Zona de deformación

Las zonas de deformación , zonas de aplastamiento , ^[1] 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 en consecuencia, el momento ) a partir del impacto durante una colisión mediante una deformación controlada ; en los últimos años, también se ha incorporado a trenes y vagones. ^{[2] [3] [4] [5]}

Las zonas de deformación 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 promedio aplicada a los ocupantes es inversamente proporcional al tiempo durante el cual se aplica. La física involucrada se puede expresar mediante la ecuación:

${\displaystyle F_{\text{promedio}}\Delta t=m\Delta v}$

donde es la fuerza, es el tiempo, es la masa y es la velocidad del cuerpo. En unidades del 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).${\estilo de visualización F}$${\estilo de visualización t}$${\estilo de visualización m}$${\estilo de visualización v}$

Por lo general, las zonas de deformación se ubican en la parte delantera del vehículo para absorber el impacto de una colisión frontal , pero también pueden encontrarse en otras partes del vehículo. Según un estudio del British Motor Insurance Repair Research Centre sobre dónde se producen los daños por impacto en el vehículo, el 65 % fueron impactos frontales, el 25 % impactos traseros, el 5 % en el lado izquierdo y el 5 % en el lado derecho. ^[6] Algunos coches de carreras utilizan aluminio, panal de abeja compuesto/fibra de carbono o espuma absorbente de energía ^{[7] [8]} para formar un atenuador de impacto que disipa la energía del choque utilizando un volumen mucho menor y un peso menor que las zonas de deformación de los coches de carretera. ^[1] También se han introducido atenuadores de impacto en los vehículos de mantenimiento de carreteras en algunos países.

El 10 de septiembre de 2009, los programas de noticias de ABC Good Morning America y World News mostraron una prueba de choque del Instituto de Seguros para la Seguridad en las Carreteras de Estados Unidos en la que un Chevrolet Malibu 2009 chocó de frente con un sedán Chevrolet Bel Air 1959. Demostró de manera espectacular la eficacia del diseño de seguridad de los automóviles modernos en comparación con el diseño de la década de 1950, en particular de las celdas de seguridad rígidas para los pasajeros y las zonas de deformación. ^{[9] [10]}

El concepto de zona de deformación fue inventado y patentado originalmente por el ingeniero húngaro de Mercedes-Benz, Béla Barényi, en 1937 antes de trabajar para Mercedes-Benz y en una forma más desarrollada en 1952. ^[11] El Mercedes-Benz "Ponton" de 1953 fue una implementación parcial de sus ideas, ^[12] al tener una plataforma profunda y fuerte para formar una celda de seguridad parcial, patentada en 1941. ^[11]

La patente de Mercedes-Benz con número 854157, concedida en 1952, describe la característica decisiva de la seguridad pasiva. Barényi puso en tela de juicio la opinión que prevalecía hasta entonces de que un coche seguro tenía que ser rígido. Dividió la carrocería del vehículo en tres partes: el habitáculo rígido e indeformable y las zonas deformables en la parte delantera y trasera. ^{[13] [14]}

El primer vehículo Mercedes-Benz desarrollado con esta patente fue el Mercedes W111 "Tail Fin" Saloon de 1959. ^[11] La celda de seguridad y las zonas de deformación se lograron principalmente mediante el diseño de los largueros: estos eran rectos en el centro del vehículo y formaban una jaula de seguridad rígida con los paneles de la carrocería, los soportes delanteros y traseros estaban curvados de modo que se deformaban en caso de accidente, absorbiendo parte de la energía de la colisión. ^{[11] [15] [16] [17]}

Un desarrollo más reciente para estos miembros longitudinales curvados es debilitarlos mediante nervaduras verticales y laterales para formar estructuras de deformación telescópicas tipo "tubo de compresión" o "lata de choque".

Las zonas de deformación funcionan gestionando la energía del impacto 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 del habitáculo de pasajeros. Esto protege mejor a los ocupantes del vehículo contra lesiones. Esto se logra mediante el debilitamiento controlado de las partes externas del vehículo que se sacrifican, al tiempo que se refuerza y ​​aumenta la rigidez de la parte interna de la carrocería del vehículo, convirtiendo el habitáculo de pasajeros en una "célula de seguridad", mediante el uso de más vigas de refuerzo y aceros de mayor resistencia. La energía del impacto que llega a la "célula de seguridad" se distribuye sobre un área lo más amplia posible para reducir su deformación. Volvo introdujo la zona de deformación lateral con la introducción del SIPS ( Sistema de protección contra impactos laterales ) a principios de la década de 1990.

