Zona de cizallamiento - Enciclopedia

Zonas de colapso, zonas de trituración o zonas de choque son una característica de seguridad estructural utilizada en vehículos, principalmente en automóviles, para aumentar el tiempo durante el cual se produce un cambio en la velocidad (y, consecuentemente, el momento) durante un impacto en una colisión mediante una deformación controlada; en los últimos años, también se ha incorporado en trenes y vagones de tren.

Las zonas de colapso están diseñadas para aumentar el tiempo durante el cual se aplica la fuerza total del cambio de momento a un ocupante, ya que la fuerza media aplicada a los ocupantes está inversamente relacionada con el tiempo durante el cual se aplica. La física involucrada se puede expresar mediante la ecuación:





F

avg


Δ
t
=
m
Δ
v


{\displaystyle F_{\text{avg}}\Delta t=m\Delta v}


donde



F


{\displaystyle F}

es la fuerza,



t


{\displaystyle t}

es el tiempo,



m


{\displaystyle m}

es la masa, y



v


{\displaystyle v}

es la velocidad del cuerpo. En unidades del Sistema Internacional (SI), la fuerza se mide en newtons, el tiempo en segundos, la masa en kilogramos, la velocidad en metros por segundo, y el impulso resultante se mide en newton segundos (N⋅s).

típicamente, las zonas de colapso se sitúan en la parte frontal del vehículo, para absorber el impacto de un choque frontal, pero también pueden encontrarse en otras partes del vehículo. Según un estudio del Centro Británico de Investigación de Reparación de Seguros de Automóviles sobre dónde ocurre el daño de impacto en el vehículo, el 65% fueron impactos frontales, el 25% impactos traseros, el 5% laterales izquierdas y el 5% laterales derechas. Algunos automóviles de carreras utilizan aluminio, fibra de carbono compuesta o espuma absorbente de energía para formar un amortiguador de impacto que disipa la energía de choque utilizando un volumen mucho más pequeño y un peso mucho menor que las zonas de colapso de los automóviles de carretera. En algunos países, los vehículos de mantenimiento de autopistas también han introducido amortiguadores de impacto.

El 10 de septiembre de 2009, los programas Good Morning America y World News de ABC News mostraron un ensayo de choque de seguridad del Instituto de Seguridad Vial de EE. UU. sobre un Chevrolet Malibu 2009 en un choque frontal desviado con un Chevy Bel Air sedán de 1959. Esto demostró dramáticamente la eficacia del diseño de seguridad moderno frente a los diseños de los años 1950, especialmente de las celdas de seguridad pasiva rígidas y las zonas de colapso.

Historia de desarrollo temprano
El concepto de zona de colapso fue originalmente inventado y patentado por el ingeniero austríaco de Mercedes-Benz Béla Barényi en 1937, antes de trabajar para Mercedes-Benz, y en una forma más desarrollada en 1952. El Mercedes-Benz "Ponton" de 1953 fue una implementación parcial de sus ideas, mediante una plataforma profunda y fuerte que formaba una celda de seguridad parcial, patentada en 1941.

La patente número 854157 de Mercedes-Benz, concedida en 1952, describe la característica decisiva de la seguridad pasiva. Barényi cuestionó la opinión que había prevalecido hasta entonces de que un coche seguro tenía que ser rígido. Dividió el cuerpo del coche en tres secciones: la cabina de pasajeros rígida no deformable y las zonas de colapso en la parte delantera y trasera.

El primer cuerpo de coche Mercedes-Benz desarrollado utilizando la patente fue el salón W111 "cola de pato" de 1959. La celda de seguridad y las zonas de colapso se lograron principalmente mediante el diseño de los miembros longitudinales: estos eran rectos en el centro del vehículo y formaban una jaula de seguridad rígida con las placas del cuerpo, los soportes delanteros y traseros eran curvados de manera que se deformaban en caso de accidente, absorbiendo parte de la energía del impacto.

