Zona de deformación programada

Las zonas de deformación programada , zonas de aplastamiento ^{[ 1 ]} o zonas de impacto son un elemento de seguridad estructural utilizado en vehículos, principalmente en automóviles, para aumentar el tiempo durante el cual se produce un cambio de velocidad (y, por consiguiente, de momento ) debido al impacto durante una colisión mediante una deformación controlada ; en los últimos años, también se incorporan a trenes y vagones. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Las zonas de deformación programada están diseñadas para aumentar el tiempo durante el cual la fuerza total derivada del cambio de momento se aplica 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 siguiente ecuación:

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

dónde${\displaystyle F}$es la fuerza,${\displaystyle t}$es el momento,${\displaystyle m}$es la masa, y${\displaystyle v}$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).

Normalmente, las zonas de deformación programada 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 la ubicación de los daños por impacto en el vehículo, el 65 % fueron impactos frontales, el 25 % impactos traseros, el 5 % impactos laterales izquierdos y el 5 % impactos laterales derechos. ^{[ 6 ]} Algunos coches de carreras utilizan aluminio, fibra de carbono/compuesto con estructura de panal o espuma absorbente de energía ^{[ 7 ] [ 8 ]} para formar un atenuador de impacto que disipa la energía del choque utilizando un volumen y peso mucho menores que las zonas de deformación programada de los coches de carretera. ^{[ 1 ]} También se han introducido atenuadores de impacto en vehículos de mantenimiento de carreteras en algunos países.

El 10 de septiembre de 2009, los programas Good Morning America y World News de ABC News mostraron una prueba de choque del Instituto de Seguros para la Seguridad en las Carreteras de EE. UU. (IIHS) realizada a un Chevrolet Malibu 2009 en una colisión frontal descentrada con un sedán Chevrolet Bel Air de 1959. Esta prueba demostró de forma contundente la eficacia del diseño de seguridad automotriz moderno en comparación con el diseño de la década de 1950, en particular la rigidez de las células de seguridad para los pasajeros y las zonas de deformación programada. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

El concepto de zona de deformación programada fue inventado y patentado originalmente por el ingeniero austriaco 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 robusta para formar una célula de seguridad parcial, patentada en 1941. ^{[ 11 ]}

La patente número 854157 de Mercedes-Benz, otorgada en 1952, describe la característica decisiva de la seguridad pasiva. Barényi cuestionó la opinión predominante hasta entonces de que un automóvil seguro debía ser rígido. Dividió la carrocería en tres secciones: el habitáculo rígido e indeformable y las zonas de deformación programada en la parte delantera y trasera. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

La primera carrocería de Mercedes-Benz desarrollada utilizando la patente fue la del sedán Mercedes W111 de 1959 con aleta trasera. ^{[ 11 ]} La célula de seguridad y las zonas de deformación programada 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 los paneles de la carrocería; los soportes delanteros y traseros eran curvos para que se deformaran en caso de accidente, absorbiendo parte de la energía de la colisión. ^{[ 11 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Una variante más reciente de estos elementos longitudinales curvos consiste en debilitarlos mediante nervaduras verticales y laterales para formar estructuras de deformación telescópicas en forma de "lata de choque" o "tubo de compresión".

Las zonas de deformación programada funcionan gestionando la energía del impacto y aumentando el tiempo de desaceleración de los ocupantes del vehículo, a la vez que evitan la intrusión o deformación del habitáculo. Esto protege mejor a los ocupantes del coche contra lesiones. Esto se consigue debilitando de forma controlada las partes exteriores de sacrificio del coche, mientras se refuerza y ​​aumenta la rigidez de la parte interior de la carrocería, convirtiendo el habitáculo 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 la mayor superficie posible para reducir su deformación. Volvo introdujo la zona de deformación programada 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, incluyendo pasajeros y equipaje, se desplazan a cierta velocidad, poseen inercia / cantidad de movimiento , lo que significa que continuarán avanzando en esa dirección y velocidad (primera ley del movimiento de Newton). ^{[ 18 ]} En caso de una desaceleración repentina de un vehículo de estructura rígida debido a un impacto, el contenido del vehículo, si no está sujeto, continuará avanzando 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 programada es ralentizar la colisión para aumentar el tiempo durante el cual los ocupantes desaceleran y así disminuir la fuerza máxima ejercida sobre ellos durante un tiempo determinado. ^{[ 19 ]}