Cuando un vehículo y todo su contenido, incluidos los pasajeros y el equipaje, viajan a gran velocidad, tienen inercia / momento , lo que significa que continuarán hacia adelante en esa dirección y velocidad (primera ley de movimiento de Newton). ^[19] En caso de una desaceleración repentina de un vehículo de estructura rígida debido a un impacto, el contenido del vehículo sin sujeción continuará hacia adelante a su velocidad anterior debido a la inercia e impactará el interior del vehículo con una fuerza equivalente a muchas veces su peso normal debido a la gravedad. El propósito de las zonas de deformación es ralentizar la colisión para aumentar el tiempo durante el cual los ocupantes desaceleran a fin de disminuir la fuerza máxima impartida sobre los ocupantes durante un tiempo determinado. ^[20]

Los cinturones de seguridad sujetan a los pasajeros para que no salgan volando por el parabrisas y están en la posición correcta para el airbag, además de aumentar el tiempo en el que los ocupantes desaceleran. Los cinturones de seguridad también absorben la energía inercial del pasajero al estar diseñados para estirarse durante un impacto, de nuevo para aumentar el tiempo en el que un ocupante desacelera. ^[21] En resumen: un pasajero cuyo cuerpo se desacelera más lentamente debido a la zona de deformación (y otros dispositivos) durante un tiempo más largo sobrevive mucho más a menudo que un pasajero cuyo cuerpo impacta indirectamente una carrocería de metal dura e intacta que se ha detenido casi instantáneamente. Esta diferencia en la desaceleración es análoga a la diferencia entre estrellar a alguien contra una pared de cabeza (fracturando su cráneo) o de hombro (heridas leves en la carne): el brazo, al ser más blando, tarda diez veces más en reducir su velocidad que el cráneo duro, que debe lidiar con una presión extremadamente alta en el momento en que entra en contacto con la pared. Como los cinturones de seguridad se estiran mientras sujetan a los ocupantes durante un impacto, es necesario reemplazarlos si se repara un vehículo y se vuelve a poner en circulación después de una colisión. También deben reemplazarse si su condición se ha deteriorado, por ejemplo, debido a que se han desgastado o a fallas mecánicas o de montaje del cinturón. En Nueva Zelanda, es oficialmente obligatorio reemplazar los cinturones de seguridad desgastados del tipo de carrete de inercia solo por cinturones del tipo "agarrador de correas" que tienen menos juego y son más efectivos en los autos más viejos. ^[22] Los autos más nuevos tienen cinturones de seguridad de pretensión activados electrónicamente que están sincronizados para funcionar con el disparo del airbag. ^[23] Comprar cinturones de seguridad usados ​​no es una buena idea incluso en países donde es legal hacerlo, porque es posible que ya se hayan estirado en un evento de impacto y es posible que no protejan a sus nuevos usuarios como deberían.

El impacto final después de que el cuerpo de un pasajero golpea el interior del vehículo, el airbag o los cinturones de seguridad es el de los órganos internos que golpean la caja torácica o el cráneo debido a su inercia. La fuerza de este impacto es la forma en que muchos accidentes automovilísticos causan lesiones incapacitantes o potencialmente mortales. Otras formas son el daño esquelético y la pérdida de sangre, debido a la rotura de vasos sanguíneos, o el daño causado por una fractura aguda de hueso a los órganos y/o vasos sanguíneos. La secuencia de tecnologías de reducción de velocidad (zonas de deformación → cinturón de seguridad → airbags → interior acolchado/deformable) está diseñada para funcionar en conjunto 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 imparte esta fuerza. ^[23] En una colisión, reducir la desaceleración del cuerpo humano incluso unas décimas de segundo reduce drásticamente la fuerza máxima impartida. ^[14]

Un concepto erróneo sobre las zonas de deformación que a veces se expresa ^{[ cita requerida ]} es que reducen la seguridad de los ocupantes del vehículo al permitir que la carrocería del vehículo se colapse, con el consiguiente riesgo de aplastamiento de los ocupantes. De hecho, las zonas de deformación suelen estar situadas delante y detrás de la carrocería principal del coche (que forma una "celda de seguridad" rígida), compactándose dentro del espacio del compartimento del motor o del maletero. Los vehículos modernos que utilizan zonas de deformación proporcionan una protección mucho mejor para sus ocupantes en pruebas rigurosas contra otros vehículos con zonas de deformación y objetos sólidos estáticos que los modelos de coches más antiguos o los SUV que utilizan un bastidor de chasis independiente y no tienen zonas de deformación.

Los vehículos modernos con zonas de deformación tienden a salir peor parados cuando se ven involucrados en accidentes con SUV sin zonas de deformación porque la mayor parte de la energía del impacto es absorbida por el vehículo con la zona de deformación; sin embargo, mientras que el vehículo "en peor situación" puede terminar más dañado, los ocupantes del coche suelen verse menos afectados por la colisión. El resultado de una colisión entre dos vehículos sin zonas de deformación suele ser más peligroso para los ocupantes de ambos vehículos que una colisión que esté al menos parcialmente amortiguada. ^{[ cita requerida ]}

