Ingeniería del fallo inducido

Si buscamos el significado de «fallo» en algún diccionario encontraremos como una de las acepciones más empleadas “pérdida de la resistencia de algo; mal funcionamiento”.

Si  en nuestro buscador favorito realizamos una búsqueda para encontrar información acerca de fallos encontraremos multitud de sitios que vinculan el «fallo» a prácticas relacionadas con la obsolescencia programada, esa práctica cruel que condena a objetos, dispositivos o máquinas a perecer tecnológicamente ya sea porque una pieza —que puede ser absolutamente prescindible en su diseño— ha dejado de funcionar o por falta de repuestos o por la imposibilidad de ser reparadas o por producirse una inversión en la pirámide de rentabilidad entre la compra de un objeto nuevo y el coste de la reparación del averiado.

Sin embargo, hoy, quiero poner en valor la cultura de lo que me he permitido llamar por su descriptividad «ingeniería del fallo inducido» a fin de otorgar a la ingeniería el mérito que le corresponde al ser capaz de planificar y cuantificar procesos, materiales y cargas de trabajo para conseguir que algo falle, cuando debe fallar. Para entender el mensaje que trasciende de estas letras hemos de despojarnos de la imagen de un perverso ingeniero encerrado en un cubículo calculando qué pieza debería poner para que tal electrodoméstico se rompa al día siguiente de superar el plazo de garantía. No pienso poner la mano en el fuego diciendo que esta práctica no se realiza porque me quemaría. Por supuesto que puede predecirse (con ciertos umbrales de error) el plazo de fallo de un componente o un conjunto mecánico, hay fórmulas para ello pero, también, gracias a ellas podemos crear unos calendarios de revisión y mantenimiento de nuestros vehículos, de las aeronaves, de la bicicleta con la que disfrutamos de un paseo dominguero… Diseñar algo para que pueda romperse resulta complejo pero también, en ocasiones, funcional y extremadamente útil. Permítaseme ahora ilustrar a qué me refiero con algo más de detalle.

Inducir un fallo es crear una singularidad, un punto débil, una heterogeneidad controlada dentro de un complejo mayor con un propósito. Alejándonos de los vericuetos que ha rodeado el mal uso del fallo con fines lucrativos encontramos toda una teoría fundamentada en postulados físicos, mecánicos, matemáticos, eléctricos…, que permite analizar las propiedades de un material, su geometría o su mecanización para conseguir que bajo determinadas condiciones de trabajo o carga, alcance su fallo.

Veamos cuán útil ha resultado este proceso en objetos cotidianos que empleamos, siendo conscientes o no de ello, con esta filosofía de trabajo. 

Desde que existe el transporte de mercancías, las expediciones o las campañas bélicas, disponer de comida en condiciones saludables ha supuesto un hándicap que limitaba la capacidad del ser humano. Se encontró una primera solución en las latas de conserva cuando en 1810 Peter Durand diseñó un envase de hojalata que impedía la oxidación de los alimentos en su interior. Fue el comienzo de la industria envasadora y el punto de partida de numerosos envases para alimentos y refrescos. Sin embargo el gesto de sentarnos a ver nuestra serie favorita en la TV y abrir nuestra bebida con un dedo tuvo que esperar hasta 1963 cuando el ingeniero Ermal Cleon Fraze, responsable de la Dayton Reliable Tool Company, diseñó un punto de fallo en la envase, el zip-top, un remate en la tapa de la lata de bebida que era capaz de soportar la presión interna del gas carbónico pero que aplicando una fuerza de tracción sobre una anilla perforaba la superficie a modo de palanca por una zona precortada en forma de lágrima que tras ser retirada con poco esfuerzo permitía el vertido del líquido con suma  facilidad.  Había nacido el abrefácil, que habría de ser mejorado a partir de 1975 en distintos modelos posteriores para abaratar costes y mejorar el medioambiente al dejar fijada la anilla al cuerpo de la lata (obra del también ingeniero de la  Reynolds Metals, Daniel F. Cudzik).

Modelo de patente de anilla para lata de conserva

Modelo de patente de anilla para lata de conserva

Modelo de patente de anilla para lata de refresco

Imaginemos que ahora nos encontramos disfrutando de nuestra bebida enlatada favorita y caemos en la cuenta de lo refrescante que resulta. Pero, ¿cómo es que está fría? Como detectives tecnológicos prestamos atención a la red eléctrica que permite que todos los dispositivos eléctricos y electrónicos, incluido nuestro frigorífico, tengan energía para funcionar. El cable eléctrico que permite la circulación de portadores de carga desde la red pública hasta nuestros hogares está interrumpido al inicio de nuestra instalación por un dispositivo de seguridad llamado fusible que, como puede deducirse del nombre, está diseñado para poder fundirse, es decir, para que falle bajo ciertas condiciones. La ley de Joule nos dice que un objeto incrementa su temperatura cuando lo hace la intensidad que lo recorre y esto supone que para que un filamento soporte más intensidad habrá de ser más resistente a la temperatura, a menos, como en este caso, que pretendamos lo contrario. Hay una relación directa entre la sección del conductor y la temperatura que provoca el fallo de un cable de un material dado (cobre, aluminio...). 