Los cinturones de seguridad retienen a los pasajeros para que no salgan disparados a través del parabrisas, y están 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 del pasajero al estar diseñados para estirarse durante un impacto, nuevamente para aumentar el tiempo durante el cual un ocupante desacelera. ^{[ 20 ]} La NHTSA informa que el uso del cinturón de seguridad puede reducir el riesgo de sufrir una lesión mortal en un 50%. En resumen: un pasajero cuyo cuerpo desacelera más lentamente debido a la zona de deformación programada (y otros dispositivos) durante un tiempo más prolongado sobrevive con mucha más frecuencia que un pasajero cuyo cuerpo impacta indirectamente contra 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 (fracturándole el cráneo) y de hombro (causándole un leve hematoma): el brazo, al ser más blando, tarda decenas de veces más en reducir su velocidad que el cráneo, que debe soportar una presión extremadamente alta en el momento en que entra en contacto con la pared. Dado que los cinturones de seguridad se estiran al sujetar a los ocupantes durante un impacto, es necesario reemplazarlos si un vehículo se repara y vuelve a circular después de una colisión. También deben reemplazarse si su estado se ha deteriorado, por ejemplo, debido a deshilachado o fallos mecánicos o de montaje del cinturón. En Nueva Zelanda, es oficialmente obligatorio reemplazar los cinturones de seguridad desgastados de tipo carrete inercial solo por cinturones de tipo "agarre de cincha" que tienen menos holgura y son más eficaces en coches antiguos. ^{[ 21 ]} Los coches más nuevos tienen cinturones de seguridad de pretensión de accionamiento electrónico que están sincronizados con el despliegue del airbag. ^{[ 22 ]} Comprar cinturones de seguridad usados ​​no es una buena idea, incluso en países donde es legal hacerlo, porque pueden haberse estirado en un evento de impacto y pueden no proteger a sus nuevos usuarios como deberían.

El impacto final tras el choque del cuerpo de un pasajero contra el interior del vehículo, el airbag o los cinturones de seguridad se produce cuando los órganos internos golpean la caja torácica o el cráneo debido a su inercia. La fuerza de este impacto es la causa principal de muchas lesiones incapacitantes o potencialmente mortales en accidentes de tráfico. Otras causas son el daño óseo y la pérdida de sangre, debido a la rotura de vasos sanguíneos, o el daño causado por fracturas óseas afiladas en órganos y/o vasos sanguíneos. La secuencia de tecnologías de reducción de velocidad (zonas de deformación programada → cinturón de seguridad → airbags → interior acolchado/deformable) está diseñada para funcionar conjuntamente como un sistema que reduce la fuerza máxima del impacto en el exterior del cuerpo del pasajero, alargando el tiempo durante el cual se transfiere la energía del choque. ^{[ 22 ]} En una colisión, ralentizar la desaceleración del cuerpo humano incluso unas décimas de segundo reduce drásticamente la fuerza máxima transmitida. ^{[ 14 ]}

Una idea errónea sobre las zonas de deformación programada es que reducen la seguridad de los ocupantes al permitir que la carrocería colapse, con el consiguiente riesgo de aplastamiento. En realidad, estas zonas suelen ubicarse delante y detrás de la carrocería principal (que forma una "célula de seguridad" rígida), comprimiéndose en el compartimento del motor o el maletero. Los vehículos modernos que incorporan zonas de deformación programada ofrecen una protección muy superior a la de los modelos de coches o SUV más antiguos, que utilizan un chasis independiente y carecen de ellas, en pruebas de impacto contra otros vehículos con zonas de deformación programada y objetos estáticos sólidos.

Los vehículos modernos con zonas de deformación programada suelen salir peor parados en colisiones con SUV sin estas zonas, ya que la mayor parte de la energía del impacto es absorbida por el vehículo con la zona de deformación. Sin embargo, aunque el vehículo más perjudicado pueda sufrir mayores daños, sus ocupantes suelen verse menos afectados por la colisión. El resultado de una colisión entre dos vehículos sin zonas de deformación programada suele ser más peligroso para los ocupantes de ambos vehículos que una colisión con al menos una amortiguación parcial.

