Pedeorelha | Cómo funcionan las zonas de deformación

Paul Sparks
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Las zonas de deformación están diseñadas para absorber y redistribuir la fuerza de una colisión. Vea más imágenes de seguridad de automóviles. Producciones de perros amarillos / Getty Images

La seguridad automotriz ha avanzado mucho en las últimas décadas y una de las innovaciones más efectivas es la zona de deformación. También conocido como zona de aplastamiento, Las zonas de deformación son áreas de un vehículo diseñadas para deformarse y arrugarse en caso de colisión. Esto absorbe parte de la energía del impacto, evitando que se transmita a los ocupantes..

Por supuesto, mantener a las personas seguras en accidentes automovilísticos no es tan simple como hacer que todo el vehículo se arrugue. Los ingenieros deben considerar muchos factores al diseñar automóviles más seguros, incluido el tamaño y el peso del vehículo, la rigidez del bastidor y las tensiones a las que es probable que esté sujeto el automóvil en un choque. Por ejemplo, los autos de carrera experimentan impactos mucho más severos que los autos de calle, y los SUV a menudo chocan con más fuerza que los autos pequeños..

Descubriremos cómo las zonas de deformación redistribuyen las fuerzas involucradas en un choque, de qué están hechas las zonas de deformación y aprenderemos sobre algunos otros sistemas de seguridad avanzados que se están probando en este momento. También descubriremos cómo se han incorporado las zonas de deformación en los autos de carrera y por qué se podrían haber evitado una serie de muertes en carreras si el deporte hubiera adoptado estas características de seguridad antes. Incluso echaremos un vistazo a las zonas de deformación diseñadas para absorber el impacto masivo de una colisión de trenes..

Para conocer las fuerzas involucradas en una colisión y aprender cómo una zona de deformación bien diseñada puede minimizar las lesiones de los ocupantes, lea la página siguiente..

¿Qué hay en una zona de deformación??

Los detalles de los diseños de zonas de deformación suelen ser información patentada que los fabricantes de automóviles se muestran reacios a divulgar. Pueden variar mucho, según el tamaño y el peso del vehículo. Los diseñadores deben lograr un equilibrio entre demasiada resistencia al impacto y muy poca resistencia al impacto. Los diseños simples pueden incluir segmentos de marco construidos para doblarse en ciertas áreas o colapsar sobre sí mismos. Los diseños más avanzados pueden utilizar una variedad de metales y otros materiales cuidadosamente diseñados para absorber la mayor cantidad de energía cinética posible. Los automóviles de alto rendimiento a menudo usan un diseño de panal, que ofrece rigidez en condiciones normales, pero puede colapsar y arrugarse en un choque..

Contenido

Fuerza de impacto
Compromisos de diseño
Prevención de muertes en el automovilismo

Estos coches han sido sometidos a prueba de colisión en una instalación de investigación de seguridad de automóviles en Wolfsburg, Alemania. Observe cómo las zonas de deformación parecen haber absorbido la mayor parte del impacto. Peter Ginter / Getty Images

Siempre que un automóvil se ve involucrado en un choque, intervienen intensas fuerzas cinéticas. Una determinada cantidad de fuerza está presente durante cualquier choque. Los números reales varían según la velocidad y la masa del automóvil y la velocidad y la masa de lo que golpee. Los físicos miden esta fuerza como aceleración -- Incluso cuando se pasa de una velocidad alta a una velocidad más baja, cualquier cambio en la velocidad con el tiempo se conoce científicamente como aceleración. Para evitar confusiones, nos referiremos a la aceleración del choque como desaceleración.

Las zonas de deformación cumplen dos objetivos de seguridad. Reducen la fuerza inicial del choque y redistribuyen la fuerza antes de que llegue a los ocupantes del vehículo..

La mejor forma de reducir la fuerza inicial en un choque con una determinada cantidad de masa y velocidad es reducir la desaceleración. Ha visto este efecto por sí mismo si ha tenido que frenar bruscamente por cualquier motivo. Las fuerzas que experimenta en una parada de emergencia son mucho mayores que cuando reduce gradualmente la velocidad para un semáforo. En una colisión, reducir la desaceleración incluso en unas pocas décimas de segundo puede crear una reducción drástica de la fuerza involucrada. La fuerza es una ecuación simple:

Fuerza = masa * aceleración

Cortar la desaceleración a la mitad también reduce la fuerza a la mitad. Por lo tanto, cambiar el tiempo de desaceleración de .2 segundos a .8 segundos resultará en una reducción del 75 por ciento en la fuerza total..

