Las Notas de Jero, Un lujo a nuestro alcance... Opciones

[tenista]

Quiero presentaros a...

Jero
@jeroitim

Ingeniero Mecánico. Apasionado por la ingeniería de Competición, en especial F1. E interesado en la aviación militar.

Desde hoy hasta cuando él quiera, nos "aprovecharemos" de sus conocimientos, para aumentar los nuestros. Sirva como presentación el siguiente hilo, creo es bastante mejor a que yo siga escribiendo palabra tras palabra.








https://twitter.com/jeroitim/status/1342857480716611590

[Jero]

Buenos días y buen domingo.

Hoy voy a hablar de lo que se conoce como "crashworthiness", que no es más que el estudio de las estructuras y la medición de la capacidad de protección de su contenido. En el caso de los automóviles, y sobretodo en competición, esto es primordial para garantizar la supervivencia de los ocupantes del vehículo.

Para empezar, debes conocer bien que es un ensayo a tracción y que es la resiliencia. Comienzo por tracción, que no es más que el esfuerzo al que se somete un material, mediante la aplicación de dos fuerzas en la misma dirección pero de sentidos opuestos.



Esto hará que la pieza, o estructura, sufra una elongación que será directamente proporcional a la fuerza aplicada, hasta llegar al límite elástico del material. Entonces el material comenzará a sufrir deformaciones plásticas, las cuáles son en parte permanentes y en parte elásticas (recuperables). Bueno, con un gráfico esfuerzo-deformación lo verás mejor. El límite elástico marcará el punto desde el cuál la pieza sufre deformaciones permanentes. La rotura se considera cuando llegue al punto D, ya que no se habrá producido aún fractura pero ese material es irrecuperable.
La zona de fluencia es aquella en la que el esfuerzo puede aumentar mínimamente, pero la deformación aumetna de manera exponencial. La zona de C a D se denomina de endurecimiento por deformación, porque el material empieza a acumular muchas tensiones internas y se necesita mucha más fuerza para obtener una pequeña deformación.



Para calcular la resistencia a tracción, se realiza mediante un ensayo homónimo. Una máquina elongará una probeta y se medirán su deformación y los esfuerzos aplicados. Las probetas son de este tipo, y pueden ser de PRFC como estas que te enseño, o de cualquier otro material (incluídos materiales metálicos como acero, aluminio, etc).



Ahora toca aprender, o repasar, el concepto de resiliencia. La resiliencia, en resistencia de materiales, es una propiedad de los materiales que nos indica la cantidad de trabajo externo que es capaz de absorber, mediante deformación y antes de fracturarse.
Este concepto es un poco más complicado, pero si te digo que lances una piedra contra un cristal y contra un tablón grande de madera, y te pregunto cuál se romperá antes... seguramente me contestes que el cristal. Pues ya entiendes un poco mejor que es la resiliencia, la cuál se puede decir que es la capacidad de absorción de impactos (a groso modo y siendo inexacto).
El ensayo para calcular la resiliencia se denomina "ensayo Charpy", y se usa una máquina conocida como péndulo Charpy. Esta, que te enseño en el esquema, consiste en un péndulo con una masa determinada (suele ser superior a 27 kg.) y se bloquea en un ángulo determinado (depende de la velocidad que quieras obtener). La probeta (con unas medidas estandarizadas), se coloca en un soporte que se encuentra paralelo al suelo, así el péndulo la golpeará en perpendicular, fracturará la probeta y se mide el ángulo que alcanza en el otro lado. La diferencia de ángulos nos indica la energía absorbida por la probeta.



Toda vez que conoces estos conceptos, ya conoces mejor que es el crashworthiness. También te digo que se hacen ensayos a compresión, siendo muy parejos a los de tracción pero comprimiendo la pieza hasta romperla. Decirte que la resistencia a tracción suele ser superior a la de compresión, salvo en materiales cerámicos que suele ser al contrario.
Aquí expongo un par de ejemplos de ensayos a compresión:




En el segundo ejemplo, observarás dos comportamientos diferentes del PRFC (CFRP), y es que la colocación de las fibras de refuerzo (su dirección en el material) es muy importante. El caso casi isotrópico (es imposible la isotropía al 100%) se comporta mucho mejor que el caso en que las fibras están alineadas. El material metálico suele ser muy isotrópico y por eso se comporta de manera más homogénea.

Y, por último, un ejemplo de ensayo a tracción con dos tipos de PRFC. Uno en el que la matríz no está curada del todo (cocida al completo), y otra en el que la matríz si lo está.



La diferencia es palpable, en el primer caso los esfuerzos no se han transmitido correctamente y la rotura es muy irregular, y las fibras están dispersas. En el segundo es mucho más homogénea, aunque también es una rotura frágil y este tipo de roturas no suelen avisar. Este último caso es el que suele ocurrir con elementos de los F1 como alerones, brazos de suspensión, y demás aditamentos que se rompen de manera frágil (aunque su límite elástico es elevadísimo).

Por último, añadir que es necesario comprender bien esto para poder realizar los ensayos conocidos como "crash test". Lo más importante en ingeniería es que las condiciones iniciales (o de contorno) del ensayo sean lo más fidedignas posibles a lo que pueda pasar en la realidad. Así, los datos obtenidos son relevantes y extrapolables.
Bien, espero que te haya gustado este post... al menos casi tanto como a mí escribirlo. Y pregunta cualquier duda que te surja.