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En la mayoría de los casos, el trabajo de ingeniería se centra en prevenir fallos: reforzar un puente, consolidar una máquina, prolongar la vida útil de un componente. Pero a veces, el diseño más ingenioso logra precisamente lo contrario. Los ingenieros incorporan intencionadamente a un sistema un mecanismo capaz de autodestruirse, fundirse, corroerse, deformarse o romperse en el momento preciso.
Puede sonar contraintuitivo, pero tiene su razón de ser. Un fallo controlado puede proteger algo mucho más valioso. La clave está en asegurar que este componente "de sacrificio" falle de forma predecible, antes de que lo haga algo más costoso o peligroso. Si es demasiado resistente, el punto débil dejará de funcionar. Si es demasiado débil, se convertirá en un riesgo innecesario.
Esto convierte a estos componentes en una especie de póliza de seguro. Puede que sean las partes más baratas y menos llamativas de la máquina, pero su fallo es precisamente lo que los ingenieros preveían. Aquí hay diez ejemplos de sistemas donde el fallo se diseñó directamente para que estuviera previsto.
Véase también: 10 avances tecnológicos increíbles que están pasando desapercibidos.
10 fusibles eléctricos domésticos
Cómo funcionan los fusibles y los disyuntores | Pregúntale a esta vieja casa«
Un fusible es una de esas cosas en las que probablemente nunca piensas hasta que se apagan las luces de repente. Oculto dentro de un enchufe, un electrodoméstico o un disyuntor, su única función es fallar. Más precisamente, contiene un elemento metálico delgado que se funde cuando la corriente que lo atraviesa alcanza niveles peligrosamente altos.
Esto puede ocurrir debido a un cortocircuito, una sobrecarga o un aparato eléctrico defectuoso. A medida que aumenta la corriente, el fusible se calienta. Si la corriente excesiva persiste o alcanza un nivel demasiado alto, el metal se funde, creando un espacio que interrumpe el flujo de electricidad. El fusible se quema, pero el cableado posterior continúa funcionando.
Esto es importante porque el fusible debe dispararse antes de que los conductores eléctricos que protege alcancen temperaturas peligrosamente altas. Sin este punto débil, una corriente excesiva podría sobrecalentar el aislamiento y los materiales circundantes, provocando potencialmente un incendio.
Los interruptores automáticos modernos cumplen la misma función sin sacrificar metal cada vez. Detectan una corriente excesiva y desconectan el circuito, tras lo cual suelen poder restablecerse. En cualquier caso, el principio es el mismo: provocar intencionadamente una pequeña falla para evitar fallos similares en un sistema mayor.[1]
9 ánodos de sacrificio en los cascos de los barcos
Ánodos para motores de embarcaciones: explicación de su funcionamiento
El casco de acero de un barco se enfrenta a un enemigo formidable: el agua de mar. El agua salada es un excelente electrolito que permite que las reacciones electroquímicas corroan el metal expuesto. Los ingenieros han ideado una solución ingeniosa: proporcionarle a la corrosión otro elemento que atacar.
Los ánodos de sacrificio en las estructuras de acero marinas suelen estar hechos de aleaciones de zinc o aluminio y se fijan al casco u otros componentes metálicos sumergidos. Cuando el ánodo y el acero que se protege se conectan en un electrolito, la corrosión se produce preferentemente en el metal más reactivo. En otras palabras, el ánodo se degrada lentamente por sí solo, impidiendo la corrosión del acero.
La elección del metal es importante. Debe ser lo suficientemente reactivo para brindar protección, pero a la vez lo suficientemente duradero para seguir siendo útil. Los ánodos se instalan específicamente en lugares donde se puedan inspeccionar y reemplazar si es necesario.
Después de todo, un ánodo gastado puede tener un aspecto sorprendentemente lamentable, habiendo perdido gran parte de su masa original. Esto no indica que algo haya fallado. Todo lo contrario. La desaparición de un trozo de metal indica que el sistema de protección ha cumplido exactamente con su función. Fue diseñado para quemarse.[2]
8. Discos de ruptura en sistemas de alta presión
Disco de ruptura: Explicación | ¿Qué es un disco de ruptura? | Cómo funciona | Ingeniería básica
La presión es útil hasta que se vuelve excesiva. Por eso, los tanques, las tuberías, las calderas y un sinfín de sistemas industriales pueden estar equipados con dispositivos cuya única función es fallar cuando surge una situación peligrosa.
