Visto que no existen informes previos que faciliten, se detallan las siguientes definiciones y conceptos empleados en este informe a los fines de dar un entendimiento más acabado:
- AS 'as spun' (como hilo): presenta una alta resistencia a la tracción dejando relativamente baja la
rigidez del material.
- Cadena: se refiere a la extensión del polímero en cuanto al número de moléculas intervinientes (monómeros) en su confección más elemental, las hay largas y cortas. Esto lleva a que estructuras de cadena larga tengan un límite de vida útil, pues luego del mismo se comienzan a tener problemas de integridad (por ejemplo los neumáticos).
- Elongación: deformación sufrida hasta la rotura.
- Resistencia térmica: tolerancia máxima al calor antes de comenzar a degradarse.
- HM 'high modulus': de elevado módulo de rigidez, al tratarse (térmicamente) la fibra y la resina se logran uniones más fuertes en sus componentes, pero a costa de perder resistencia (es decir, que soporta mayor esfuerzo, pero una vez dañado, las fisuras se propagan más fácil).
- HSPE 'high strength polyethylene': polietileno de alta resistencia, fibra sintética de elevado rendimiento.
- LOI 'limiting oxygen index': porcentaje de oxígeno mínimo para comenzar el proceso de combustión al aportarle calor.
- m-Aramida: metaaramida, fibra aramida de alta resistencia a la tracción con el Nomex como
elemento más conocido.
- Material compuesto: combinación general de 2 materiales para dar lugar a uno nuevo con características específicas de cada uno de sus componentes. En este caso una fibra (aporta resistencia a la tracción) y un polímero (brinda felxibilidad, que al ser tratado se endurece).
- Módulo de elasticidad: relación entre esfuerzo aplicado y deformación producida; puede darse en cualquier orientación siempre y cuando sean emparentables (tracción/compresión vs longitud, compresión vs volúmen, corte vs forma del cuerpo, etc.).
- Humedad interna: porcentaje de agua respecto del peso de una muestra seca. Este parámetro se ve principalmente afectado por la humedad relativa, el historial del cuerpo, temperatura a las que se expone (sólo condiciones extremas), tiempo para equilibrarse con el medio, entre otros.
- p-Aramida: paraaramida, fibra de alta rigidez contando con el Kevlar como principal exponente.
- PBI: polibenzimidazol, fibra de alto rendimiento.
- Polímero: formado principalmente de carbono con agregados de otros elementos no metálicos como el hidrógeno, nitrógeno, etc.; dada su estructura molecular (cadenas) se generan materiales de plástico a gomas principalmente gran flexibilidad y baja densidad.
- Resistencia a la tracción: carga máxima que soporta un material traccionado antes de comenzar a
romperse.
- Resistencia específica: razón entre resistencia a la tracción y densidad, obteniendo esfuerzo por unidad de materia (N/Kg, por ejemplo).
- Termoestable: polimero con estructura tridimensional (desarrollada de modo natural), mas no ordenada. Este tipo de estructura le infiere un elevado grado de resistencia mecánica y térmica.
- Temperatura de descomposición: al llegar a temperaturas elevadas se desestabilizan en exceso las uniones entre monómeros (el aporte de energía es tan grande que rompe los enlaces entre moléculas), que no es lo mismo que la 'temperatura de fusión o fundido' ya que aquí se conservan las uniones representativas del material, produciéndose sólo cambios de estado.
- Tenacidad: capacidad del material de absorver energía hasta la deformación plástica.
Fibra de Zylon en carretel
Creado hace más de 30 años, el Zylon (nombre comercial para el PBO o 'poli parafenileno benzobisoxazol') es una fibra asociada a un polímero de cadena larga con características superlativas para los ya impresionantes valores que otorgan los materiales compuestos reforzados por tramado. Se lo introdujo en 2001 como cable de sujeción entre rueda y chasis, en 2007 comenzó a ser empleado en la construcción de la célula de supervivencia, y en 2011 como adicional a las viseras de los cascos (tras diferentes pruebas motivadas por el accidente de Felipe Massa en 2009).
El Zylon es una fibra que al presentarse como tramado (con el consecuente proceso de curado) expone elevadas características mecánicas, resultando crucial una correcta orientación de sus fibras. Así en el proceso de curado del tramado con la resina se deben evitar las 'bolsas de aire' y desarreglos en su disposición que derivan en fallos estructurales severos (generando puntos o zonas de acumulación de tensiones).
Una de sus principales aspectos es la de ser termoestable. Al curarse con aplicación de radiación (en forma de calor y/u otra) la red intermolecular (cadenas) se compacta formando una estructura mucho más robusta, ganando en rigidez (pero por ello mismo también en fragilidad). Y he aquí una de las claves de todo material compuesto: los 'enlaces intermoleculares', ya que mientras más grande sea el grado de unión entre las capas componentes, mayor será la energía necesaria para separarles (romper el material) y como consecuencia el material resistirá a mayores tensiones.