Otro problema es la "incompatibilidad de impacto", donde los "puntos duros" de los extremos de los largueros del chasis de los SUV son más altos que los "puntos duros" de los automóviles, lo que hace que el SUV "pase por encima" del compartimiento del motor del automóvil. ^[18] Para abordar este problema, los SUV/todoterreno más recientes incorporan estructuras debajo del parachoques delantero diseñadas para enganchar las zonas de deformación del automóvil de menor altura. ^[24] Aquí se muestran los travesaños de seguridad delanteros de nivel bajo del Volvo XC70 ^[25] Nota de prensa de Volvo sobre esta característica: "Travesaño inferior que ayuda a proteger los automóviles más bajos: el bastidor auxiliar de la suspensión delantera en el nuevo Volvo XC60 se complementa con un travesaño inferior ubicado a la altura de la viga en un automóvil convencional. El travesaño inferior golpea la estructura protectora del automóvil que viene en sentido contrario, activando su zona de deformación como se pretende para que los ocupantes puedan recibir el máximo nivel de protección".

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

En caso de colisiones de menor gravedad (hasta aprox. 20 km/h), el diseño del parachoques y de los paneles exteriores debe garantizar que la zona de deformación y la estructura portante del vehículo sufran los menores daños posibles y que las reparaciones se puedan realizar de la forma más económica posible. Para ello, se utilizan los denominados tubos de choque o crash boxes para montar los parachoques. Los tubos de choque están formados por un perfil hueco de acero que transforma la energía incidente al enrollarse sobre el perfil. ^{[ cita requerida ]}

A principios de los años 1980, utilizando tecnología desarrollada para las industrias aeroespacial y nuclear , los fabricantes de automóviles alemanes comenzaron a realizar estudios complejos de simulación de colisiones por computadora , utilizando métodos de elementos finitos para simular el comportamiento de colisión de componentes individuales de la carrocería, conjuntos de componentes y cuartos y medios automóviles en la etapa de carrocería en blanco (BIW). Estos experimentos culminaron en un proyecto conjunto de Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), un conglomerado de los siete fabricantes de automóviles alemanes ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel ( GM ), Porsche y Volkswagen ), que probó la aplicabilidad de dos códigos emergentes de simulación de colisiones comerciales. Estos códigos de simulación recrearon un impacto frontal de la estructura completa de un automóvil de pasajeros (Haug 1986) y se ejecutaron hasta su finalización en una computadora durante la noche. Ahora que el tiempo de respuesta entre dos envíos de trabajos consecutivos (ejecuciones de computadora) no excedía de un día, los ingenieros pudieron realizar mejoras eficientes y progresivas del comportamiento de colisión de la estructura de la carrocería del automóvil analizada. La búsqueda de una mayor resistencia a los choques en Europa se aceleró a partir de los años 1990, con la llegada en 1997 de Euro NCAP , con la participación de expertos en seguridad en las carreras de Fórmula Uno .

El vehículo experimental de seguridad Pininfarina Nido de 2004 tiene zonas de deformación dentro de la celda de supervivencia. Esas zonas de deformación interiores desaceleran una celda de supervivencia montada en un trineo. ^[19] Volvo también ha estado desarrollando esta idea para su uso en automóviles pequeños. El asiento del conductor está montado en lo que básicamente es un "trineo" sobre un riel, con amortiguadores delante. En caso de impacto, todo el "trineo" formado por el asiento del conductor y el conductor abrochado se desliza hacia delante hasta 20 cm y los amortiguadores disipan la energía máxima del impacto, alargando el tiempo de desaceleración para el conductor. Al mismo tiempo, el volante y el tablero del lado del conductor se deslizan hacia delante para dejar espacio al conductor, ya que son lanzados hacia delante y estiran el cinturón de seguridad. Combinado con una zona de deformación delantera y un airbag, este sistema podría reducir en gran medida las fuerzas que actúan sobre el conductor en un impacto frontal. ^[26]

• Seguridad del automóvil
• Barandilla de protección#Seguridad automotriz
• Barrera de tráfico
• Prueba de choque
• Programa de evaluación de vehículos nuevos

• Antes y después del accidente entre el Bel Air de 1959 y el Malibu de 2009
• Zonas de deformación en los automóviles
• Zonas de deformación (¿Cómo funcionan las zonas de deformación?)
• ¿Alguna vez se han utilizado ocupantes humanos vivos (o muertos) en pruebas de choque? - Howstuffworks.com
• Cómo funcionan las pruebas de choque - Howstuffworks.com
• ¿Por qué sigue siendo necesario realizar pruebas de choque en los vehículos? - Howstuffworks.com
• BBC News - Cómo los muertos han ayudado a los vivos
• Cómo funcionan la fuerza, la potencia, el par y la energía - Howstuffworks.com
• Béla Barényi – una historia de seguridad - Original Mercedes-Benz
• La dinámica fundamental de la violencia en los accidentes de tráfico. La física. La ingeniería. John Cadogan de autoexpert.com.au
• Ingeniería de choques y diseño de seguridad - engineeringclicks.com
• Patente n.º 854157 Documentos originales de la patente de 'zona de deformación' (en alemán)