Las zonas de deformación logran esto creando una zona de amortiguación alrededor del perímetro del automóvil. Ciertas partes de un automóvil son inherentemente rígidas y resistentes a la deformación, como el compartimiento de pasajeros y el motor. Si esas partes rígidas golpean algo, desacelerarán muy rápidamente, lo que generará mucha fuerza. Rodear esas partes con zonas de deformación permite que los materiales menos rígidos reciban el impacto inicial. El automóvil comienza a desacelerar tan pronto como la zona de deformación comienza a arrugarse, extendiendo la desaceleración unas pocas décimas de segundo adicionales..

Las zonas de deformación también ayudan a redistribuir la fuerza del impacto. Toda la fuerza tiene que ir a alguna parte, el objetivo es alejarla de los ocupantes. Piense en la fuerza involucrada en un choque como un presupuesto de fuerza. Todo lo que le sucede al automóvil durante un impacto y cada persona dentro del automóvil en el momento del impacto gasta parte de la fuerza. Si el automóvil golpea un objeto no estacionario, como un automóvil estacionado, entonces se transfiere algo de fuerza a ese objeto. Si el automóvil golpea algo con un golpe de mirada y gira o rueda, gran parte de la fuerza se gasta en girar y rodar. Si partes del automóvil salen volando, se gasta aún más fuerza. Lo más importante es que el daño al automóvil en sí gasta fuerza. Doblar partes del marco, romper paneles de la carrocería, romper cristales: todas estas acciones requieren energía. Piense en cuánta fuerza se necesita para doblar la estructura de acero de un automóvil. Esa cantidad de fuerza se gasta en doblar el marco, por lo que nunca se transmite a los ocupantes..

Las zonas de deformación se basan en ese concepto. Las partes del automóvil están construidas con estructuras especiales en su interior que están diseñadas para dañarse, arrugarse, aplastarse y romperse. Explicaremos las estructuras en sí mismas en breve, pero la idea fundamental es que se necesita fuerza para dañarlas. Las zonas de deformación gastan tanta fuerza como sea posible para que otras partes del automóvil y los ocupantes no sufran los efectos..

Entonces, ¿por qué no hacer que todo el automóvil sea una zona de deformación gigante? Y si necesita espacio para que una zona de deformación absorba el impacto, ¿cómo se construye un automóvil compacto con zonas de deformación? Te lo explicaremos en la siguiente sección..

El inventor de la zona de deformación

Béla Barényi fue un ingeniero e inventor que pasó la mayor parte de su carrera trabajando para Daimler-Benz. Su nombre aparece en más de 2.500 patentes. Una de esas patentes, emitida en 1952, explica cómo se podría diseñar un automóvil con áreas en la parte delantera y trasera construidas para deformar y absorber la energía cinética en un impacto. Puso el concepto en uso en 1959 en el Mercedes-Benz W111 Fintail, el primer automóvil en usar zonas de deformación [fuente: Oficina Alemana de Patentes y Marcas].

Este BMW obviamente ha sufrido un impacto severo y parece muy dañado. Sin embargo, ninguno de los daños se produjo en el compartimiento de pasajeros: la zona de deformación delantera hizo su trabajo. Tim Graham / Getty Images

Absorber y redirigir el impacto es fantástico, pero no es el único problema de seguridad por el que los diseñadores de automóviles tienen que preocuparse. El compartimento de pasajeros del automóvil debe resistir la penetración de objetos externos u otras partes del automóvil, y debe mantenerse unido para que los ocupantes no sean arrojados. No puede hacer que todo un automóvil sea una zona de deformación porque no quiere que las personas que están dentro se arruguen también. Es por eso que los automóviles están diseñados con un marco rígido y fuerte que encierra a los ocupantes, con zonas de deformación en la parte delantera y trasera. La reducción y redistribución de la fuerza se logra dentro del compartimiento de pasajeros a través del

uso de airbags.

Hay algunas partes de los automóviles que simplemente no pueden deformarse. El motor es el principal culpable: en la mayoría de los vehículos, el motor es un bloque de acero grande y pesado. Allí no se arruga. Lo mismo ocurre con los vehículos con bloques de motor de aluminio. A veces, los automóviles deben rediseñarse para mover el motor más atrás en el marco para adaptarse a una zona de deformación más grande. Sin embargo, esto también puede causar problemas: si el motor se empuja hacia el compartimiento de pasajeros como resultado de un impacto, puede causar lesiones..

