-VII, posteriormente también compondría música para largometrajes.

Escultura – Henry Segerman

El profesor investigador y artista matemático Henry Segerman, de la Universidad de Oklahoma, especialista en Topología Geométrica, se ha especializado en  escultura a través de la impresión 3D. Autor del libro Visualizing Mathematics with 3D Printing, recrea modelos geométricos explorando las propiedades más fascinantes en la geometría, incluidas las estructuras fractales con lo que busca ejemplificar tangiblemente estas figuras, poniendo a disposición en su sitio web archivos descargables para su impresión en 3D.

Escultura Fractal
Impresión 3D de curva Hilbert.

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Pensamiento Fractal en la Inteligencia Artificial

El profesor Keith McGreggor del College of Computing at Georgia Tech, investigador del área Inteligencia Artificial y procesos cognitivos, en su conferencia TED expone sobre la forma en que el proceso de interpretación del mundo funciona entre los humanos y su entorno, como conseguimos distinguir elementos del entorno y como la visión moldea el pensamiento y viceversa, esto como preámbulo para técnicamente entender como podríamos crear un ente inteligente capaz de abstraer de lo que ve, información útil. Llegando a la hipótesis  que para lograrlo  es necesario tener la capacidad de distinguir dentro de patrones repetitivos naturales en el entorno,  “la novedad” esa pequeña variación que se distingue dentro de un entorno cargado de información.

Poniendo aprueba esta idea en un programa computacional, experimenta el pensamiento fractal para resolver pruebas de forma más similar a la de los humanos teniendo excelentes resultados.

 


Construye tu Animación Fractal

Selecciona las figuras colores y dale en animar!!


Documental Completo – A la caza de la Dimensión Oculta.


Autor @Pablo_31416

Recursos Consultados

Libros: Vicente Talanquer, “Fractus, fracta, fractal: Fractales de Laberintos y Espejos”, Editorial Fondo de Cultura Económica.

Imagenes: Pixabay, wikipedia, GIPHY, Numberphile, Met Museum, Vilalta Studio,

Canales de Youtube: Acervo – Televisión Educativa, 3Blue1Brown, MITK12Videos, David programa, TED, Edumates

Paginas: Wikipedia, Centro de Documentación Musical de Andalucía, Henry’s Math(s) Website, College of Computing at Georgia Tech, sciencevsmagic.net

Mini Documental “Big Brains. Small Films. Benoît Mandelbrot, The Father of Fractals IBM”.

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