Fotoelasticidad aplicada al diseño

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Este cuarto y último artículo que publicamos en facsimil para conmemorar el sexagésimo aniversario de Técnica Industrial se titula La fotoelasticidad y su aplicación al diseño. El correspondiente comentario técnico, a cargo de Antón Onieva y Francesc Estrany, muestra que esta técnica sigue ahí y que no ha tenido rival durante estos 60 años. Mejorada con accesorios más modernos, la fotoelasticidad se aplica actualmente con éxito en la edificación y en las industrias de fabricación de maquinaria, naval, aeronáutica y aeroespacial, entre otras.

El artículo titulado La fotoelasticidad y su aplicación al diseño, publicado en 1952 en Técnica Industrial, realiza una presentación oportuna y rigurosa de esta técnica experimental, basada las propiedades de los materiales birrefringentes que permite la medición de la distribución de los esfuerzos que recibe una determinada pieza de maquinaria en su zona de trabajo. El primer experimento de fotoelasticidad se había realizado con éxito a principios del siglo XX (E. Coker y de L. Filon en la Universidad de Londres), y por aquel entonces la fotoelasticidad era una innovación técnica de aplicación al diseño de piezas, especialmente en nuestro país.

El artículo define la necesidad del conocimiento de los perfiles de intensidad del conjunto de fuerzas que actúan sobre una pieza que trabaje bajo esfuerzo, para poderla diseñar correctamente. Se expone la complejidad que deriva de cualquier planteo matemático de las leyes de la elasticidad a un sistema representativo del problema real, a poco que la forma de la pieza se apartara de las for-mas simétricas básicas. Las ecuaciones diferenciales resultantes son, en muchos casos, imposibles de resolver de forma analítica. Además, los métodos numéricos de cálculo estaban aún muy poco desarrollados, con lo que la resolución del problema era inviable.

Tras este preámbulo, se presenta la fotoelasticidad como la técnica experimental que cubre oportunamente la necesidad descrita: se requiere reproducir un modelo de la pieza de pequeñas dimensiones, pero con la misma forma, empleando un material transparente y que se comporte como un material birrefringente al ser sometido a cargas de tensión y compresión. Cuando el modelo es atravesado por la luz polarizada mientras se le aplican las cargas de trabajo, aparecen unas franjas de diferentes formas e intensidades según la distribución e intensidad de las fuerzas que actúan sobre dicho modelo. Las tensiones observadas serán las mismas que recibirá la pieza real, cuando trabaje bajo la misma distribución e intensidad de cargas. La información obtenida permite optimizar el diseño de la pieza y su configuración de trabajo.

La parte central del artículo comprende una rigurosa exposición de los principios físicos y fórmulas que rigen el fenómeno de la fotoelasticidad, que se acompaña de esquemas y figuras que clarifican con eficiencia la información transmitida. Es muy destacable el ejemplo de aplicación de la fotoelasticidad descrito en el artículo, correspondiente al diente de engranaje de rueda dentada, uno de los componentes de maquinaria más empleados en la industria, y que por su configuración de trabajo, constituye un sistema de imposible tratamiento analítico. El artículo termina dejando bien claro cómo los estudios fotoelásticos permiten encontrar la solución al problema y optimizar los diseños.

Es un artículo de un muy buen nivel científico-técnico que no se excede ni un ápice de la información necesaria para servir a sus objetivos y es capaz de destacar con maestría las grandes ventajas de las aplicaciones al diseño de la fotoelasticidad de este, entonces innovador, método experimental. A la vista de lo expuesto, la pregunta es qué ha sido de la técnica de la fotoelasticidad y su aplicación al diseño de piezas. Y la respuesta es que sigue aquí.

Cierto es que inicialmente le salió a la fotoelasticidad un gran “competidor”: un método de cálculo numérico denominado método de los elementos finitos (MEF), que permite obtener soluciones numéricas sobre un cuerpo o estructura continua en que están definidas ciertas ecuaciones diferenciales que caracterizan el comportamiento físico del problema, dividiéndolo en un número elevado de subdominios (los “elementos finitos”). A partir de la década de 1980, con la generalización de los ordenadores personales, se extendió el uso de los programas comerciales basados en este método, con procesadores gráficos cada vez más potentes. Este método es fácilmente adaptable a problemas de transmisión de calor, mecánica de fluidos y campos electromagnéticos, siendo en muchos casos la única alternativa práctica de cálculo.

No obstante, todo lo indicado, para el diseño de piezas sometidas a esfuerzos, el MEF tiene el inconveniente que el modelado de las cargas que recibe una pieza de morfología no simple es muy difícil, y caso de aplicar simplificaciones estas llevan a soluciones muy alejadas del verdadero comportamiento del componente. En cambio, la fotoelasticidad, al ser una técnica experimental, permite utilizar cargas y tensiones muy aproximadas a la realidad del entorno de trabajo de la pieza que se va a diseñar.

En la actualidad, la técnica de la fotoelasticidad se ha mejorado con accesorios más modernos, como los polariscopios digitales equipados con led y diodos láser, que permiten la supervisión continua de las estructuras estudiadas. La preparación de modelos de pruebas se ha perfeccionado con el desarrollo de la esterolitografía, que utiliza un método llamado rapid prototyping (prototipado rápido) que permite la generación de modelos tridimensionales exactos de un polímero líquido en tiempos muy cortos. Y con la técnica de fotoelasticidad de transmisión se pueden realizar mediciones ópticas sobre piezas de materiales no transparentes, cubriendo la pieza opaca con una resina que presenta birrefringencia bajo carga. La fotoelasticidad, técnica que no ha tenido rival durante estos 60 años, se aplica con éxito en campos como el de la edificación, en industrias de fabricación de maquinaria y en las industrias naval, aeronáutica y aeroespacial. Decididamente, “una imagen vale más que mil palabras”.

Antón Onieva Sánchez y Francesc Estrany Coda

Ingenieros técnicos industriales en Química Industrial

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