sábado, 5 de mayo de 2007

EL COMETA QUE SE ESTRELLÓ


Hoy, chorlitos, hablaremos sobre una de las cosas que más dolores de cabeza dan a los ingenieros en general, y a los ingenieros aeronáuticos en particular: la fatiga de materiales. Los que no hayáis escuchado nunca hablar de ella os estaréis preguntando, lógicamente extrañados, si los materiales pueden cansarse. Pues sí que se cansan, y es un problema muy serio y que por desgracia no se soluciona con unas buenas vacaciones.

Hablando con algo más de propiedad, la fatiga es un fenómeno asociado al crecimiento de grietas que al principio son de poca importancia, pero que con el paso del tiempo pueden llevar a un fallo catastrófico. Seguro que todos habéis escuchado alguna vez hablar de lo preocupantes que son las grietas en los aviones (cito como ejemplo la noticia referente al Concorde de hace unos cuantos años).

Ensayo de fatiga en una pala de aerogenerador

La fatiga se produce cuando un material está sometido a fuerzas cíclicas (es decir, que se repiten). Imaginad que cogemos a un humano y lo colgamos de un gancho metálico, por ejemplo, de aluminio (supongamos como hipótesis que el humano se deja colgar y que no se mueve mientras está colgado). El gancho no tiene ningún problema para soportar el peso del humano, puesto que su resistencia máxima le permite aguantar cargas mucho mayores. Pero si descolgamos al humano y lo volvemos a colgar unas cuantas veces (pongamos 3000), es posible que aparezca una microgrieta (no visible a simple vista) en algún punto del material. Una vez que esto ocurra, si continuamos colgando y descolgando al humano, con cada uno de los ciclos de carga la grieta crecerá un poco más, hasta hacerse visible y, por último, causar la rotura del gancho (con lo que el humano caerá estrepitosamente al suelo).

lata de refresco

La fatiga implica siempre una deformación elástica del material; es decir, tras liberar la carga, la pieza volverá a su posición original. Cuando rompemos la anilla de una lata de refresco doblándola repetidas veces (que es quizá un ejemplo más cercano que el anterior, ya que normalmente es muy difícil encontrar a un humano que deje que lo cuelguen de un gancho), la deformación a la que la estamos sometiendo es plástica (una vez doblada, la anilla se queda así). Aunque tras varios ciclos de carga la anilla terminará rompiéndose, en este caso se trata de una sobrecarga cíclica y no de fatiga. No sólo se producirá una grieta en la zona de rotura; además habrá una deformación permanente del material en los alrededores.

Los metales, y el aluminio en particular, son especialmente propensos a sufrir fatiga. En algunos materiales compuestos, como los de fibra de carbono, sin embargo, las fibras frenan el crecimiento de las grietas, por lo que son inmunes a este problema. La campana de la foto es la famosa Liberty Bell americana, hecha en bronce. La aparición de grietas de fatiga en las campanas es muy común.

Grieta causada por fatiga en la 'Liberty Bell'

Un caso de fallo por fatiga tristemente famoso en aeronáutica es el del De Havilland Comet. Todos los aviones presurizados están sometidos a ciclos de carga y descarga entre los despegues y los aterrizajes, al aumentar y disminuir la diferencia de presiones entre el exterior y el interior del avión con las variaciones de altitud. Las esquinas, en cualquier estructura, siempre son lugares de concentración de esfuerzos, así que unas ventanas muy cuadradas en el fuselaje se convertirán en puntos críticos sometidos a un estrés mucho mayor que el resto de la estructura. El Comet tenía este defecto. En un solo año, tres de estos aviones estallaron en pleno vuelo, sin que al principio nadie supiera la razón (los humanos, allá por el año 1954, eran todavía muy novatos en eso de presurizar los aviones). Finalmente llegaron a la conclusión de que la causa había sido la fatiga y que las grietas se habían iniciado en las ventanas, por lo que rediseñaron el avión con ventanas redondeadas y lo llamaron Comet-2, para que la gente supiera que ya habían solucionado el problema (aunque aquello tampoco disparó demasiado las ventas del avión, y sólo lo compró la compañía de bandera británica, BOAC, porque era un avión inglés) (los ingleses son los más chovinistas de los humanos).

De Havilland Comet

Aunque el Comet es un ejemplo clásico cuando se habla de fatiga, no es el único. Trenes, puentes, motores, barcos e incluso tanques de melaza terminaron por sucumbir a sus efectos. Son famosos los barcos Liberty de la Segunda Guerra Mundial.

Uno de los barcos 'Liberty' partido por la mitad

Y el hundimiento del Prestige, que tanto traumatizó a la población de aves marinas española, pudo estar causado también por una grieta de fatiga.

Hundimiento del 'Prestige'

La fatiga es un enemigo implacable y silencioso, que muchas veces aprovecha el despiste humano para actuar subrepticiamente hasta que ya es demasiado tarde. Por ello, los humanos han inventado un montón de sistemas para ir a la caza de la grieta en estructuras susceptibles de sufrir este tipo de fallo: ultrasonidos, magnetismo, pintura, microscopios… No se debe confiar en las estructuras diseñadas por humanos sin antes haberlas inspeccionado cuidadosamente (al menos ellos mismos son conscientes de eso). Nunca se sabe cuándo un humano especialmente torpe puede haber estado a cargo del diseño de una pieza crítica, así que toda precaución es poca.