Otro problema es la "incompatibilidad de impacto", donde los puntos de anclaje de los extremos de los largueros del chasis de los SUV son más altos que los de los automóviles, lo que provoca que el SUV "supere" el compartimento del motor del automóvil. ^{[ 17 ]} Para abordar este problema, los SUV/todoterreno más recientes incorporan estructuras debajo del parachoques delantero diseñadas para acoplarse a las zonas de deformación programada de menor altura de los automóviles. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Comunicado de prensa de Volvo sobre esta característica:

Travesaño inferior que ayuda a proteger los vehículos más bajos: El subchasis de la suspensión delantera del nuevo Volvo XC60 incorpora un travesaño inferior situado a la altura de la viga en un automóvil convencional. Este travesaño inferior impacta contra la estructura protectora del vehículo que se aproxima, activando su zona de deformación programada para brindar a los ocupantes la máxima protección.

La parte frontal del parachoques está diseñada para resistir colisiones a baja velocidad, como las que se producen al aparcar, y así evitar daños permanentes en el vehículo. Esto se logra 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 cobrado mayor relevancia en los últimos años, ya que la evaluación de choques NCAP ha incorporado los impactos con peatones a su programa de pruebas. La reducción de las estructuras de soporte rígidas en las zonas de impacto con peatones también se ha convertido en un objetivo de diseño.

En caso de colisiones menos severas (hasta aproximadamente 20  km/h), el diseño del parachoques y del panel exterior debe garantizar que la zona de deformación programada y la estructura portante del vehículo sufran los menores daños posibles, permitiendo así reparaciones lo más económicas posible. Para ello, se utilizan tubos o cajas de absorción de impactos para el montaje de los parachoques. Estos tubos consisten en un perfil de acero hueco que transforma la energía del impacto al enrollarse a lo largo del perfil.

A principios de la década de 1980, utilizando tecnología desarrollada para las industrias aeroespacial y nuclear , los fabricantes de automóviles alemanes comenzaron complejos estudios de simulación de colisiones por computadora, empleando métodos de elementos finitos para simular el comportamiento en caso de colisión de componentes individuales de la carrocería, conjuntos de componentes y carrocerías de un cuarto y la mitad del vehículo en la etapa de carrocería en blanco (BIW). Estos experimentos culminaron en un proyecto conjunto de la 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 comerciales emergentes de simulación de colisiones. Estos códigos de simulación recrearon un impacto frontal de la estructura completa de un automóvil de pasajeros (Haug 1986) y se ejecutaron completamente en una computadora durante la noche. Ahora que el tiempo de respuesta entre dos entregas de trabajo consecutivas (ejecuciones de computadora) no superaba un día, los ingenieros pudieron realizar mejoras eficientes y progresivas en el comportamiento en caso de colisión de la estructura de la carrocería analizada. El impulso por mejorar la seguridad en caso de colisión en Europa se ha acelerado desde la década de 1990, con la aparición en 1997 de Euro NCAP , con la participación de expertos en seguridad de la Fórmula Uno .

El vehículo experimental de seguridad Pininfarina Nido de 2004 ubica zonas de deformación programada dentro de la célula de supervivencia. Estas zonas de deformación programada internas desaceleran una célula de supervivencia montada sobre un trineo. ^{[ 18 ]} Volvo también ha estado desarrollando esta idea para su uso en automóviles pequeños. Su asiento del conductor está montado sobre lo que es básicamente un "trineo" sobre un riel, con amortiguadores delante. En un impacto, todo el "trineo" formado por el asiento del conductor y el conductor sujeto con el cinturón de seguridad se desliza hacia adelante hasta 20 cm (8 pulgadas ) , y los amortiguadores disipan la energía máxima del impacto, prolongando el tiempo de desaceleración para el conductor. Simultáneamente, el volante y el tablero del lado del conductor se deslizan hacia adelante para dejar espacio al conductor, ya que son proyectados hacia adelante estirando el cinturón de seguridad. Combinado con una zona de deformación programada frontal y un airbag, este sistema podría reducir considerablemente las fuerzas que actúan sobre el conductor en un impacto frontal. ^{[ 25 ]} 

• Seguridad automovilística
• Barandilla de protección §  Seguridad automotriz
• Programa de evaluación de autos nuevos
• Barrera de tráfico

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