Un desarrollo más reciente para estos miembros longitudinales curvados es debilitarlos mediante nervios verticales y laterales para formar estructuras de deformación telescópica "caja de choque" o "tubo de trituración".

Función

Las zonas de colapso funcionan gestionando la energía del choque y aumentando el tiempo durante el cual se produce la desaceleración de los ocupantes del vehículo, al mismo tiempo que evitan la intrusión o la deformación de la cabina de pasajeros. Esto protege mejor a los ocupantes del coche contra lesiones. Esto se logra mediante el debilitamiento controlado de las partes externas sacrificiales del coche, mientras se refuerza y se aumenta la rigidez de la parte interna del cuerpo del coche, convirtiendo la cabina de pasajeros en una "celda de seguridad", utilizando más vigas de refuerzo y aceros de mayor resistencia. La energía de impacto que alcanza la "celda de seguridad" se distribuye lo más ampliamente posible para reducir su deformación. Volvo introdujo la zona de colapso lateral con la introducción del SIPS (Sistema de Protección contra Impactos Laterales) a principios de la década de 1990.

Cuando un vehículo y todos sus contenidos, incluyendo pasajeros y equipaje, viajan a velocidad, tienen inercia/momento, lo que significa que continuarán en esa dirección y velocidad (ley de Newton primero de movimiento). En caso de una desaceleración repentina de un vehículo de armazón rígido debido a un impacto, los contenidos del vehículo no restringidos continuarán en su velocidad anterior debido a la inercia y golpearán el interior del vehículo, con una fuerza equivalente a muchas veces su peso normal debido a la gravedad. El propósito de las zonas de colapso es ralentizar el choque para aumentar el tiempo durante el cual los ocupantes desaceleran, reduciendo así la fuerza máxima aplicada a los ocupantes en un período de tiempo dado.

Los cinturones de seguridad restringen a los pasajeros para que no se desplacen por el parabrisas y se coloquen en la posición correcta para el airbag, y también aumentan el tiempo durante el cual los ocupantes desaceleran. Los cinturones de seguridad también absorben la energía inercial de los pasajeros mediante su diseño para estirarse durante un impacto, aumentando así el tiempo durante el cual un ocupante desacelera. Según el informe de la NHTSA, el uso de un cinturón de seguridad puede reducir el riesgo de lesiones fatales en un 50%. En resumen: un pasajero cuyo cuerpo se desacelera más lentamente debido a la zona de colapso (y otros dispositivos) durante un período de tiempo más largo sobrevive con mayor frecuencia que un pasajero cuyo cuerpo impacta indirectamente en un cuerpo metálico duro y sin daños del coche que se detiene casi instantáneamente. Esta diferencia en la desaceleración es análoga a la diferencia entre hacer que alguien se estrelle contra una pared de frente (fracturando su cráneo) y de hombro (lastimando su carne ligeramente) – el brazo, siendo más blando, tarda cien veces más en ralentizar su velocidad que el cráneo duro, que debe manejar una presión extremadamente alta en el momento en que entra en contacto con la pared. Como los cinturones de seguridad se estiran mientras restringen a los ocupantes durante un impacto, es necesario reemplazarlos si el coche se repara y se vuelve a poner en la carretera después de un accidente. También deben reemplazarse si su condición se ha deteriorado, por ejemplo, debido a la desgarradura o a fallos mecánicos o de montaje del cinturón. En Nueva Zelanda es oficialmente obligatorio reemplazar los cinturones de seguridad de tipo reel de inercia desgastados solo con cinturones de tipo "webbing grabber" que tienen menos holgura y son más efectivos en los coches más antiguos. Los coches más nuevos tienen cinturones de seguridad pre-tensionados electrónicamente que están programados para funcionar con el disparo del airbag. La compra de cinturones de seguridad de segunda mano no es una buena idea incluso en los países donde es legal hacerlo, porque pueden haber sido estirados en un evento de impacto y pueden no proteger a sus nuevos usuarios como debería.