NOTA: Anteriormente había puesto a la lata de refresco como ejemplo de rotura por fatiga, pero no lo es. Es un caso de rotura por sobrecarga cíclica. Ya está corregido.

12 piopíos:

César dijo...

Hola, hace unos días descubrí tu blog, casi por casualidad mientras buscaba información sobre el principio de sustentación (sólo por curiosidad; no me dedico a nada relacionado con esta materia) y me quedé impresionado con la claridad con la que explicas estos conceptos (me he leído todos los post y son geniales).

Quería felicitarte por lo bien que lo cuentas y por la iniciativa de compartirlo con el resto de los mortales.

Un saludo desde las islas afortunadas

Lyd dijo...

Muchas gracias! Mi objetivo desde el principio era explicar todo esto para que gente de fuera del gremio pueda entenderlo, pero no siempre estoy segura de haber conseguido una explicación clara de las cosas, así que me alegras el día con ese comentario ;)

Un saludo para ti y otro para las islas afortunadas, que las echo mucho de menos!

El Otro dijo...

De nuevo muy interesante aunque lo de 'colgar a un humano de un gancho' suena un poco macabro....

Apuntar que, por lo que he oido, lo materiales compuestos no son mucho mejores que los normales porque si bien no sufren fatiga tiene un pequeño problema de 'fractura' cuando se sobrepasa su resistencia... Aunque seguramente estoy mezclando conceptos que no tienen nada que ver.

El Otro

Lyd dijo...

No veo qué tiene de macabro; dependerá de cómo cuelgues al humano, no?. Aunque claro, cada uno se lo puede imaginar como quiera (pero eso no es culpa mía) xD

En cuanto a los materiales compuestos, efectivamente, estás mezclando conceptos. Tengo intención de explicarlo con más detalles próximamente (además, dentro de poco tengo un examen sobre eso). Por supuesto, tienen sus ventajas y sus inconvenientes, y sus propiedades dependen muchísimo del tipo de fibra que lleven (por ejemplo, los de fibra de vidrio sí que son afectados por la fatiga, y mucho). Los de fibra de carbono, que son los más utilizados en aeronáutica, son inmunes a eso, pero tienen otros problemas (de delaminación, no de fractura). Ya lo explicaré en condiciones, don't worry.

El Otro dijo...

:p uno que intenta ser un alumno aventajado y se aturulla.

El Otro

Lyd dijo...

Aturúllate con toda la libertad del mundo, que me encanta que preguntéis cosas ;)

Hermenegildo dijo...

Me encanta tu bitácora, la llevo siguiendo desde hace algún tiempo.
Una preguntilla que quisiera hacerte, ¿cómo afecta la fatiga a los mosquetones? Sí, esos de alpinismo, que también los usamos los que volamos en parapente.
Un saludo

Lyd dijo...

Hola Hermenegildo!

Me alegro de que te guste mi blog :D En cuanto a lo que preguntas sobre los mosquetones, pues, si te soy sincera, no lo sé. ¿Están hechos de aleación de aluminio, no? Sólo puedo hablar en términos generales...
La fatiga podría actuar en puntos de concentración de tensiones (esquinas, por ejemplo), siempre y cuando se les someta repetidamente a ciclos de carga y descarga por encima de un nivel determinado, provocando la aparición de pequeñas grietas que pueden crecer hasta el fallo catastrófico. El que esto suceda depende de la magnitud de las cargas y del número de ciclos (a mayor carga, menos ciclos se necesitan), y del material, claro. ¿Por qué lo preguntas? ¿Se dan muchos casos de rotura por fatiga en mosquetones?

Hermenegildo dijo...

Hola Lyd,
pues te lo pregunto por pura curiosidad y por hipocondría. Yo no conozco ningún caso de accidente por rotura del mosquetón. Pero en los cursos de vuelo nos repiten que revisemos el ala, el paraca, etc. Y luego en la práctica el ala se revisa pero el paraca mucho menos.
La vela se gasta mucho más que la silla y por lo tanto se cambia más que la silla. Puedes estar con los mismos mosquetones durante mucho tiempo.
Creo que es algo exagerado preocuparse por la rotura de estos por fatiga, pero cuando estoy ahí arriba tengo que controlar lo que pienso y si he leido un artículo sobre la fatiga de los materiales pues... lo dicho, hipocondría pura y dura.

Un saludo.
PD.- perdón por la tardanza en responder. En verano hay que desconectar y como tenga internet cerca se me hace difícil.

Lyd dijo...

Pues no creo que exista realmente un riesgo en ese sentido, así que yo creo que puedes estar tranquilo. Y no te preocupes por la rapidez de respuesta, en verano es perfectamente normal ;)

Un saludo

Hermenegildo dijo...

Pues sí que se rompen los mosquetones:

http://www.termicamica.com/pn/html/article.php?sid=273

Según dicen por la fatiga, aunque no entiendo mucho el italiano.
Un saludo.

Juan Carlos dijo...

Tengo entendido que las fallas de los barcos "Liberty" responden a un problema de fragilidad del acero y no tanto con un mecanismo de fatiga.
Corregime si estoy equivocado.Muy bueno tu espacio.



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