-Los tanques de combustible y los paquetes de baterías, en vehículos eléctricos o híbridos, también deben protegerse contra impactos para evitar incendios o exposición a químicos tóxicos. Pueden diseñarse de modo que una sección del marco proteja el tanque, pero esa parte del marco puede doblarse lejos del impacto. Por ejemplo, si un automóvil tiene choques traseros, el marco se dobla, levantando el tanque de gasolina y absorbiendo algo del impacto. Los automóviles más nuevos tienen sistemas que cortan el suministro de combustible al motor durante un choque, y el Tesla Roadster, un automóvil eléctrico de alto rendimiento, tiene un sistema de seguridad que apaga los paquetes de baterías y drena toda la energía eléctrica de los cables que recorren el automóvil cuando detecta una emergencia [fuente: Tesla Motors].

Por supuesto, es fácil construir zonas de deformación en un vehículo grande con mucho espacio para deformarse antes de que el compartimiento de pasajeros se vea afectado. Diseñar zonas de deformación en vehículos pequeños requiere algo de creatividad. Un buen ejemplo es el smart fortwo, un extremadamente pequeño

y vehículo eficiente. El conductor y el pasajero están encerrados en la celda de seguridad tridion, una estructura de acero con una rigidez excelente para su tamaño. La geometría está diseñada para distribuir los impactos por todo el marco. En la parte delantera y trasera del smart fortwo están las llamadas inteligentes cajas de choque. Estos son pequeños marcos de acero que colapsan y se arrugan para absorber impactos. Debido a que las cajas de choque son tan pequeñas, se han utilizado otras características de absorción de impactos para complementarlas. Por ejemplo, la transmisión puede actuar como un amortiguador en caso de una colisión frontal. La corta distancia entre ejes del fortwo significa que casi cualquier impacto afectará a los neumáticos, las ruedas y la suspensión. Estos componentes se han diseñado para deformarse, desprenderse o rebotar, lo que ayuda a absorber aún más energía cinética durante un impacto [fuente: smart USA].

A continuación, veremos cómo las zonas deformables ayudan a mantener vivo a su piloto de carreras favorito..

Zonas de deformación en trenes

Hemos hablado de la increíble fuerza cinética que actúa cuando un coche choca, pero imagina la fuerza involucrada cuando dos trenes chocan. Debido al inmenso peso de un tren, una colisión puede crear fuerzas decenas o incluso cientos de veces mayores que las de un accidente automovilístico. Sin embargo, las zonas de deformación se pueden utilizar incluso en estas circunstancias extremas. Usando simulaciones por computadora en 3D, los ingenieros pueden construir una zona de deformación que se deformará de manera constante y uniforme durante el impacto, absorbiendo la máxima fuerza posible. Las zonas de deformación se colocan en ambos extremos de cada vagón de un tren de pasajeros. En el caso de una colisión, la reacción en cadena de los coches que chocan entre sí distribuye la fuerza a través de todas las zonas de deformación del tren. Eso podría absorber suficiente fuerza de impacto para evitar lesiones a los pasajeros [fuente: Diseño de la máquina].

Algunos choques, como este que involucra al piloto de Fórmula Uno Robert Kubica, se ven espectaculares y horribles. De hecho, la destrucción del coche probablemente salvó la vida de Kubica. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Incluso si no eres fanático de las carreras de autos, probablemente hayas visto imágenes de choques espectaculares en los que los autos caen por la pista, arrojando partes en todas direcciones mientras el auto es literalmente destruido. Sin embargo, milagrosamente, el conductor sale de los restos retorcidos y se aleja ileso. Si bien estos choques se ven horribles, toda esa destrucción espectacular es gastar energía cinética. Probablemente no sea un viaje divertido para el conductor, pero el automóvil está haciendo exactamente lo que fue diseñado para hacer en esta situación: proteger a la persona en el asiento del conductor..