El impacto final después de que el cuerpo del pasajero golpea el interior del coche, el airbag o los cinturones de seguridad es el impacto de los órganos internos contra la caja torácica o el cráneo debido a su inercia. La fuerza de este impacto es la manera en que muchos choques de coche causan lesiones incapacitantes o mortales. Otras formas son el daño óseo y la pérdida de sangre, debido a vasos sanguíneos desgarrados o daños causados por huesos fracturados afilados a órganos y / o vasos sanguíneos. La secuencia de tecnologías de reducción de velocidad (zonas de colapso → cinturones de seguridad → airbags → interiores amortiguados / deformables) están diseñadas para funcionar juntas como un sistema para reducir la fuerza máxima del impacto en el exterior del cuerpo del pasajero al alargar el tiempo durante el cual se transfiere la energía del choque. En un choque, ralentizar la desaceleración del cuerpo humano incluso en unos pocos décimos de segundo reduce drásticamente la fuerza máxima aplicada.

Una falsa creencia sobre las zonas de colapso a veces expresada es que reducen la seguridad de los ocupantes del vehículo permitiendo que el cuerpo del vehículo se colapse, lo que conlleva el riesgo de aplastar a los ocupantes. De hecho, las zonas de colapso se sitúan generalmente delante y detrás del cuerpo principal del coche (que forma una "celda de seguridad" rígida), comprimiéndose dentro del espacio del compartimento del motor o del maletero. Los vehículos modernos que utilizan zonas de colapso proporcionan una protección mucho mejor para sus ocupantes en pruebas severas contra otros vehículos con zonas de colapso y objetos estáticos sólidos que los modelos de coche más antiguos o los SUV que utilizan un chasis separado y no tienen zonas de colapso.

Los vehículos modernos con zonas de colapso tienden a salir peor en accidentes con SUV sin zonas de colapso porque la mayor parte de la energía del impacto se absorbe por el vehículo con la zona de colapso; sin embargo, aunque el vehículo "más afectado" puede terminar más dañado, los ocupantes del coche a menudo se ven menos afectados por el choque. El resultado de un choque entre dos vehículos sin zonas de colapso será generalmente más peligroso para los ocupantes de ambos vehículos que un choque que al menos en parte está amortiguado.

Otro problema es la "incompatibilidad de impacto", donde los "puntos duros" de los extremos de los rieles del chasis de los SUV son más altos que los "puntos duros" de los coches, lo que hace que el SUV "override" el compartimento del motor del coche. Para abordar este problema, los SUV/off-roaders más recientes incorporan estructuras debajo del paragolpes delantero diseñadas para acoplarse a las zonas de colapso de menor altura de los coches. En el comunicado de prensa de Volvo sobre esta característica:

Un riel transversal más bajo que ayuda a proteger a los coches más bajos: El subchasis de suspensión delantero del nuevo Volvo XC60 se complementa con un riel transversal situado a la altura de la viga de un coche convencional. El riel transversal golpea la estructura protectora del coche que se aproxima, activando su zona de colapso como se pretende para proporcionar a los ocupantes el máximo nivel de protección.

Absorción de impactos de baja velocidad

La parte delantera del paragolpes está diseñada para soportar colisiones de baja velocidad, por ejemplo, como en los baches de aparcamiento para evitar daños permanentes al vehículo. Esto se logra mediante elementos elásticos, como el delantero del paragolpes. En algunos vehículos, el paragolpes está lleno de espuma o sustancias elásticas similares. Este aspecto del diseño ha recibido más atención en los últimos años ya que la evaluación de choques del NCAP ha añadido impactos de peatones a su régimen de pruebas. La reducción de estructuras de soporte rígidas en áreas de impacto de peatones también se ha convertido en un objetivo de diseño.

