Ing. Henry Iza
Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica
Quijano y Ordoñez y Marqués de Maenza s/n
Latacunga - Ecuador
Email :hhiza@espe.edu.ec
Resumen.
En esta investigación se desarrollan cálculos para
determinar el impulso mecánico al producirse un
choque o impacto frontal, tomando como datos parte
del ensayo realizado por los estudiantes del equipo
FESPE 2012.
Se describen conclusiones relevantes, que resaltan la
importancia del análisis de elementos del automóvil
en función de cálculos para un adecuado diseño.
I. INTRODUCCIÓN
Al mismo tiempo que los primeros vehículos
aparecen, los accidentes también se asocian a ellos.
En 1889 en un periódico londinense se hace eco de
uno de los primeros accidentes, un vehículo que
descendía de una pendiente a una gran velocidad
(estimada entre 20 y 25 km/h), el cual al intentar
frenar sufrió la rotura de las llantas traseras; los
ocupantes, del vehículo salieron despedidos del
vehículo y fallecieron.
Lamentablemente este no fue un hecho aislado sino
que se empezaron a contabilizar un número mayor
de accidentes automovilísticos ampliando los
listados dramáticos con muertos, heridos y pérdidas
materiales.
Desde ahí, los fabricantes de vehículos han
incorporado diversos sistemas de seguridad
con la finalidad que disminuyan los accidentes
de tráfico.
Es importante distinguir que estos dispositivos de
seguridad se han dividido en: seguridad activa, que
tiene como finalidad reducir o idealmente eliminar el
riesgo de accidente; y, seguridad pasiva; que consiste
en dotar al vehículo de los medios que atenúen los
efectos de un accidente en cuanto se produzcan.
La mayor parte de los dispositivos son de carácter
dinámico, es decir, intervienen activamente en el
guiado cómodo. Los elementos que se desglosan
son los sistemas de frenos, suspensión, dirección,
los neumáticos y una adecuada transmisión de la
potencia proporcionada por el motor.
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ANÁLISIS DE LOS TIEMPOS EMPLEADOS EN EL FRENADO DE UN VEHÍCULO Y
CÁLCULO DEL IMPULSO MECÁNICO GENERADO EN UN CHOQUE FRONTAL
La seguridad activa no son solamente los elementos
móviles, existen otros elementos estáticos que se
engloban en esta categoría de la seguridad activa,
entre ellos constan; los sistemas de iluminación, la
aerodinámica de la carrocería, la ergonomía de sus
mandos e interior, la buena visibilidad desde la
posición del conductor como los de relevancia
significativa.
La seguridad pasiva la componen distintas partes del
automóvil que en caso de un accidente, evitan o
disminuyen los daños que puedan recibir los
ocupantes del vehículo, peatones, animales o mobiliario
urbano y vial que pueden verse involucrados en la
colisión. El elemento más importante que forma
parte de la seguridad pasiva es la estructura del
vehículo, se muestra un ejemplo en la figura 2. Este
depende de un adecuado diseño y el material a
utilizar en su fabricación.
Figura 1. Elementos de seguridad activa.
Figura 2. Elementos de seguridad pasiva.
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II. TIPOS DE COLISIONES O CHOQUES Y
ACCIDENTES DE TRÁNSITO
Un accidente como alteración al proceso normal de
la conducción de un vehículo en la que pueden
existir daños para los ocupantes del automóvil y para
terceras personas, se presentan de diferente forma:
• Colisión frontal.
• Colisión posterior.
• Colisión lateral.
• Colisión con peatón.
• Vuelco.
Otros tipos de colisiones pueden ser con animales,
inmersión de vehículos, salida de pista, son minoritarios
en relación a las colisiones anteriores. En la tabla 1 se
muestra los accidentes de tráfico más comunes según su
tipología.
