A33 Fallas por fatiga cíclica

Tópico

El ala del insecto es, quizás, la estructura que más sufre la fatiga cíclica: la fatiga cíclica es la acumulación de daño en el material que ocurre bajo cargas repetidas, aunque cada una de esas cargas por separado esté muy por debajo de la tensión de cedencia del material. El ala del insecto experimenta millones de estos ciclos de flexión a lo largo de su vida útil —una mosca que vive apenas treinta días, batiendo sus alas a doscientos ciclos por segundo, acumula del orden de quinientos millones de ciclos de flexión antes de morir.

La relación entre cuánta tensión soporta el material en cada ciclo y cuántos ciclos de fatiga puede tolerar antes de fallar queda descrita por la curva de Wöhler: cuanto mayor es la amplitud de la tensión aplicada en cada ciclo de flexión del ala, menor es el número de ciclos que el material logra tolerar antes de fallar por fatiga.

Sin embargo, el ala del insecto casi nunca bate con una amplitud de tensión constante ciclo tras ciclo, sino que la carga real del vuelo varía todo el tiempo según la velocidad y las maniobras que realiza el insecto. La regla de Miner permite estimar el daño acumulado del ala precisamente en ese caso, sumando la contribución al daño de cada ciclo por separado, aunque cada uno tenga una amplitud de tensión distinta a la del ciclo anterior.

Además de la amplitud de cada ciclo, hay otro factor que afecta el daño acumulado del ala: la tensión media alrededor de la cual oscila cada ciclo de carga. El diagrama de Goodman corrige el efecto de esa tensión media sobre la vida a fatiga del ala: cuanto más de tracción es la tensión media a la que está sometida el ala, más corta resulta su vida a fatiga.

Dentro del ala, son las articulaciones alares las que concentran más este daño: cualquier muesca aguda en una articulación concentra la tensión de forma tan intensa que la tensión real que soporta el material en ese punto puede llegar a ser de tres a cinco veces mayor que la tensión nominal que se calcularía sin tener en cuenta esa concentración. Esa tensión real tan amplificada acorta drásticamente la vida a fatiga de la articulación, porque —según la misma curva de Wöhler— una tensión más alta siempre implica menos ciclos tolerables antes de fallar.

Frente a este riesgo concentrado en las articulaciones alares, las alas de los insectos han desarrollado microestructuras propias en esas articulaciones que distribuyen el daño en vez de dejarlo concentrado en un solo punto, y que además previenen que cualquier grieta que empiece a formarse ahí llegue a propagarse. Gracias a estas microestructuras, el ala del insecto logra sostener los cientos de millones de ciclos de flexión que su vida útil le exige, a pesar de que cada articulación individual sería, sin esa defensa, el punto más frágil de toda el ala.

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