Cómo mata un accidente (2): mecánica de la fractura

La semana pasada estuvimos hablando de la aparición de fuerzas sobre el cuerpo humano cuando se produce una colisión. El resultado de esas fuerzas es que nuestro cuerpo se rompe, especialmente los huesos. Hoy hablaremos de la mecánica de la fractura que intenta explicar cómo se rompe un objeto sólido al sufrir fuerzas.

Podríamos definir la fractura como la aparición de dos superficie nuevas en el interior de un objeto, de forma que queda separado en dos. En consecuencia, vamos a estar hablando bastante de la Física de las superficies. Pero vayamos por partes, y comencemos por clasificar los tres tipos de fractura.

Tipos de fractura

Las fracturas se clasifican en tres tipos dependiendo de la orientación de las fuerzas en relación al plano en el que se produce la fractura. Por ejemplo, si intentamos romper un objeto estirando de cada extremo, con el plano de ruptura perpendicular a las fuerzas, produciremos una fractura de apertura, tipo I. Un modo de ruptura que difícilmente veremos en un accidente.

En el caso que nos ocupa, fracturas por impacto en un accidente de tráfico, normalmente nos encontramos con fracturas de tipo II, aunque el dibujo anterior despista un poco ya que el hueso se parte, normalmente, por su sección más corta (es decir, en el dibujo tenemos un sólido más profundo que alto, mientras que en el hueso es justo al revés). Podemos pensar que es como si el golpe se llevara una parte del hueso, dejando el otro en su sitio.

En definitiva, lo que caracteriza las fractura en modo II es que las fuerzas tienen la misma dirección en que crece la ruptura. La fuerza empuja hacia un lado, y la fractura crece en esa misma dirección.

Por último, el modo III de fractura corresponde al que normalmente utilizamos para romper una hoja de papel. Lo que hacemos es aplicar un par de fuerzas en dos puntos muy próximos estirando hacia adelante y hacia atrás con cada mano, y la fractura crece en una dirección perpendicular a ambas fuerzas (hacia abajo, si sujetamos el papel por la parte superior). Me parece posible que este tipo de fracturas se pueda producir en un accidente, especialmente cerca de las articulaciones; aunque sin duda no será lo más frecuente.

Energía superficial

Un principio importantísimo en Física es que todo tiende a buscar la situación donde tiene menor energía. Por eso, si un objeto acumula demasiada energía se convierte en peligroso, ya que su deseo sería desprenderse de toda esa energía.

Es decir, si un objeto tiene cierta cantidad de energía y existe la posibilidad de producir un cambio que disminuya su energía, entonces ese cambio se producirá de forma espontánea. Siempre que dicho cambio sea posible, claro.

Por ejemplo, un objeto flotando a gran altura tiene mucha energía potencial gravitatoria. Dicho objeto puede disminuir esa energía simplemente cayendo. En conclusión, los objetos situados a gran altura tienden a caer para deshacerse de toda la energía gravitatoria, a no ser que algo se lo impida. En el caso de los aviones, ese algo son las alas. Si un avión pierde las alas, se cae.

Pero volvamos al tema que nos ocupa: la mecánica de la fractura de un sólido. Recordad que los objetos sólidos, como un hueso, están formados por multitud de átomos unidos entre sí mediante enlaces químicos. Los sólidos se forman porque los enlaces químicos disminuyen la energía de cada átomo. Por eso el sólido es estable, porque en él los átomos tienen menos energía.

Ahora bien, los átomos que están cerca de la superficie no tienen tantos enlaces químicos como los que están muy profundos en el material. Es decir, los átomos que están en la superficie tienen más energía que los que están dentro. Esta diferencia es lo que llamamos energía superficial.

Como siempre, los cuerpos hacen lo posible por minimizar su energía. Es decir, si un cuerpo tiene la posibilidad de cambiar de forma, hará lo posible por ponerse de forma que tenga la menor superficie posible. Por eso, las gotas de agua son redondas: la esfera es la forma geométrica con menor superficie posible para un volumen dado. Eso es posible ya que el agua es líquida, y los líquidos pueden cambiar de forma.

Ahora bien, los sólidos (como los huesos) no tienen la posibilidad de cambiar de forma. Se tienen que conformar con la forma que les ha tocado, y no pueden modificarla para reducir la energía superficial. Lo único que pueden hacer es evitar que crezca la superficie.

Como hemos dicho al principio, una fractura implica que aparezcan nuevas superficies. Y eso también implica que crece la energía superficial. Por lo tanto, la resistencia de un sólido a romperse se puede entender como su intento de evitar que crezca la energía superficial. Por eso es necesario aplicar grandes fuerzas para romper un hueso. Esas fuerzas proporcionan la energía que se acaba convirtiendo en energía superficial.

Mecánica de la fractura

La mecánica de la fractura se estudió durante la I Guerra Mundial, cuando diversos aviones sufrieron fracturas debidas a la fatiga de los materiales. El ingeniero Alan Arnold Griffith notó que la presión necesaria para fracturar un bloque de cristal era mucho menor de lo que predecía la física por aquél entonces. Además, observó experimentalmente que materiales creados con filamentos muy finos de cristal soportaban más presión que un pedazo grande de vidrio.

Juntando estos hechos, Griffith teorizó que las fracturas eran favorecidas por pequeñas fallas en el interior de la estructura del sólido. Las fibras de cristal finas tienen menos volumen para contener fallos, y por eso son más resistentes. Fijaos que ese es el principio Físico que explica por qué los materiales hechos de fibra de vidrio o de carbono tienen características tan excepcionales para construir vehículos ligeros y resistentes.

Podemos imaginarnos esos fallos internos en el sólido como pequeñas superficies parciales internas. Por eso, si se crea una fractura que pasa por allí, la superficie a crear es menor. Porque, de alguna forma, una parte de la superficie ya estaba allí. Por eso, la diferencia de energía superficial es mucho menor si el material ya contiene fallos.

A nivel microscópico, las fuerzas aplicadas sobre el hueso proporcionan energía a los átomos del material. Esa energía provoca que se empiecen a mover, cada vez más rápido. Los enlaces químicos entre los átomos son como una especie de muelles: si se alargan, estiran con más fuerza. Pero si estiramos demasiado un muelle, éste se puede romper.

Lo mismo pasa con los enlaces químicos. Si los átomos se mueven demasiado rápido, el enlace entre ellos se puede romper. Ese es el inicio microscópico de la fractura. Desde el punto de vista energético, como decíamos, la energía que han aportado las fuerzas del impacto se ha transformado en energía superficial debida a las nuevas superficies que han aparecido en el hueso.

Ese es el efecto que tienen las fuerzas sobre el hueso. Unas fuerzas cuyo origen explicamos en el anterior artículo, y que hoy entendemos cómo actúan para explicar la mecánica de la fractura. No obstante, las fracturas no son los únicos daños que pueden afectar a nuestro cuerpo cuando sufrimos un accidente. En el siguiente artículo hablaremos sobre el desplazamiento de los órganos internos.

Fotos | Ted Eytan, Twisp, Munir Hamdan, theilr