Imagina que estás en una obra y se suelta un pedrolo bien gordo que comienza a caer y va directo a tu cabeza, ¿qué eliges para cubrirte? ¿El escudo del Capitán América…
… o el típico casco de obra?
Unos millones de obreros y yo nos decantamos por el casco, te explicaré por qué.
El primer motivo es que el escudo no existe, pero no es el principal.
Para entenderlo bien tenemos que precisar qué es la fuerza.
No es infrecuente definir las magnitudes físicas según alguna fórmula en las que participan. Por ejemplo, la fuerza es aquello capaz de cambiar el estado de movimiento de un sistema. Simplificando podría decirse que bien aumentando/disminuyendo su velocidad o bien cambiándola de dirección, lo que implica generar una aceleración. Recuerda la segunda ley de Newton: F = m·a
Aquí se suele obviar que hay otro fenómeno en el que se manifiestan las fuerzas, cuando se producen deformaciones.
(En realidad es trabajo hecho contra las fuerzas que mantenían las partes del sistema en sus posiciones relativas)
Pero, para verlo bien claro, nos quedamos con que las fuerzas producen cambios en el estado de movimiento o deformaciones.
Y volvamos a nuestros superhéroes, esos que se ponen cotas de mithril y escudos de vibranium, materiales tremendamente resistentes y que no se romperán cuando se les aplique una fuerza, por intensa que sea.
Muy bien, te lo compro, pero tú estás detrás, querido amigo… Y para mostrarte lo que te pasará si confías ciegamente en los Vengadores o en tu tío Bilbo, recordemos un conocido juguete, el péndulo de Newton (Newton’s cradle).
Si piensas en que la bola de la izquierda es el objeto que te golpea; las del centro, tu cobertura, y la de la derecha, tu cabeza… creo que verás que te llevas el impacto completo, con toda su energía.
Eso es lo que pasará si te cubres con un elemento rígido en contacto contigo. El impacto te llegará con toda su fuerza. La única ventaja que puedes obtener sería que si el objeto es puntiagudo, su fuerza se repartirá por todo el “protector” que uses y la presión será menor (se clavará menos), pero la energía del golpe será la misma.
Por lo tanto, si te tiras de un edificio con la mejor armadura de vibranium el golpe va a ser equivalente al que te darías si fueras desnudo, sólo que, en lugar de chocar contra el suelo, chocarás contra la armadura.
Puedes comprobarlo por ti mismo con monedas sobre una mesa. Mira este vídeo.
Estarás pensando: “Vale, quizá el truco sea, no estar en contacto con la armadura, dejar hueco. Así no me llegará el impacto.” Si es así, es que has olvidado la primera ley Newton, la ley de la inercia.
Si sobre un cuerpo la fuerza neta es cero, este seguirá con su estado de movimiento constante. Bien parado o con movimiento rectilíneo y uniforme.
Ponte la armadura de nuevo, ahora usaremos una de una talla más, y saltemos desde lo alto de un edificio. Cuando la armadura toque el suelo no te pasará la fuerza (¡Bien!), pero la armadura se parará… y tú seguirás cayendo el trocito que te faltaba y te darás el tortazo que te mereces por no estudiar física (¡MAL!).
Esto es justo lo que les pasa al cerebros cuando la cabeza sufre un movimiento brusco en un accidente de coche o al recibir un puñetazo. El cráneo se mueve, pero el cerebro que está suspendido en medio no, al final es el propio cráneo el que le golpea en su movimiento.
Y, entonces, ¿por qué es mejor el caso frente al escudo? Si cuando el objeto golpee el casco me pasará toda la fuerza y energía, ¿qué ventaja me ofrece?
El secreto, claro, está en el interior.
El casco de seguridad no va apoyado sobre el cráneo, va sujeto a la cabeza con una estructura de plástico que, por un lado nos separa del casco y por otro… es FLEXIBLE.
Recuerda que dijimos que las fuerzas también podían producir una deformación, como cuando espachurramos una lata de refresco. En este caso, el entramado de plástico hace de amortiguador, deformádose un poco, sin que el casco toque la cabeza), absorbiendo la energía del golpe y salvándonos esta mollera que tantos años ha costado educar. Por supuesto, después vuelve a estirarse y en ese proceso disipa la energía en forma de calor y todos contentos.
Ya sólo me queda pedirte perdón por estropearte el 90% de las películas de ciencia ficción y fantasía, pero es que el universo de verdad es más fascinante aún.
Sobre el autor: Javier Fernández Panadero es físico y profesor de secundaria además de escritor de libros de divulgación.