Las siguientes tabla y gráfica compara fibras de alto rendimiento, lo cual hace que la mayoría de ellas tengan aplicaciones equivalentes en ciertas especificaciones, o bien que sean alternativas entre ellas según costos u otros aspectos. Así mismo para caracterizar a una fibra se la refiere a su resistencia mecánica (carga máxima por área) y a su módulo elástico (rigidez) mientras esté trabajando sin deformarse permanentemente, se puede apreciar que para el Zylon, su principal virtud está en la resistencia a la tracción y a la deformación.
Cabe destacar que existen distintos tipos de fibra (yendo de fibras de alta rigidez a fibras de alta resistencia), dependiendo del tratamiento y función, por lo que estos valores pueden variar según la fuente y denominación de la fibra.
A pesar de sus grandes dotes mecánicas (como practicamente todas las fibras unidas por resinas) sin tratar apropiadamente con algún tipo de laca el Zylon se degrada con la luz visible, los ultravioletas y el agua de mar, produciéndose el característico 'escameo' (excoriación) de la superficie (y a posteriori del resto de capas inferiores) lo que conlleva a riesgos en la salud de quienes operen con ellas durante prolongado tiempo (los guantes, barbijos, mamelucos y limpieza en general no son sólo por apariencia).
Se podrá pensar entonces: 'después de todo el Zylon sólo es bueno a la tracción y a altas temperaturas, luego existen materiales de mejor calidad' (razón no falta), mas se ha de recordar que fue concevido con ese criterio, ser extraordinario para soportar esfuerzos de tracción y mantenerse en condiciones elevadas temperaturas. De haber necesitado otro tipo de características se habría llegado a otro tipo de solución en alguno o todos sus niveles.
En concreto, al confeccionarse la fibra, se estiran las cadenas que le conforman, dando un orden a la estructura que forman (todo a nivel molecular), entonces a groso modo, se pasa de tener un ovillo de lana, a un hilo, qe al ser orientado y reforzado con su trenzado logra soportar esfuerzos de tracción más elevados que los del ovillo.
Finalmente, puede observarse que debajo de las curvas de carga vs deformación, se tienen áreas relativamente pequeñas, ello implica que su tenacidad (energía que soporta hasta la fractura) es baja, lo que implica poca deformación plástica a pesar de la elevada resistencia mecánica que presenta. Por ello se ven pedazos de carrocería o estructuras rajadas tras los accidentes en lugar de deformaciones y retorcimientos en las estructuras.
Gráfica de carga (GPa) vs deformación (%)
Respecto de la rotura del asiento del MP4/31 #14, cabe destacar (considerando la escasa información referente) que es preferible la rotura de la estructura a algún hueso u organo del piloto. De hecho, tras los accidentes de Roland Ratzenberger y Ayrton Senna en 1994 ese fue el principal fin, pues ambos monocascos habían soportado los impactos, mas lo que terminó absorviendo gran parte de la energía liberada fue el cuerpo del piloto. De allí las específicas exigencias en cuanto a desaceleración y absorción de energía en las normas de seguridad.
En cuanto al reglamento técnico, según el punto 15.4.7, una vez superadas las exigencias de los puntos 15.4.4, 15.4.6, 15.5.1, 15.5.2, 15.5.4, 15.5.5, 16.1, 16.2, 16.3, 17.1, 17.2, 17.3, 18.1, 18.2, 18.3, 18.4, 18.5, 18.6 y 18.8, los paneles deben permanecer unidos a la celda y cumplir con las siguientes dimensiones:
Longitudinalmente deben comenzar a los 125mm por delante del ingreso al cockpit, y 50mm por detrás de esta misma boca. Mientras que verticalmente han de cubrir un área de 100 a 550mm sobre el plano de referencia, entre la línea 'BB' y el fin de la célula; comenzando al menos a 250mm de alto en la línea 'AA', decreciendo linealmente hasta los 450mm al llegar a 'BB' y contar con un espesor de por lo menos 6.2mm. Estos paneles se construyen con 16 placas de Zylon y 2 de fibra de carbono. Para un área de 35000mm² por lado, en cada panel, se permiten recortes sólo para montar estructuras de impacto lateral, agujeros de cables y fijaciones esenciales.
Dibujo 5, Reglamento Técnico 2016
Como anexo se deja el informe (2005) de la companía Toyobo (que es de donde se han obtenido la mayoría de los datos expuestos) y una serie de vídeos publicados por el Ing. José Manuel Torralba sobre la ciencia e ingenieria de materiales aplicada a la F1, en los que se comenta más en profundidad algunos aspectos tratados en este artículo:
Se agradece por la imagen a www.imesh.eu, así como por los vídeos y datos de tablas al Ing. José Manuel Torralba, y al Ing. Carlos Oldani por las explicaciones pertinentes.
