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Bajo el aspecto poderoso de las grandes estructuras y obras de ingeniería, la fatiga por desgaste puede haber minado su resistencia. Una carga repetida, aunque su intensidad sea en proporción relativamente pequeña, como el tráfico sobre un puente, puede producir microfisuras. "Y éstas terminan convirtiéndose en una grieta ‘dominante’ que conduce a la rotura de la estructura. Es un fenómeno difícil de observar, y por tanto, muy peligroso”. Así resume Alfonso Fernández Canteli, catedrático de la Universidad de Oviedo, el proceso de deterioro más frecuente en los diseños y estructuras actuales.
Una muestra del peligro de la fatiga por desgaste es el accidente del ICE (el AVE alemán) en Eschede, en el que murieron un centenar de personas en 1998, o la rotura de cables del puente de Zárate - Brazo Largo, en Argentina, que afortunadamente pudo repararse: “Ambos se produjeron por fatiga del material”, señala Fernández Canteli, catedrático de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de las Estructuras de la Universidad de Oviedo. Frente a este problema, y como alternativa a los laboriosos estudios de fatiga de materiales que se aplican en la actualidad, los investigadores del grupo de Estructuras de la Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Gijón que dirige Canteli han desarrollado un nuevo modelo que permite predecir la vida de las estructuras bajo las cargas que soportan y, por tanto, evitar que fallen o se rompan.
Más información, menos ensayos
Los programas de ensayos convencionales consisten en someter un determinado material a una carga hasta que se fractura, y tienen un elevado coste. Según Canteli, “los modelos de prevención de roturas que se utilizan actualmente son muy deficientes a nuestro entender, porque tienen una base estadística muy débil. El coste de estos ensayos es muy alto, porque la rotura puede producirse a cientos de miles o millones de ciclos. De ahí que la duración de cada ensayo se extienda durante días o incluso semanas”. Además, para hacerlos es necesario utilizar equipos muy costosos, que conllevan gastos considerables por agua de refrigeración, electricidad y personal.
Sin embargo, este nuevo método de predicción de rotura, en cuyo desarrollo han colaborado investigadores de la ETH de Zurich y del Laboratorio Federal Suizo de Ensayos e Investigación (EMPA), se basa en la utilización de técnicas estadísticas. Según Canteli, “el objetivo es reducir el número de ensayos de fatiga sin perder fiabilidad, y eso es precisamente lo que nos permite la base estadística”.
Y es en la parte estadística del proceso donde destaca Enrique Castillo, catedrático de Matemática Aplicada de la Universidad de Cantabria. “Castillo ha aportado a nuestro trabajo una idea genial, que es utilizar ecuaciones funcionales, una técnica prácticamente desconocida, de elevado potencial y todo un campo por explorar”, explica Canteli.
Aviones y coches
La “carcoma” de las estructuras ha cambiado con el paso del tiempo: si hace unos años el principal peligro en el cálculo de la resistencia de los materiales eran las cargas muy altas, ahora el problema se desplaza hacia la fatiga, es decir: el daño por la repetición de cargas más pequeñas. Según Canteli, esto se debe a que con el aumento de la competitividad industrial se están fabricando estructuras más ligeras, con diseños más avanzados y económicos. Además, y paradójicamente, “los avanzados sistemas de cálculo que se emplean en la actualidad contribuyen a un mejor dimensionamiento, pero también a una reducción de la reserva resistente de las estructuras: ahora, la relación entre coste, peso y resistencia se apura mucho más”.
Las industrias automovilística y aeronáutica son ejemplos de esta nueva concepción, que las ha llevado a utilizar nuevos materiales compuestos como la fibra de carbono, un campo en el que también trabajan otros investigadores de la Escuela Superior de Ingeniería de Gijón, como los profesores Antonio Argüelles Amado y Jaime Viña Olay.
Estos materiales presentan nuevos retos al estudio de la resistencia: “ya no se trata de un bloque: en los materiales compuestos puede fallar la fibra, la matriz que une las distintas capas, o el conjunto del material”, explica Canteli. Y para “hincarle el diente” mejor a este terreno por explorar, este grupo de investigación acaba de formalizar una colaboración con el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) de la Universidad Politécnica de Cataluña.
El tiempo de vida segura de las estructuras tiene caducidad. Pero unos modelos más fiables, avalados por una experimentación adecuada, permitirán anticiparse a los fallos y repararlos antes de que se produzcan: los números pueden acercarse al elixir de la eterna juventud de los colosos a los que confiamos nuestro peso.
Un equipo internacional de científicos, liderados desde el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, ha creado el primer imán duro de espesor atómico. El avance tiene aplicaciones potenciales en dispositivos tecnológicos que requieren un campo magnético definido, como las memorias RAM de los ordenadores.
En la interfaz entre dos capas rotadas de titanato de bario, con solo unos pocos átomos de espesor, aparecen propiedades que podrían revolucionar la ciencia de los materiales ferroeléctricos y ser útiles en la electrónica e informática del futuro. Los detalles los publican en Nature investigadores de la Universidad Complutense de Madrid.