Fusible de cuadro de protección eléctrica

El fusible, que viene usándose desde 1774, consiste en un filamento de sección calibrada por el que se hace pasar toda la intensidad de cabecera de una fase de la instalación (habrá tantos fusibles como fases a proteger). El filamento ha sido calculado y ejecutado para que, si la intensidad, por cualquier motivo, excede la que la instalación soporta, produzca un fallo y se destruya fundiéndose por el exceso de temperatura interrumpiendo así el paso de corriente y salvaguardando la instalación, los elementos conectados a ella y, por ende, a los usuarios de la misma. Estos fusibles pueden encontrarse en la gran mayoría de dispositivos electrónicos, electrodomésticos, vehículos y máquinas eléctricas variando su tamaño y peso en función de los requisitos de la instalación. Un error de cálculo en su diseño podría tener consecuencias fatales.

Cuadro de fusbiles en vehículo

Cuando estamos aparcando nuestro vehículo en nuestra miniplaza de garaje y ese fastidioso pilar «se mueve» hacia nosotros provocando una visible abolladura en la carrocería nuestro primer instinto es maldecir a quien diseñó y fabricó un coche tan frágil pensando con añoranza que a los de antes no les pasaba eso. Y es cierto que antes no pasaba esto pero porque los coches de antes sí que eran frágiles. Tanto, que ante un accidente de cierta importancia las lesiones para los ocupantes eran demasiado importantes. Para el lector con inclinación científica aportaré que Galileo Galilei en su obra Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno a due nuove scienze [Discurso y demostración matemática en torno a dos nuevas ciencias], ya hablaba del «impeto» al que también se referiría Sir Isaac Newton con el término latino motus. Ambos se estaban refiriendo a la magnitud física cantidad de movimiento que relaciona la masa de un objeto con su velocidad de forma que su producto se mantiene constante en un sistema cerrado. Este principio implica que el impulso que recibe un vehículo cuando choca se transmite a sus ocupantes si no se puede disipar antes de alguna forma. La clave, como bien sabía Robert Hooke cuando formuló la ley física que lleva su nombre, está en la deformación. 

Test de prueba de impacto en vehículos

Los ingenieros de diseño de nuestros automóviles diseñan el vehículo con la premisa de disponer un habitáculo indeformable, lo que denominan la celda de seguridad, donde se encuentran los pasajeros, que suele incorporar extensiones de zonas seguras a elementos sensibles como el depósito de combustible.

Celda de seguridad en vehículos

Lo que rodea a este armazón rígido es una estructura colapsable que se calcula para absorber gran parte de la energía acumulada en el choque y retráctil para evitar que la dirección, las ruedas o el propio motor accedan al interior del celda de seguridad. Esta filosofía de diseño (que recibe el nombre de carrocería de deformación programable) ha salvado numerosas vidas y ha incrementado portentosamente la seguridad del transporte (y ni que decir que a muchas familias de chapistas estará permitiendo pagar los estudios de sus hijos). Es el fallo inducido de nuestro vehículo. Su diseño, nos hace estar más seguro cada vez que accionamos el contacto.

En ambientes marinos el fenómeno de la corrosión puede minar la vida útil de las estructuras navales y otro tanto ocurre con estructuras metálicas que se encuentran en contacto directo con la tierra. Para evitar este efecto los ingenieros han empleado sus conocimientos sobre los mecanismos electroquímicos para idear una forma de provocar un fallo en una parte de la estructura para salvaguardar otra. La solución está en sacrificar un metal conductor externo a la estructura principal en beneficio de ésta.

Ánodos de sacrificio en forma de pastillas soldadas al cuerpo del barco

El principio de funcionamiento se conoce como protección catódica galvánica. En la corrosión (en la versión más general de las existentes) se produce una migración de electrones del metal base por efecto oxidativo que le resta material a la masa metálica y estos electrones se combinan con las moléculas de agua para formar hidróxidos de hierro. Se producen células electroquímicas con zonas anódicas de oxidación y catódicas de reducción y corrientes distribuidas desde aquéllas hasta el electrolito. Al incorporar otro metal mucho más anódico todo el flujo electrónico tenderá a fluir desde el nuevo ánodo siendo éste el que pierde densidad para salvaguardar el metal a proteger pues se convierte en cátodo en comparación con el sacrificado que es mucho más anódico que éste. Materiales como el magnesio, aluminio o cinc se usan mayoritariamente para proteger tanques de almacenamiento de agua, tuberías de transporte, estructuras petrolíferas, instalaciones de gasoductos, pasos de carretera, pilas de puentes o torres eléctricas.

