Choque de vehículos: ¿Cómo se absorbe la energía mecánica? 🚘

Choque de vehículos y absorción de energía mecánica

Cada año mueren aproximadamente 1,35 millones de personas en accidentes por choque de vehículos. Eso significa que, por término medio, causan aproximadamente 3.700 muertes al día. Los accidentes por choque de vehículos son la octava causa de muerte y representan el 2,2% de todas las muertes en el mundo (CDC). En este artículo sobre el choque de vehículos descubrimos uno de los desafíos de ingeniería a los que se enfrenta la industria automotriz, así como también comprendemos qué es lo que sucede cuando dos vehículos chocan a una gran velocidad, y cómo estos vehículos absorben la energía mecánica de la colisión.

Escrito por Manuel Francisco Ortuño Sánchez, premiado en el programa de innovación abierta ANTOLIN i. JUMP

La energía cinética de un vehículo aumenta con el cuadrado de la velocidad según la ecuación Ec=1/2 m v2, de forma que a velocidades relativamente pequeñas la energía es considerable.

A la máxima velocidad permitida legalmente en autovías y autopistas, un turismo de 1300 kg a una velocidad de 120 km/h tiene una energía cinética mayor de 0,7 MJ (Ver Figura). Esta energía equivale al coche cayendo de una altura de más de 50 m. En el caso de un choque entre vehículos, toda esa energía cinética se transforma en energía mecánica capaz de realizar un trabajo de tipo destructivo.

Cuando se produce un accidente y como consecuencia un choque de un vehículo contra otro o contra un objeto, su estructura es sometida a una violenta desaceleración, que es transmitida a sus ocupantes. La estrategia considerada en el diseño de los vehículos actuales para proteger a los pasajeros consiste en preparar su estructura para una deformación programada en caso de choque de vehículos, manteniendo un habitáculo relativamente rígido que asegure la integridad de la cabina y disperse las cargas a otras partes del vehículo.

Durante el impacto, la energía mecánica se “utiliza” para: 

• deformar
• doblar
• comprimir 
• romper los materiales del vehículo por las zonas de deformación programada por el fabricante. 

Esto se traduce en que los pasajeros son expuestos a menor desaceleración, y el habitáculo de seguridad que rodea a los pasajeros queda sometido a menores cargas, lo que disminuye las consecuencias del impacto. De no hacerse así, toda la energía la recibirían los pasajeros.

Choque de vehículos: uno de los desafíos de la industria automotriz

Lamentablemente, la estructura de los vehículos comerciales actuales no es capaz de absorber toda la energía mecánica generada en un choque de vehículos a gran velocidad. De hecho, los ensayos de choque o “crash test” como los del programa europeo EuroNCAP utilizan una velocidad máxima de 64 km/h en el choque frontal, teniendo en cuenta además que la barrera con la que choca el vehículo es deformable y absorbe también una parte de la energía generada en el choque. 

Anteriormente el ensayo se realizaba a menor velocidad (56 km/h), por lo que la normativa va siendo más restrictiva para que los ensayos se parezcan cada vez más a una situación real. Un choque a gran velocidad entre dos turismos o a menor velocidad entre un turismo y un camión o un objeto rígido como el tronco de un árbol grande o un muro de hormigón, es inicialmente inelástico mientras el turismo absorbe la energía mecánica generada pero inmediatamente se transforma en elástico (el turismo rebota) cuando no puede absorber más energía.

Los vehículos cada vez son más ligeros (tienen menor masa) principalmente porque los fabricantes, los consumidores y los organismos reguladores persiguen un menor consumo de combustible y menor contaminación. Esto mejora las prestaciones del vehículo y también que tenga una energía cinética algo inferior a la misma velocidad (debido a la menor masa).

El inconveniente radica en que los automóviles modernos tienen gran aceleración y pueden alcanzar una gran velocidad en poco tiempo pero cada vez se sustituyen más partes del vehículo por materiales plásticos o compuestos de baja densidad, lo que implica una menor capacidad de la estructura para transformar la energía mecánica del choque de vehículos en trabajo que deforme, doble y comprima materiales.

Conviene tener en cuenta que el módulo de Young del acero es de aproximadamente 200 GPa mientras que el de las aleaciones de aluminio es la tercera parte y las aleaciones de magnesio tienen la mitad que las de aluminio. Los plásticos y materiales compuestos tienen un módulo de Young que es la décima parte del que tiene el acero. Por tanto las estructuras fabricadas con estos materiales tienen una capacidad de absorción de energía inferior a si estuviesen fabricadas con acero.

Compatibilidad en el caso de choque de vehículos

Otro aspecto a considerar es el de la compatibilidad en caso el de choque de vehículos. Un autobús cargado de pasajeros circulando a 90 km/h puede tener fácilmente una energía cinética de 3 MJ (4 veces mayor que un turismo) y su parte inferior cercana al suelo donde está el chasis con el motor y las ruedas tiene mayor cantidad de materiales de gran densidad como el acero. En caso de choque entre un autobús y un turismo, gran parte de la energía generada por el autobús la recibirá el coche.

Por otra parte, en los vehículos 100% eléctricos, una parte importante de la masa del coche no es su estructura sino las baterías. Las baterías están fabricadas con materiales de bajo módulo de Young, por lo que no pueden absorber mucha energía mecánica. Y aunque se fabricaran con otros materiales, su geometría y su disposición en el vehículo no son las más adecuadas para los choques que con mayor probabilidad pueda sufrir éste.

Otro caso es el de los vehículos militares, con una masa muy superior a la de los vehículos civiles equivalentes debido a los distintos grados de blindaje que incorporan. En el diseño de estos vehículos predomina la rigidez estructural, por lo que su capacidad de absorción de energía en caso de choque es muy limitada teniendo muy mala compatibilidad con vehículos ligeros en caso de choque.

Para mejorar la situación en todos estos casos que se han abordado sería necesario incorporar al vehículo nuevos dispositivos de seguridad pasiva capaces de absorber energía mecánica en caso de choque. Estos dispositivos se situarían en puntos estratégicos por ejemplo a modo de “parachoques“ interno, o recubriendo el habitáculo de los pasajeros, en las puertas, etc. Instalados en vehículos pesados como autobuses o vehículos militares, mejoraría sustancialmente la compatibilidad en caso de choque entre vehículos pesados y ligeros.

Igualmente en el caso de vehículos eléctricos, podrían aumentar la capacidad de absorción de energía de la estructura y su comportamiento frente a un choque de vehículos. Otro enfoque complementario sería mejorar la estructura interna de travesaños y largueros del chasis del vehículo, aumentando su capacidad de absorción de energía en caso de choque. Únete a la comunidad de ingenieros

Cuéntanos cómo resolverías los desafíos relacionados con el choque de vehículos y descubre qué mas puede hacer ennomotive por ti.

Sobre el autor

ennomotive y Grupo Antolin lanzaron en mayo de 2019 los tres desafíos tecnológicos de la primera fase del programa de innovación abierta ANTOLIN i. JUMP, que se completaron con 73 soluciones recibidas y 5 premios: Petar Smiljanic, de Serbia, Can Akgün, de Turquía, Manuel Ortuño, de España, David Barron, de Estados Unidos, y Cillian Hickey, de Reino Unido. En este artículo, Manuel Ortuño nos explica cómo absorben los vehículos los impactos y qué sucede en un choque de vehículos a gran velocidad.