También ha habido raras ocasiones en las que un coche de carreras golpeó un objeto sólido a gran velocidad, como el accidente del piloto de NASCAR Michael Waltrip en Bristol en 1990. Golpeó el extremo romo de un muro de hormigón a velocidades de carrera y el coche se detuvo de repente. . El impacto generó fuerzas enormes, pero Waltrip resultó ileso. La razón es evidente al mirar los restos de su automóvil ese día. Fue total y absolutamente destruido. Toda esa fuerza se gastó en la destrucción del automóvil. Claramente, el incidente fue mucho más allá de las capacidades de cualquier zona de deformación y, de hecho, fue simplemente una cuestión de suerte que nada se entrometiera en el compartimiento del conductor para lastimar a Waltrip. La redistribución de la fuerza le salvó la vida.

Las secuelas del accidente que mató a Dale Earnhardt, Sr. Su automóvil, el negro # 3, no parece estar muy dañado. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Sin embargo, existe un contrapunto desafortunado al concepto. Desde la década de 1980 hasta principios de la de 2000, hubo numerosas muertes en carreras debido a un chasis demasiado rígido. Probablemente el incidente más conocido es la muerte de Dale Earnhardt Sr. en las 500 Millas de Daytona de 2001. El accidente no pareció inicialmente ser grave y el automóvil no pareció sufrir daños importantes; sin embargo, ese era exactamente el problema. Gran parte de la fuerza del impacto se transfirió directamente al conductor, provocando lesiones graves e inmediatas. La lesión fatal fue una fractura de cráneo basilar, una lesión en el área donde se conectan el cráneo y la médula espinal. Esta lesión es la causa de muerte en muchos accidentes automovilísticos y ocurre cuando la cabeza se mueve hacia adelante en el impacto mientras el cuerpo permanece sujeto por cinturones de seguridad. Si bien los dispositivos de sujeción de la cabeza y el cuello han reducido la incidencia de fracturas de la base del cráneo, la reducción de las fuerzas de impacto sobre el conductor también ha jugado un papel importante.

Varios otros conductores conocidos murieron durante este período, así como conductores menos conocidos en las clases de modelos modificados y últimos de NASCAR que compiten en pistas de todo Estados Unidos. La razón detrás del aumento de accidentes fatales fue simplemente la búsqueda de un mayor rendimiento. Los diseñadores y equipos de automóviles buscaron un mejor manejo mediante la creación de un chasis más rígido. Esto incluyó agregar componentes al marco, usar rieles de marco rectos y cambiar a tubos de acero con paredes más gruesas. Claro, hicieron que el chasis fuera más rígido, pero cuando estos autos inflexibles chocaron contra una pared, no hubo respuesta. Ninguna parte de la fuerza fue absorbida por el automóvil: el conductor recibió la mayor parte del impacto.

Incluso antes de la muerte de Earnhardt en 2001, las pistas de carreras estaban tratando de encontrar soluciones a este problema. Las pistas en el noreste de los Estados Unidos experimentaron con bloques gigantes de poliestireno industrial que recubren las paredes, un concepto similar a la tecnología de paredes blandas que se usa en muchas pistas de velocidad en la actualidad. Más importante aún, se cambiaron los coches. Ahora se usan tubos de acero de calibre más delgado en ciertas partes del chasis, y los rieles del marco reciben una curva o muesca para que se deformen de manera predecible con el impacto..

El Car of Tomorrow de NASCAR, utilizado en las carreras de la Copa Sprint, tiene espuma y otro material absorbente de impactos insertado en áreas críticas del cuadro. Aunque las carreras de autos siempre serán un deporte peligroso, el uso de una construcción de chasis menos rígida, tecnología de paredes blandas y sistemas de sujeción de la cabeza y el cuello han reducido en gran medida las fuerzas de impacto en los conductores.

Para obtener más información sobre dispositivos de seguridad automotriz, carreras y otros temas relacionados, siga los enlaces de la página siguiente..

Paseo de seguridad hacia abajo

Volvo ha estado desarrollando otra tecnología de absorción de impactos para su uso en automóviles pequeños. El asiento del conductor está montado en lo que es básicamente un trineo sobre un riel, con amortiguadores en frente. En un impacto, todo el "trineo" (el asiento y el conductor incluidos) se desliza hacia adelante hasta 8 pulgadas, y los amortiguadores literalmente hacen su trabajo, absorbiendo el impacto del impacto. Al mismo tiempo, el volante y una sección del tablero de instrumentos se deslizan hacia adelante para dejar espacio para el conductor. Combinado con una zona de deformación delantera y posiblemente una bolsa de aire, este sistema podría reducir en gran medida las fuerzas que actúan sobre el conductor en una colisión frontal [fuente: Ford Motor Company].