A31 Límites de resistencia del exoesqueleto

Tópico

El exoesqueleto del insecto es la estructura que debe resistir todas las cargas mecánicas a las que el cuerpo del insecto se ve sometido, y esas cargas no son de un solo tipo: las patas del insecto soportan compresión axial cuando sostienen el peso del cuerpo, las antenas y otros apéndices soportan torsión, y las alas y los segmentos del cuerpo soportan flexión.

Para saber cuándo cualquiera de estas cargas termina dañando al exoesqueleto de forma irreversible, el criterio de von Mises combina las distintas tensiones que actúan sobre el material en un solo valor, y predice que la deformación plástica irreversible comienza justo cuando esa combinación de tensiones supera la tensión de cedencia propia del material del exoesqueleto.

Sin embargo, ese límite de tensión de cedencia no es la única forma en que el exoesqueleto puede fallar: el pandeo de Euler es un modo de falla especialmente crítico para las estructuras delgadas del insecto, como las patas muy largas y esbeltas, que pueden fallar por pandeo —es decir, doblándose bruscamente hacia un lado— bajo cargas mucho menores que las que harían fallar al material por su tensión de cedencia.

Frente a estos dos modos de falla, dentro del exoesqueleto son las articulaciones del insecto las que operan con un margen de seguridad relativamente ajustado: la carga que hace fallar la articulación suele ser de solo una vez y media a tres veces la carga real que debe soportar en uso normal, un margen que refleja el compromiso evolutivo entre mantener el exoesqueleto liviano y mantenerlo lo bastante robusto como para no fallar.

Una parte de ese margen de seguridad, sin embargo, no proviene del diseño de la estructura sino de un proceso que ocurre dentro del propio material del exoesqueleto: durante la esclerotización que endurece el exoesqueleto justo después de cada muda, el exoesqueleto se endurece mientras está en su configuración expandida, y ese endurecimiento deja tensiones residuales de compresión atrapadas dentro del material. Esas tensiones residuales de compresión actúan como un pretensado beneficioso: en vez de sumarse a las cargas externas, se restan de las cargas de tracción que el exoesqueleto recibe desde afuera, aumentando la resistencia efectiva del exoesqueleto frente a esas cargas de tracción externas.

ID:2553