Un disco de ruptura (o disco de seguridad) es un componente delgado que retiene la presión y está diseñado específicamente para romperse al alcanzar un nivel de presión predeterminado. Al romperse, crea un orificio por donde la presión puede escapar antes de que el recipiente o la tubería sufra una falla potencialmente catastrófica.
A diferencia de una válvula de seguridad, que puede abrirse y cerrarse varias veces, un disco de ruptura solo funciona una vez. Una vez roto, ha cumplido su función y debe reemplazarse.
Es importante destacar que el disco de ruptura debe fallar primero. Un recipiente a presión de acero puede ser costoso, difícil de reemplazar y extremadamente peligroso si se rompe de forma catastrófica. Un disco de ruptura es relativamente económico y reemplazable.
Esta jerarquía no tiene nada de aleatorio. Los ingenieros especifican la presión a la que quieren que falle el disco. Cuando falla exactamente como se diseñó, el componente roto es prueba de que algo salió bien.[3]
7 pasadores de seguridad en sopladores de nieve
Instrucciones para reemplazar los pasadores de seguridad de una máquina quitanieves.
Un gran trozo de hielo chocando contra el sinfín de una máquina quitanieves es una combinación peligrosa. Por suerte, el diseño de la máquina incluye un pequeño componente que, previsiblemente, no se verá afectado.
El pasador de seguridad es un pequeño elemento de fijación metálico que conecta la broca al eje giratorio. Está diseñado intencionadamente para ser más débil que los componentes circundantes. En condiciones normales, transmite la fuerza perfectamente. Sin embargo, si la broca se atasca repentinamente, el par resultante aumenta drásticamente y el pasador se rompe, desconectando la broca del mecanismo de accionamiento.
Esta falla repentina es una característica de diseño, no un defecto. Sin un pasador de seguridad, la carga de impacto puede transferirse a componentes más costosos de la máquina, dañando potencialmente los engranajes, los ejes o la caja de cambios.
Reemplazar un pasador roto puede ser una molestia, especialmente cuando estás limpiando tu entrada después de una tormenta. Pero la alternativa es mucho peor. El pasador nunca fue diseñado para soportar cualquier condición climática. Su función es mantener tu auto seguro.[4]
6. "Fusibles estructurales" sísmicos en edificios propensos a terremotos.
Cinco maneras clave en que los ingenieros "protegen" los edificios de los terremotos, explicadas por un ingeniero estructural.
El edificio más seguro durante un terremoto no es necesariamente el que permanece inmóvil. De hecho, una rigidez excesiva puede ser peligrosa, ya que una estructura que no puede flexionarse tiene menor capacidad para absorber la enorme energía generada por un sismo. La ingeniería sísmica moderna suele adoptar un enfoque diferente: permitir que los componentes individuales se deformen mientras se mantiene inmóvil la estructura principal.
Un ejemplo es el puntal de restricción de tensión, un elemento de acero diseñado para deformarse de forma controlada bajo fuertes cargas sísmicas. En lugar de permitir que estas cargas se concentren en áreas críticas de la estructura del edificio, los puntales absorben y disipan la energía mediante una deformación controlada.
Esto los convierte en un ejemplo del concepto más amplio de "fusión estructural", en el que el daño se concentra intencionalmente en componentes individuales para minimizar los daños en las partes más críticas del edificio. Algunos sistemas de fusión estructural están diseñados específicamente para que los componentes dañados puedan inspeccionarse y reemplazarse después de un terremoto importante, en lugar de requerir una reconstrucción completa de toda la estructura portante.
Sin embargo, existe una distinción importante. Un dispositivo de seguridad estructural no está diseñado para simplemente fallar. Sus características de resistencia y deformación están específicamente diseñadas para deformarse de forma predecible, al tiempo que ayudan a proteger la estructura portante principal del edificio. En la construcción convencional, la deformación irreversible del acero suena catastrófica. En este caso, sin embargo, la deformación controlada puede significar que el acero se comportó exactamente como lo previeron los ingenieros.[5]
#5-1, por favor.
5 frágiles torres y postes de iluminación del aeropuerto
Select Engineering Services ofrece servicios de diseño para sistemas de torres ILS de materiales compuestos con capacidad de destrucción.
