El mecanismo primordial de los efectos de la tensión estructural

Lanzarse a una piscina desde escasos metros de altura permite entrar al agua sin dolor alguno, pero saltar desde un puente puede producir un impacto mortal. Si el agua es la misma en ambos casos, entonces ¿por qué es tan distinto el efecto de golpear su superficie?

Esta pregunta, cuya respuesta inicial es muy sencilla, esconde en realidad un área muy compleja y poco explorada de la física. Un nuevo estudio está ahora ayudando a conocer mejor esa área.

Usando una combinación de modelos informáticos y pruebas experimentales, el equipo de Yue Fan, Bilge Yildiz y Sidney Yip, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, estudió un tipo específico de tensión estructural. Pero, según los investigadores, la explicación subyacente podría ser aplicable a muchos aspectos de diversos tipos de tensiones estructurales en cuantiosos materiales de muy distinta composición química y características estructurales.

A la postre, los resultados de esta nueva investigación podrían ayudar a explicar fenómenos tan variados como las rupturas en el hormigón bajo una tensión estructural repentina, y los efectos de la corrosión sobre diversas superficies metálicas.

En esencia, el equipo analizó cómo se comporta la fortaleza de un material a medida que la tasa de tensión estructural aplicada a dicho material se incrementa. Esta transición en la tasa a la que un material sufre fracturas o se dobla ha sido observada experimentalmente durante muchos años, pero su mecanismo subyacente nunca había sido explicado completamente.

La clave está en el modo en que un impacto u otra tensión estructural se confinan inicialmente en un pequeño sitio del objeto, y la rapidez con que las fuerzas aplicadas se pueden diseminar desde ese punto posteriormente. A fin de explorar el fenómeno, el equipo tuvo que analizar cómo los átomos y las moléculas se mueven para producir este comportamiento.


El equipo halló que, además de la velocidad a la que se aplica la tensión estructural, el efecto depende de modo crítico, y de manera muy predecible, de la temperatura del material. A mucha gente, sin duda, le parecerá extraño, tal como comenta Fan, ya que la lógica cotidiana nos sugiere que ambas cosas son independientes. Pero resulta que los efectos de la velocidad de la tensión y los de la temperatura están estrechamente relacionados.

La magnitud del fenómeno es espectacular. La tasa de cambio en el material puede variar súbitamente en órdenes de magnitud, transformando una erosión lenta en una súbita fractura catastrófica.

Los análisis basados en este hallazgo podrían ayudar a predecir rupturas en estructuras de todo tipo, desde edificios de hormigón, hasta componentes estructurales de aviones, pero se necesitará investigar más para averiguar cómo se pueden aplicar estos principios básicos a esos diferentes materiales.

Los autores del estudio creen que este comportamiento es universal en los materiales, pero no lo han demostrado todavía.

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