Cuando existe un impacto, la energía cinética del
automóvil se transforma en energía de deformación,
fricción o rotación en lugar de un desplazamiento,
por lo que los dispositivos de seguridad pasiva harán
que la energía se transforme en deformaciones
estructurales esto, con la finalidad que los ocupantes
del vehículo no reciban dicha energía.
Las causas de lesiones graves en un accidente de
tránsito son
• Excesiva deformación del habitáculo.
• Impacto con elementos interiores.
• Imposibilidad del salida de heridos.
• Incendio del automóvil.
• Activación defectuosa de cinturones de
segurida y Air bag.
La masa interna de los vehículos es uno de los
aspectos importantes en la severidad de las colisones
o choques. Se puede afirmar que cuando mayor sea
la rigidez de los vehículos, mayor será la severidad
al impactarse con otros vehículos. Esta severidad se
muestra en tabla 2.
III. CÁLCULO DEL TIEMPO Y DISTANCIA
TOTAL DE FRENADO COMO PARTE DE LA
SEGURIDAD ACTIVA
En función de los adecuados sistemas de frenado
desarrollado por cada uno de los fabricantes de
vehículos, es importante determinar el tiempo que se
requiere para que el vehículo o automóvil se detenga
luego de accionar o activar los frenos.
La distancia de recorrido del vehículo luego de
que el conductor advierte un obstáculo o algún
imprevisto en carretera, hasta detenerse, es la
sumatoria del tiempo de reacción, tiempo de
respuesta de los frenos y tiempo de frenado.
El tiempo de reacción del conductor es el que va
a tener una variación importante, este dependerá
de las condiciones físicas y psicológicas del
conductor y factores externos que se encuentren
en la conducción. Este tiempo suele estimarse de
0,3 a 1,7 segundos.
El tiempo de frenado se descompone en dos
períodos: el primero hasta alcanzar una presión
determinada y el segundo, hasta actuarse los
frenos con dicha presión.
El tiempo durante el cual el vehículo camina una
velocidad casi constante, desde que el conductor
percibe la necesidad de frenar se llama tiempo
perdido, que se calcula con la siguiente ecuación:
Donde:
tp = Tiempo de perdido.
tr = Tempo de respuesta del conductor.
tp = Tiempo de respuesta de los frenos
ts = Tiempo hasta alcanzar la presión nominal de
frenado
El valor conjunto de tiempos de acuerdo al
reglamento de frenado
Establece valores de 0, 36 segundos para vehículos
con capacidad de hasta 8 ocupantes más el
conductor; y, 0,54 segundos a los vehículos con
capacidad superior a 8 ocupantes.
Es decir si un conductor tiene su tiempo de reacción
de 0,3 segundos, el tiempo de perdido será:
La distancia recorrida o distancia de reacción (DR)
en este tiempo se calculará al multiplicar el tiempo
perdido por la distancia que recorrerá el automóvil
en una hora a una velocidad constante; es decir, se
asume la velocidad que lleva el vehículo al momento
de frenar dividido para 3600.
Es decir, si el vehículo viaja a 30 km/h, la distancia
recorrida será 30.000 metros, entonces la distancia
será:
Como la energía cinética es proporcional al cuadrado
de la velocidad, esto significa que para el doble de la
velocidad, la distancia recorrida se multiplica por
cuatro; entonces la distancia de frenado (DF) será:
Tabla 1. Proporciones de los accidentes de tránsito
Tipo de accidentes Proporción
Frontal automóvil – automóvil
Con obstáculos fijos
Automóvil-Automóvil (no frontal)
Frontal (Automóvil-Camión)
Automóvil-Camión (no frontal)
51%
25%
12%
7%
5%
Sev. externaSev. Interna
Masa menor a 850 kg
Masa mayor a 850kg y
menor a 1050 kg.
Masa mayor a 1050 kg
30%
50%
75%
70%
50%
25%
Tabla 2. Severidad de los accidentes de tránsito
2
t
p = tr + tp +
t
s
tp = 0,3s.+0,36s.=0,66s.
