Fuerza que Puede Soportar un Hueso Tras el Impacto
Para entender cuáles son las fuerzas que soporta un hueso en el momento en que se produce un accidente se muestra, a continuación, la física relacionada:
La física detrás de un impacto
Se define Velocidad (v) como la distancia recorrida en un tiempo determinado. Un elemento importante en los impactos es que la Variación de la Velocidad (Δv), así no sea muy alta, se da en fracciones de tiempo muy pequeñas, alrededor de 100-200 ms, por lo tanto es crítico definir la Aceleración (a) como esa variación de la velocidad. También hay que tener en cuenta que los objetos tienen masa, por lo que se hace relevante incluir la Energía Cinética (Ke), definida como la energía que tiene cualquier masa en movimiento y calculada de la siguiente manera: Ke = 1/2 m*v2. Es la masa del objeto y la aceleración componen la Fuerza (F) que es igual al impacto que produce una masa con cierta aceleración (F = m*a). Pero aun así es insuficiente, ya que los objetos más afilados requerirán de una menor fuerza para producir resultados diferentes, por lo que es importante entender el concepto de presión. Se define la Presión (P) como la fuerza aplicada por unidad de área (P = F / A), por lo que si el área se hace más pequeña mayor será la presión. Un objeto sometido ante una presión suficiente empieza a deformarse, a esto se le denomina Elongación (ε). No tiene unidades, se expresa como la deformación porcentual de la longitud (Rich, Dean, & Powers, 2005).
Se puede determinar una curva de Tensión-Elongación para el hueso e identificar dos comportamientos diferentes. Cuando una tensión es aplicada se da una deformación temporal, que al eliminar la tensión, se desaparece; este es el comportamiento Elástico. Hay otra deformación que ocurre después de que se supera el módulo de elasticidad o de Young, en la que se produce una deformación permanente; se conoce como comportamiento plástico. Ésta es una medida de rigidez. Si se continúa aplicando la tensión el material eventualmente va a fallar, ocurrirá una fractura. Para el estudio posterior sólo se tuvo en cuenta la fuerza, dado que los otros conceptos son complejos de analizar y no muy relevantes, si se tiene en cuenta la prueba de certificación de protecciones descrita posteriormente.
Fuerzas relevantes
El hueso es uno de los materiales más fuertes que se pueden encontrar en la naturaleza. Onza por onza es más fuerte que el acero, una pulgada cúbica puede soportar una carga de hasta 8.626 Kg (aproximadamente el peso de cinco camionetas estándar), es unas cuatro veces más resistente que el concreto. Un golpe rápido y fuerte puede producir unos 3.300 newtons de fuerza, suficiente para tener una probabilidad del 25% de romper la costilla de una persona. Un fémur puede soportar hasta 4.000 newtons. La resistencia del hueso depende de factores como la cantidad de músculo o grasa que rodea al cuerpo, el ángulo del impacto, la edad y la salud de la persona (Choi, 2010).
Existen diferencias en las cargas que soportan los huesos antes de fallar respecto al género. Se presenta la Tabla 8 con la información de fuerza soportada por las tibias de hombres y mujeres en dos estudios diferentes (Rich et al., 2005): Se seleccionan las dos cargas menores para determinar los requerimientos del producto:
- Tibia masculina: 3,06 kN
- Tibia femenina: 2,24 kN
Dado que las velocidades relevantes hasta el momento son 48 Km/h y 60 Km/h, se calcula, teniendo en cuenta la variación de tiempo especificada anteriormente de 100 – 200 ms, la desaceleración respectiva en el caso en que se produzca un choque contra otro vehículo. Teniendo en cuenta de la tabla anterior las aceleraciones correspondientes a los valores máximos por velocidad, conociendo que la aceleración de la gravedad es de 9,8 m/s2, y los pesos promedios diferenciados por sexo y edad de acuerdo a Ávila Chaurand et al. (2007), correspondientes al percentil 95, se construyó la siguiente tabla:De la tabla anterior se destaca la fuerza generada (15 kN) sobre el cuerpo ante un impacto a 60 Km/h sobre un hombre con un peso cercano a los 90 Kg. Si tenemos en cuenta que la tibia puede soportar cargas de hasta los 3,06 kN en hombres y de 2,24 kN en mujeres, la generada por el impacto descrito es casi cinco veces superior a la mayor soportada.
Es decir, que para fracturar una tibia se necesita al menos el peso de cuatro hombres promedio y un choque a una velocidad de 60 Km/h sería como si una persona cayera desde una altura de 14 metros, unos siete pisos. Debido a esto se reconoció que a pesar de que las fracturas son bastante comunes, evitarlas es muy difícil (hecho reconocido por los mismos usuarios y que se enuncia posteriormente). Por lo tanto el elemento de protección cumplirá con las especificaciones de la norma europea (presentada en el “Marco teórico”) y protegerá principalmente ante raspaduras, laceraciones e impactos leves.
