El fenómeno de la fatiga. La pesadilla de los ingenieros

El 28 de abril de 1988 el vuelo 243 entre Hilo y Honolulu (Hawaii) de la aerolínea Aloha Airlines, realizado por un Boeing 737-200, sufrió un accidente que ha pasado a la historia.

Poco después de que el avión alcanzara la altura de crucero, gran parte del fuselaje delantero se desprendió debido a una despresurización de la cabina.

En éste artículo se describirá como concluye esta terrorífica historia y se explicará, además, el porqué de este fallo tan grave en la estructura del avión.

El gran trabajo de los pilotos, en colaboración con los controladores, permitió que el avión realizara un aterrizaje de emergencia en el aeropuerto más cercano (Kahului). Resulta increíble que sólo falleciera una persona durante este suceso, la azafata del vuelo Clarabelle Lansing, que salió despedida de la cabina. Los pasajeros y los demás miembros de la tripulación lograron sobrevivir a pesar de las bajas temperaturas (-20ºC) y los fuertes vientos y no salieron despedidos gracias a que la señal luminosa del cinturón de seguridad seguía encendida.

Para comprender cómo se produjo un fallo semejante es necesaria la explicación de algunos conceptos.

En física y en ingeniería de materiales se define el límite de resistencia a diferentes tipos de esfuerzos (tracción, compresión, cizalladura, etc.), también conocido como resistencia última, como la cantidad de esfuerzo que un material es capaz de soportar antes de romperse o fallar. Dependiendo del tipo de material, dicha resistencia última será mayor o menor. El acero, por ejemplo, posee una resistencia última muchísimo mayor que la del cristal.

Antiguamente los ingenieros, que ya conocían esta propiedad de los materiales, diseñaban los mecanismos, las máquinas y las construcciones de manera que resistieran a los esfuerzos a los que iban a estar sometidos. A pesar de ello, construcciones como puentes, elementos de máquina (árboles, rodamientos etc.) y maquinaria en general seguían fallando.

El estudio de estos sucesos dio pie a que comenzara a desarrollarse durante la Primera Guerra Mundial (los mayores avances tecnológicos siempre surgen con fines bélicos) la mecánica de la fractura, que explica la fatiga de los materiales.

Una pieza compuesta por un material cualquiera, que a la vista parece estar en perfectas condiciones, a nivel molecular presenta discontinuidades y microgrietas. Cuando dicha pieza se somete a cargas cíclicas o alternantes, esto es, esfuerzos que no son constantes y que varían con el tiempo, se produce el crecimiento de dichas microgrietas. Éstas se vuelven cada vez mayores hasta alcanzar el punto en el que la pieza falla a pesar de que los esfuerzos sean muy inferiores a los que en teoría es capaz de resistir.

Como consecuencia de esto, se define la vida a fatiga como el número de ciclos durante los que una pieza es capaz de funcionar o que es capaz de resistir antes de fallar por fatiga. En aplicaciones ingenieriles en la actualidad, la vida a fatiga de los elementos diseñados supera, por lo general, varios millones de ciclos y se habla entonces de “vida infinita”.

Hay que destacar que numerosos factores afectan a la fatiga en elementos compuestos por un material en concreto. La humedad, la temperatura (sobre todo extrema), el acabado superficial, la existencia de vibraciones y los concentradores de tensiones entre otros afectan de manera negativa a la vida a fatiga de una pieza, un mecanismo o una máquina.

Precisamente este efecto fue el que causó el fallo del Boeing 737-200 del vuelo 243 de Aloha Airlines. El fuselaje de un avión, debido a los cambios de presión a los que está expuesto, se ensancha y se comprime en cada vuelo que realiza. Esto se traduce en cargas alternantes que producen el crecimiento de microgrietas tal y como se ha explicado anteriormente. Sin embargo, estos efectos son considerados a la hora de diseñar los aviones en la actualidad y también se tuvieron en cuenta para el Boeing 737-200. No obstante, el avión que realizó el vuelo 243 tenía 20 años de antigüedad y las excesivas vibraciones provocadas por los ruidos de los motores, ya avejentados, durante muchos vuelos, aumentaron el efecto de la fatiga provocándose finalmente el fallo y la rotura del fuselaje. Afortunadamente en este accidente sólo resultó muerta una persona.

Sin embargo, tal y cómo señala el título de éste artículo, la fatiga es en la actualidad la pesadilla de los ingenieros ya que este fenómeno es el causante de la gran mayoría de los fallos mecánicos que se producen en máquinas y construcciones en la actualidad.

Durante la Segunda Guerra Mundial, por ejemplo, muchos de los buques americanos clase Liberty que navegaban por el Atlántico Norte se partieron por la mitad debido a las bajas temperaturas del agua. Tal y como se comentó anteriormente, las temperaturas extremas son un factor importante que afecta a la fatiga.

De la misma manera el desastre del “Prestige” en 2002 surgió a causa de un agujero en el casco que posteriormente condujo a que el navío se partiera en dos; todo esto producido por el fenómeno de fatiga.

Por último, la gran mayoría de los fallos mecánicos que se provocan en vehículos se producen como consecuencia de la fatiga en piezas determinadas. En automóviles, por ejemplo, la fatiga provoca fallos en piezas como el palier, las juntas homocinéticas y muchas otras.

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