Los aeropuertos cuentan con numerosos equipos con los que las aeronaves nunca deben colisionar: luces de advertencia, señales, antenas, instrumentos meteorológicos y otras estructuras ubicadas cerca de las pistas. Sin embargo, si una aeronave se sale de la pista, algunos de estos elementos están diseñados específicamente para prevenir colisiones.
Estas estructuras utilizan soportes frágiles diseñados para romperse al impacto. La idea es sencilla: un poste de acero rígido podría perforar el fuselaje de un avión o causar daños estructurales adicionales. Un soporte frágil, en cambio, se rompe al impacto, sacrificando la estructura y reduciendo las fuerzas transmitidas a la aeronave.
Los accidentes demostraron claramente por qué esto es importante. En 1971, el vuelo 845 de Pan Am colisionó con la estructura de iluminación de aproximación durante el despegue desde el Aeropuerto Internacional de San Francisco. Partes de la estructura penetraron en la cabina del Boeing 747, hiriendo gravemente a los pasajeros.
Las normas actuales de la FAA exigen que ciertos objetos esenciales en las zonas de seguridad de las pistas se instalen sobre soportes de baja resistencia al impacto. Las directrices incluso limitan la altura de ciertos puntos frágiles a no más de 7,6 cm (3 pulgadas) por encima del suelo circundante.
Puede parecer extraño invertir tanto esfuerzo en diseñar una torre que se daña con facilidad. Pero si la aeronave ya se encuentra en la zona donde está la torre, mantenerla intacta se convierte de repente en la tarea menos importante.[6]
Fusible de motor de aeronave de 4 pines
¿Por qué los motores de los aviones están diseñados para desprenderse en caso de accidente?
Cuando Boeing estaba desarrollando el primer 747, los ingenieros se enfrentaron a un problema hipotético preocupante. Si uno de los enormes motores chocaba con algo o se sometía a una tensión extrema, ¿podría desprenderse sin dañar parte del ala y, tal vez, el tanque de combustible?
La solución incluyó pasadores de seguridad estructurales en el sistema de soporte del motor. Estos pasadores fueron diseñados específicamente como puntos débiles para permitir que el motor y su puntal de soporte se separaran bajo ciertas cargas extremas antes de que se transmitieran fuerzas catastróficas al ala.
Al menos esa era la teoría.
El peligro de un fallo controlado se hizo evidente tras el despegue del vuelo 1862 de El Al desde Ámsterdam en 1992. Un fallo en el fusible y el puntal provocó que el motor interior derecho se desprendiera. Este impactó contra el motor contiguo, que también se desprendió, y la aeronave, gravemente dañada, acabó estrellándose contra un complejo residencial.
Los investigadores descubrieron que la secuencia de separación de motores, supuestamente más segura, podría haber tenido consecuencias catastróficas. Boeing rediseñó el soporte del motor del 747, y la Administración Federal de Aviación (FAA) posteriormente exigió cambios para prevenir la separación de motores en vuelo. Los pasadores de seguridad se mantuvieron en el sistema rediseñado, pero su función como elementos de seguridad se limitaba principalmente a impactos severos contra el suelo.
La lección fue dolorosa pero importante: incluso cuando los ingenieros eligen cuidadosamente qué parte debe fallar primero, pueden surgir consecuencias en el mundo real que nadie esperaba.[7]
3 fusibles en los sistemas de extinción de incendios
¡La resistencia está en funcionamiento! El fusible se activa en caso de incendio.
Un sistema automático de extinción de incendios es una simple contradicción. El suministro de agua debe permanecer sellado antes de que se inicie un incendio, pero tan pronto como la temperatura alcanza niveles peligrosos, este sello debe romperse rápidamente.
Una de las primeras soluciones prácticas fue propuesta por Henry S. Parmelee, un fabricante de pianos de New Haven, Connecticut. Preocupado por proteger su fábrica y reducir los costosos gastos del seguro contra incendios, Parmelee desarrolló un sistema automático de extinción de incendios en la década de 1870.
Su diseño utilizaba un material fusible que se derretía al calentarse lo suficiente. Una vez que se rompía este punto débil cuidadosamente seleccionado, el mecanismo liberaba agua. Parmelee obtuvo una patente estadounidense para su extintor automático en 1874 e instaló el sistema en su fábrica de pianos.