Muer-D
Para un treinta de Junio no está nada mal. Buena manera de explicar el funcionamiento de el casco de seguridad
Mauricio Apecena
Muy linda aplicación de física básica… pero falta conocimiento de metalúrgia y composición química del escudo ficticio… el vibranium aporta absorción a la aleación, y es el acero el que le aporta rigidez, aca en el video (min 0:50 aprox.) comienza a explicar la física verdadera y su posible paralelo con la tecnología actual (kevlar por ejemplo) https://youtu.be/DQzwF5JX9II
César Tomé
A mí me parece que se confunde el culo con las témporas.
Empecemos diciendo que el escudo y su composición son ficticios y que lo único que sabemos seguro son las propiedades que se le atribuyen. Ni su metalurgia ni su química. Soy químico y he trabajado 14 años en metalurgia y le aseguro que sé reconocer una fórmula química o una caracterización estructural cuando la veo (por cierto, la que sale en el vídeo para hablar del acero es para reir un rato, pero ese es otro tema).
Así pues, asumamos como cierta la propiedad de que el escudo absorbe las vibraciones. Pero, visto lo visto, también vemos que mantiene su integridad estructural, es decir, el escudo no se rompe ni se destruye por el hecho de usarlo. Un principio básico de la ciencia es la conservación de la energía, si el escudo absorbe la energía y no la pasa a ningún otro objeto, significa que va aumentando su energía o, lo que es lo mismo, las vibraciones de sus átomos, lo que se traduce en un aumento de la temperatura, lo que debido a las limitada masa del mismo, será bastante significativo si los impactos son lo suficientemente potentes. Como ha existido metalurgia, eso significa que el vibranium tiene una temperatura de fusión accesible, y su maleación con el acero la tendrá igualmente. Ello implica que el escudo debería fundirse. Pero no se funde. Y si no se funde es porque es capaz de transferir la energía. Y ¿a qué es lo único que puede transferir energía? Al aire que lo rodea y al brazo que lo porta. Al aire podrá transmitir una parte de la energía térmica y algo en forma de sonido, pero el aire es mal conductor térmico, por lo que no toda ni lo suficientemente rápido. Así pues, es más normal que destroce a quién lo porta.
Eso por un lado. Por otro, lo que dice el vídeo del grafeno implica un desconocimiento profundo de lo que es el grafeno. El grafeno es una monocapa atómica. En el momento en que tienes más de unas cuantas capas estamos ante otra cosa, grafito; exacto, el material del que están hechas las minas de los lápices. Y es que una monocapa atómica podrá absorber la energía que pueda absorber, pero no más, y en términos absolutos será una cantidad irrisoria en términos macroscópicos. El kevlar funciona een términos macroscópicos, en los chalecos antibala, por ejemplo, porque su estructura así lo permite. Pero, si bien no se rompen e impiden con ello que la bala llegue a qien lo porta, no impiden que la energía cinética de la bala se disipe en el cuerpo de la persona.
Existen materiales que absorben la energía e impiden que llegue la energía de un impacto a quien lo usa. Pero funcionan debido a que la energía se disipa rompiendo la estructura. El material más eficiente a este respecto es la fibra de carbono que se emplea en los monocascos de los coches de Fórmula uno, y cuya destrucción progresiva en el impacto permite sobrevivir a choques a velocidades impresionantes. A este respecto este vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=7d6ttJqOzyw (si no se entiende el inglés, véase a partir del 1:35. La destrucción progresiva del morro consigue una desaceleración soportable por el piloto durante la colisión).
En definitiva, que no todas las propiedades pueden ser ciertas al mismo tiempo: si absorbe la energía, se destruye (mecánica o térmicamente) y es de un solo uso. Si mantiene su integridad estructural, mata a quien lo usa, como se explica en el texto. Y esto es cierto independientemente de su química o de su metalurgia.
Enrique
Una duda Javier, que no sé si lo estoy entendiendo bien. En el texto indicas que ‘si el objeto es puntiagudo, su fuerza se repartirá por todo el “protector” que uses y la presión será menor’. ¿La fuerza no se reparte entre las superficies en contacto? Si el objeto es puntiagudo la fuerza se concentraría en un punto (como en un bisturí) y atravesaría el protector, mientras que si el objeto en lugar de puntiagudo fuera alargado la fuerza se repartiría entre más superficie (como con los esquís) y en consecuencia la presión disminuiría, pudiendo no atravesarlo ¿no? Muchas gracias.
Javier
Me refiero a si el objeto es puntiagudo y en lugar de contactar la punta con tu piel directamente, lo hace con un protector q ya no ofrece punta a tu piel.
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