Impacto (mecánica)

En mecánica , un impacto se produce cuando dos cuerpos chocan . Durante esta colisión, ambos cuerpos desaceleran. Esta desaceleración genera una fuerza o choque intenso , aplicado durante un breve periodo de tiempo. Una fuerza intensa, aplicada durante un corto periodo, suele causar más daño a ambos cuerpos que una fuerza menor aplicada durante un periodo proporcionalmente mayor.

A velocidades normales, durante una colisión perfectamente inelástica , un objeto golpeado por un proyectil se deforma , y ​​esta deformación absorbe la mayor parte o la totalidad de la fuerza de la colisión. Desde la perspectiva de la conservación de la energía , la energía cinética del proyectil se transforma en energía térmica y sonora como resultado de las deformaciones y vibraciones inducidas en el objeto golpeado. Sin embargo, estas deformaciones y vibraciones no pueden ocurrir instantáneamente. Una colisión a alta velocidad (un impacto) no proporciona tiempo suficiente para que se produzcan. Por lo tanto, el material golpeado se comporta como si fuera más frágil de lo que sería normalmente, y la mayor parte de la fuerza aplicada se destina a fracturar el material. O, dicho de otro modo, los materiales son en realidad más frágiles en escalas de tiempo cortas que en escalas de tiempo largas: esto está relacionado con la superposición tiempo-temperatura . La resistencia al impacto disminuye con el aumento del módulo de elasticidad , lo que significa que los materiales más rígidos tendrán menor resistencia al impacto. Los materiales resilientes tendrán mayor resistencia al impacto.

Los distintos materiales pueden comportarse de forma muy diferente ante un impacto en comparación con las condiciones de carga estática. Los materiales dúctiles , como el acero, tienden a volverse más frágiles a altas velocidades de carga, y puede producirse descamación en el lado opuesto al impacto si no hay penetración. La forma en que se distribuye la energía cinética a través de la sección también es importante para determinar su respuesta. Los proyectiles aplican una tensión de contacto de Hertz en el punto de impacto sobre un cuerpo sólido, con tensiones de compresión debajo del punto, pero con cargas de flexión a corta distancia. Dado que la mayoría de los materiales son más débiles a la tracción que a la compresión, esta es la zona donde tienden a formarse y propagarse las grietas.

Un clavo se clava mediante una serie de impactos, cada uno producido por un único golpe de martillo . Estos impactos de alta velocidad superan la fricción estática entre el clavo y el sustrato. Un hincador de pilotes logra el mismo resultado, aunque a una escala mucho mayor, siendo este método comúnmente utilizado en proyectos de construcción civil para la creación de cimientos de edificios y puentes. Una llave de impacto es un dispositivo diseñado para aplicar torsión a los pernos para apretarlos o aflojarlos. A velocidades normales, las fuerzas aplicadas al perno se dispersarían, por fricción, a las roscas correspondientes. Sin embargo, a velocidades de impacto, las fuerzas actúan sobre el perno para moverlo antes de que puedan dispersarse. En balística , las balas utilizan fuerzas de impacto para perforar superficies que, de otro modo, resistirían fuerzas sustanciales. Una lámina de caucho, por ejemplo, se comporta más como el vidrio a velocidades típicas de bala. Es decir, se fractura y no se estira ni vibra.

El campo de aplicaciones de la teoría del impacto abarca desde la optimización del procesamiento de materiales, las pruebas de impacto y la dinámica de medios granulares hasta aplicaciones médicas relacionadas con la biomecánica del cuerpo humano, especialmente las articulaciones de la cadera y la rodilla. ^{[ 1 ]} Además, tiene amplias aplicaciones en las industrias automotriz y militar. ^{[ 2 ]}

Los accidentes de tráfico suelen implicar cargas de impacto, como cuando un coche choca contra un bolardo , una boca de incendios o un árbol, y el daño se localiza en la zona de impacto. Cuando los vehículos colisionan, el daño aumenta con la velocidad relativa de los vehículos, incrementándose con el cuadrado de la velocidad, ya que la energía cinética del impacto (1/2 mv² ⁾ es la variable importante. Se realizan grandes esfuerzos de diseño para mejorar la resistencia al impacto de los coches y así minimizar las lesiones de los usuarios. Esto se puede lograr de varias maneras: por ejemplo, encerrando al conductor y a los pasajeros en una célula de seguridad. La célula está reforzada para que resista choques a alta velocidad y, por lo tanto, proteja a los usuarios. Las partes de la carrocería que se encuentran fuera de la célula están diseñadas para deformarse progresivamente, absorbiendo la mayor parte de la energía cinética que debe disiparse con el impacto.

Se utilizan diversas pruebas de impacto para evaluar los efectos de cargas elevadas, tanto en productos como en planchas estándar de material. Las pruebas Charpy e Izod son dos ejemplos de métodos estandarizados ampliamente utilizados para el ensayo de materiales. Las pruebas de caída de bolas o proyectiles se emplean para evaluar los impactos en los productos.

El desastre del Columbia fue causado por el impacto de un trozo de espuma de poliuretano contra el ala de fibra de carbono del transbordador espacial . Si bien se habían realizado pruebas antes del desastre, los fragmentos de prueba eran mucho más pequeños que el que se desprendió del cohete propulsor e impactó contra el ala expuesta.

Cuando se envían artículos frágiles, los impactos y las caídas pueden dañar el producto. El embalaje protector y el acolchado ayudan a reducir la aceleración máxima al prolongar la duración del golpe o impacto. ^{[ 3 ]}