Los rociadores modernos utilizan versiones más sofisticadas del mismo principio. Algunos emplean elementos metálicos fusibles; otros, pequeñas bombillas de vidrio selladas llenas de líquido. Al calentarse, el líquido se expande hasta que la bombilla se rompe, liberando el sello que contiene el agua.
Es importante tener en cuenta que los rociadores no suelen funcionar todos simultáneamente. El calor debe alcanzar la temperatura de funcionamiento de cada rociador individual. Por lo tanto, cuando uno de estos pequeños componentes se derrite o se rompe la bombilla de vidrio, el rociador no falla. Su componente más importante simplemente se autodestruye.[8]
2 zonas de deformación programada por colisión en un coche
Cómo las zonas de deformación programada te protegen en caso de colisión | Datos útiles del viernes | Servicio Maruti Suzuki
Durante décadas, los diseñadores de automóviles asumieron que un coche más seguro simplemente necesitaba ser más resistente y rígido. El ingeniero Béla Barényi se dio cuenta de que esto, en realidad, podía hacer que los accidentes fueran más peligrosos.
En lugar de intentar mantener la estructura completa del automóvil en perfectas condiciones, Barényi propuso dividirla en zonas estructurales diferenciadas. El habitáculo permanecería relativamente rígido, mientras que las secciones delantera y trasera se deformarían intencionadamente durante una colisión.
Esta deformación absorbe parte de la energía cinética del coche y aumenta el tiempo que tardan los pasajeros en desacelerar. En resumen, la parte delantera del coche se "sacrifica" para que quienes van dentro experimenten fuerzas de impacto menos severas.
En 1951, Daimler-Benz solicitó una patente para el diseño de carrocería de Barényi, que mejoraba la seguridad, y que le fue concedida al año siguiente. En 1959, Mercedes-Benz presentó la serie W111, los primeros vehículos de producción en implementar el concepto de una cápsula rígida para pasajeros rodeada de zonas de deformación controlada.
Así, un capó muy abollado puede parecer evidencia de un accidente automovilístico. En realidad, gran parte de este daño puede haber sido cuidadosamente planeado décadas antes del accidente.
El gran descubrimiento de Barényi fue darse cuenta de que el coche más seguro no es necesariamente el que se mantiene en perfectas condiciones. A veces, el metal tiene que perder para que los pasajeros ganen.[9]
1. Fijaciones de esquí que liberan específicamente la bota.
Comprobación del mecanismo de liberación de las fijaciones de esquí: lo que necesitas saber.
En 1937, el campeón de esquí alpino Hjalmar Hvam se fracturó la pierna tan gravemente que tuvo que ser hospitalizado. Según su propio relato, apenas se había despertado de la anestesia cuando le pidió a la enfermera un lápiz y papel.
Quería dibujar una fijación de esquí.
Las primeras fijaciones de esquí sujetaban firmemente la bota del esquiador al esquí, lo cual funcionaba a la perfección hasta que el esquiador se caía y el largo esquí comenzaba a doblarse en una dirección para la que el pie nunca había sido diseñado. Hvam se dio cuenta de que el punto débil debía ser la propia fijación.
La fijación Saf-Ski que desarrolló utilizaba un mecanismo de liberación en la puntera, diseñado para permitir que la bota se soltara al ser sometida a fuerzas inusuales. Hvam desarrolló este sistema tras un accidente en 1937, solicitó una patente estadounidense en 1939 y le fue concedida en 1941. La patente describía específicamente la reducción del riesgo de fracturas de pierna causadas por fijaciones de esquí rígidas.
Las fijaciones de esquí modernas son mucho más complejas que el diseño original de Hvam. Tienen en cuenta factores como el peso, la altura, el nivel de habilidad, el tamaño de la bota y otras variables del esquiador, lo que garantiza un ajuste seguro durante el esquí normal y su liberación bajo cargas significativas.
Este método para desacoplarse puede ser muy frustrante. Es posible que el esquí se suelte al caer en la nieve y que tengas que volver a subir para recuperarlo.
Pero ahí radica el problema. Cuando la alternativa es usar la parte inferior del pie como elemento de sacrificio al girar el esquí, es mucho mejor diseñar la fijación para que falle primero.[10]
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