Anillo perimetral de protección anódica en depósito de GLP

Más recientemente en obras de ambientes agresivos se incorporan materiales como la cinta de malla de titanio para asegurar la protección galvánica de las propias armaduras de pilares y forjados de hormigón armado. La innovación, afortunadamente, no cesa en la ingeniería. 

Como ingeniero no puedo evitar mirar arriba cuando entro en algún nuevo recinto para husmear las instalaciones que se han empleado y aprender de las soluciones adoptadas. Si te ocurre lo mismo habrás observado en multitud de centros educativos, en industrias, en recintos feriales, en locales de pública concurrencia…, unas pequeñas ampollas de vidrio con un líquido coloreado en su interior que cuelgan del techo o están fijadas a la pared, en montaje de tubería vista o perdida. Estos elementos se llaman rociadores (sprinklers) y su función es romperse cuando se necesita.

Rociador automático

Son el “interruptor” que permite la salida de agua de la red diseñada para sofocar un incendio. La forma de trabajar es curiosa y sencilla. Se trata de aprovechar la dilatación de los fluidos con el incremento de temperatura para inducir un fallo en la ampolla de vidrio que los contiene. En caso de incendio, la temperatura aumenta rápidamente sobre la vertical de la llama y hace que el líquido alojado dentro de la ampolla gane temperatura y dilate volumétricamente. La sobrepresión que experimente la pared de vidrio no puede ser soportada y al estallar, deja de ser un cierre hidráulico para la tubería de agua y esta sale violentamente impactando contra un platillo que crea un efecto lluvia por causa del rebote.

Como podrás imaginar, calcular con precisión el punto de fallo del vidrio atendiendo a la presión interior y a la dilatación del fluido no es tarea sencilla pero pocas cosas lo son cuando se habla de ingeniería. 

Una estructura presenta una confluencia de elementos que se encuentran unidos entre sí por uniones empotradas, rígidas, articuladas o mixtas. Del entramado estructural se puede deducir un comportamiento del conjunto ante las acciones que experimentará en su vida útil. Es imposible predecir todos los tipos de esfuerzos que experimentará la estructura a lo largo de toda su vida pues podrá sufrir cambios de uso, remodelaciones, distinta exposición a sobrecargas o acciones accidentales como el fuego, el sismo o el impacto. Los métodos de cálculo modernos permiten modelizar las estructuras ante diferentes escenarios de carga y realizar un dimensionamiento basado en su comportamiento global ante la posibilidad de coincidencia de estas acciones en el supuesto más desfavorable. Ante un incendio, el hormigón armado disminuye poderosamente su elasticidad pudiendo verse reducida su capacidad resistente hasta en un 30% a 500ºC con respecto a lo que soportaría a 20ºC.

En estructuras importantes, donde se ponen en riesgo numerosas vidas ante un escenario extremo de carga, los ingenieros pueden inducir el fallo de ciertas partes de la estructura en beneficio de otras de mayor importancia. Así, los pórticos hiperestáticos de hormigón permiten redistribuir sus esfuerzos cuando alcanza la plastificación alguna sección dañada.

Jugar con los tiempos de plastificación y la redistribución de las cargas hace posible crear zonas de rigidez variable en encuentros y articulaciones para conseguir que, en casos extremos, una parte secundaria de la estructura colapse antes que otra principal protegiendo a sus ocupantes. Como imagen podríamos tener la de salvaguardar la estructura de gradas y las vías de evacuación de un estadio deportivo frente a marquesinas publicitarias o zonas de cubierta.

Así pues, esto que he denominado ingeniería del fallo inducido nos es más cercana de lo que pensamos, está ahí, aun cuando no la percibimos, nos servimos de ella para mantenernos seguros y hacer nuestra vida más fácil. Es algo que no compete en exclusiva a una disciplina y espero que desde ahora, apreciado lector, cuando se te averíe la lavadora una semana después de cumplirse el plazo de cobertura de la garantía no pienses que años y años de estudio de mucha gente cualificada sólo sirven para el propósito de la obsolescencia programada. Como has visto, sirve para mucho más…

Autor: Prof. Javier Luque.

Imágenes:
http://europe.autonews.com/article/20070709/ANE/70704014/crash-test-dummies-face-
new-rivals
https://www.pruebaderuta.com/deformacion-programada.php
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http://www.generadordeprecios.info/obra_nueva/Instalaciones/Gas/Depositos/IGD112_Equip
o_de_proteccion_catodica__para.html
http://caminahora.com/proteccion-catodica-nuevas-corrientes-en-la-ingenieria-civil/
https://es.wikipedia.org/wiki/Protecci%C3%B3n_cat%C3%B3dica
https://www.puntoseguridad.com/2015/10/rociador-automatico-el-vigilante-permanente-
contra-el-fuego/#
http://deutschland-berlin.de.tl/Stadien.htm

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