En el caso de colisiones menos graves (hasta aproximadamente 20 km/h), el diseño del paragolpes y la placa exterior debe garantizar que la zona de colapso y la estructura de soporte del vehículo se dañen lo menos posible y se puedan reparar lo más barato posible. Para este propósito, se utilizan lo que se denominan tubos de choque o cajas de choque para montar los paragolpes. Los tubos de choque consisten en un perfil de acero hueco, que transforma la energía incidente enrollando el perfil.

Simulación de choques mediante modelo por ordenador

A principios de la década de 1980, utilizando tecnología desarrollada para la industria aeroespacial y nuclear, los fabricantes alemanes de coches comenzaron estudios complejos de simulación de choques por ordenador, utilizando métodos de elementos finitos que simulaban el comportamiento de choque de componentes individuales del cuerpo del coche, ensamblajes de componentes y cuartos y mitades de coches en la fase de cuerpo en blanco (BIW). Estos experimentos culminaron en un proyecto conjunto por la Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), una agrupación de todos los siete fabricantes alemanes de coches (Audi, BMW, Ford, Mercedes-Benz, Opel (GM), Porsche y Volkswagen), que probó la aplicabilidad de dos códigos comerciales de simulación de choque emergentes. Estos códigos de simulación recrearon un impacto frontal de una estructura completa de pasajeros (Haug 1986) y se ejecutaron hasta completar en una computadora durante la noche. Ahora que el tiempo de espera entre dos presentaciones consecutivas de trabajo (ejecuciones de computadora) no excedía un día, los ingenieros pudieron realizar mejoras eficientes y progresivas en el comportamiento de choque de la estructura del cuerpo del coche analizada. La búsqueda de una mayor resistencia al choque en Europa se ha acelerado desde los años 1990, con el advenimiento en 1997 del Euro NCAP, con la participación de la experiencia de seguridad de las carreras de Fórmula Uno.

"Carruajes" dentro de las celdas de seguridad

El vehículo experimental de seguridad Nido de Pininfarina de 2004 coloca las zonas de colapso dentro de la celda de supervivencia. Estas zonas de colapso internas desaceleran una celda de supervivencia montada en un carruaje. Volvo también ha estado desarrollando esta idea para su uso en coches pequeños. El asiento del conductor está montado en lo que es básicamente un "carruaje" en una riel, con amortiguadores delante de él. En un impacto, todo el "carruaje" del asiento del conductor y del conductor amarrado se desliza hacia adelante hasta 8 pulgadas (20 cm), y los amortiguadores disipan la energía máxima de choque, alargando el tiempo de desaceleración del conductor. Simultáneamente, el volante y el tablero lateral del conductor se deslizan hacia adelante para hacer espacio para el conductor, ya que son empujados hacia adelante estirando el cinturón de seguridad. Combinado con una zona de colapso frontal y un airbag, este sistema podría reducir considerablemente las fuerzas actuando sobre el conductor en un impacto frontal.

Véase también
Seguridad en automóviles
Guard rail § Seguridad automotriz
Cortafuegos
Pruebas de choque
Programa de Evaluación de Vehículos Nuevos

Referencias


Enlaces externos
Antes y después de un choque entre un Bel Air de 1959 y un Malibu de 2009
Zonas de colapso en automóviles
Zonas de colapso (¿Cómo funcionan las zonas de colapso?)
¿Han utilizado alguna vez los ensayos de choque ocupantes vivos (o muertos)? - Howstuffworks.com
¿Cómo funcionan las pruebas de choque? - Howstuffworks.com
¿Por qué sigue siendo necesario realizar pruebas de choque en vehículos? - Howstuffworks.com
BBC News - Cómo los muertos han ayudado a los vivos
¿Cómo funcionan la fuerza, el poder, el par y la energía? - Howstuffworks.com
Béla Barényi – una historia de seguridad - Mercedes-Benz original
La dinámica fundamental de la violencia en los choques de coche. La física. La ingeniería. John Cadogan de autoexpert.com.au
Ingeniería de choque y diseño de seguridad
Patente No. 854157 Documentos originales de patente de 'zona de colapso' (en alemán)