2
t
p =
t
s
3600(s)
5,5(m)
D
R = =
30000(m.) x 0,66(s)
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Entonces, la distancia de parada (DP) será igual a
sumar la distancia recorrida más la distancia de
frenado.
Entonces, el tiempo total (T
t) será igual a:
IV. IMPULSO MECÁNICO GENERADO EN UN
CHOQUE
De acuerdo a la velocidad que adquiere un vehículo
es importante conocer la fuerza de impulso o
reacción, que se genera en el impacto ante un choque
frontal contra un muro sólido.
Muchos autores han desarrollado diversos modelos
aplicados para el análisis de los choque. En el presente
artículo para el cálculo del impulso mecánico, tomo
como referencia la relación lineal entre la velocidad y
la deformación residual en un ensayo contra barrera
rígida basado en las conclusiones de Campbell
Para ello tomaré los datos obtenidos de la prueba que
se realizó en la ESPE extensión Latacunga con el
atenuador de impactos del vehículo de pruebas de la
FESPE 2012 mostrado en la figura 3.
Cada uno de estos momentos servirá para determinar
el impulso mecánico generado:
I=∆P=Pf-Pi
I=((90)-(-2289,2))kg* =2379,2 kg*
Se requiere conocer la duración del impacto por tal
motivo, en la prueba realizada por los estudiantes de
la FESPE 2012, utilizaron un sensor de aceleración y
mediante LAVIEW se pudo determinar el tiempo del
choque que fue de 0,07 segundos. Entonces la fuerza
promedio ejercida sobre el automóvil es:
Esta fuerza determinada es la que absorberá el
vehículo luego de un choque frontal, dependerá
también del diseño estructural para la distribución
adecuada de fuerzas.
Aceleración
La severidad del impacto será determinada en
función de las veces que la gravedad influya en el
choque. Los efectos producidos en el intervalo del
choque pueden ser calculados en función de la
aceleración promedio del impacto:
V. CONCLUSIONES
• De las condiciones de funcionamiento que se
encuentre el vehículo, dependerá el tiempo que
se ocupe para poderlo detener cuando el
conductor lo desee.
• Es importante tener en cuenta que el conductor
al ser su tiempo de reacción variable, será
necesario que tenga unas características físicas
adecuadas, con la finalidad de que el tiempo de
reacción sea el mínimo posible.
• Se debe tomar en cuenta que si la velocidad de
circulación del vehículo aumenta, en el
momento de un choque; si la velocidad es
mayor, la fuerza de reacción que se genera luego
del choque también será mayor.
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
Luque, P., Álvarez, D y Vera, C. (2008). Ingeniería
del Automóvil (1a ed.). España: Thomson.
Cascajosa, M. (2006). Ingeniería de Vehículos
(2aed.). España: Alfaomega.
Staniforth, A. (1992). Race and Rally Car Source
Book (3a ed.). England: Haynes
Se utilizó un vehículo de pruebas con una masa de
300Kg., cuya velocidad inicial de impacto fue 7,63
m/s, una velocidad final luego del choque de - 0,3
m/s y el tiempo que duró el choque fue de 0,07
segundos.
Se determinó el momento inicial y el momento final
empleando las velocidades:
D
F = 5,4(m.) x 4 = 21,6m.
T
t = 0,66(s) + 2,64(s) =3,3s
Pi = m * Vi
D
P = 5,5(m.) + 21,6(m) = 27,1m
Figura 3. Prueba de impacto (Equipo FESPE 2012)
Figura 4. Velocidades de impacto.
Pi = 300kg. * -7,63 = -2289,2kg *
m
s
m
s
Pf = m * Vf
Pf = 300kg. * 0,3 = 90 kg *
m
s
m
s
m
s
m
s
F
∆P
0,07s
33988,57 Newton
∆t
= = =
2379,2kg*
m
s
7,6 + 0,3
m
s
m
s
m
s
a 112,86
11,5g
2
Vf - Vi
t
=
0,07s
= = =
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