Autor: Manuel Solaguren-Beascoa.

Cuando un ingeniero o un arquitecto se enfrentan al diseño de una máquina o de un edificio, deben hacer uso del concepto de “tensión”. Ésta representa las fuerzas que aparecen en el interior de los cuerpos cuando intentamos deformarlos. Si la tensión alcanza un determinado valor, que depende de lo resistente del material, éste fallará, doblándose o rompiéndose. La tensión es un complejo concepto al que los estudiantes temen; un esquivo amigo invisible que te dice qué está pasando en el interior de los cuerpos.

Sin embargo, alguien descubrió que era posible observar las tensiones. ¿Cómo se dio cuenta de ello? Pues a partir de un fenómeno en el que quizá nos hayamos fijado alguna vez. Por ejemplo, en alguna aburrida clase: el sol entrando por la ventana y la monotonía del profesor bastan para despistarse con los arcoíris de colores que aparecen en la regla al doblarla. O en casa, intentando estudiar: de nuevo la luz del sol, esta vez incidiendo sobre la caja de un CD, dibuja aguas de colores sobre ella. De ahí a desarrollar la técnica llamada “fotoelasticidad” hay un largo trecho. En 1931, Ernest G. Coker y Louis N.G. Filon consiguieron establecer sus principios básicos. Desde entonces, han sido numerosas las contribuciones de otros investigadores, algunos de la universidad de Burgos*. Gracias a todos ellos, hoy en día la fotoelasticidad es una técnica consolidada y muy utilizada a la hora de diseñar cualquier elemento, desde el motor de un coche hasta implantes dentales.

Para aplicarla, se pega sobre la superficie de la pieza a analizar una lámina de plástico tipo policarbonato, resina epoxi o poliuretano. Una vez que la pieza se encuentra bajo carga, dicho recubrimiento se ilumina con luz polarizada y se observa a través de un conjunto de filtros que recibe el nombre de polariscopio (Figura 1).

Figura 1. Esquema de observación de las tensiones en una pieza mediante fotoelasticidad.

El adhesivo utilizado es un poco especial, pues ha de tener partículas metálicas para que refleje la luz, y el plástico utilizado también tiene una particularidad: debe ser fotoelástico. Esta propiedad, también llamada birrefringencia bajo tensión, hace que la luz que pasa a su través se descomponga en dos rayos separados de luz polarizada. Cada uno se transmite con distinta velocidad, según la tensión en el material. Cuando estos rayos se observan a través del polariscopio, el desfase entre ambos se transforma en vistosas franjas de colores (Figura 2). Las ecuaciones que relacionan los distintos colores con la tensión en la pieza son muy complicadas; sin embargo al final lo que se obtiene en una simple tabla en la que cada color corresponde con una tensión en el material. Los puntos con más tensión son aquéllos que más cerca se encuentran de su fallo.

Figura 2. Franjas fotoelásticas sobre una pieza. Las zonas negras no tienen tensión y, a partir de ellas, ésta aumenta en sucesivas franjas de colores: blanco, amarillo, naranja, rojo, azul, verde, de nuevo amarillo, naranja, rojo… éstas últimas son las zonas más tensionadas y la pieza fallará por ahí.

¿Cómo puede esta técnica ayudar al diseño de una pieza? La respuesta se encuentra en el propio proceso de diseño. Normalmente éste comienza en un ordenador, pues permite realizar simulaciones del comportamiento de la pieza en distintas situaciones (Figura 3). Sin embargo, aunque la confianza en los cálculos por ordenador es cada vez mayor, resulta imprescindible analizar un prototipo antes de comenzar a fabricar piezas en grandes cantidades. Es aquí donde interviene la fotoelasticidad (Figura 4), midiendo tensiones e identificando zonas críticas para poder rediseñar el elemento.

Figuras 3 y 4. Simulación por ordenador y análisis
fotoelástico de una pieza de aluminio.

Así, el efecto fotoelástico, que en un principio podría parecer una mera curiosidad, es una fabulosa herramienta que permite visualizar el abstracto concepto de tensión. Conocer el comportamiento de los materiales es fundamental para fabricantes e investigadores, y tiene aplicación en campos tan dispares como la construcción, automoción, industria aeroespacial, fabricación de maquinaria, industria química o incluso en biomecánica para analizar la resistencia de huesos y prótesis.

* Referencias:

[1] M. Solaguren-Beascoa Fernández, J. M. Alegre Calderón, P. M. Bravo Díez e I. I. Cuesta Segura (2010). Stress-separation techniques in photoelasticity: a review. Journal of Strain Analysis for Engineering Design 45, 1-17.

[2] M. Solaguren-Beascoa Fernández (2010). Towards uncertainty evaluation in photoelastic measurements. Journal of Strain Analysis for Engineering Design 45(8), 575-587.

[3] M. Solaguren-Beascoa Fernández (2011). Fotoelasticimetría: modernizando una vieja técnica (Photoelasticity: upgrading an old technique). DYNA. Ingeniería e Industria, 36(3), 292-299.

[4] M. Solaguren-Beascoa Fernández (2011). Data-acquisition techniques in photoelasticity. Experimental Techniques, 35 (6), 71-79.

[5] M. Solaguren-Beascoa Fernández (2011) Fotoelasticimetría. Universidad de Burgos. 318 páginas.

[6] M. Solaguren-Beascoa Fernández (2011). Metrological study for the optimal selection of the photoelastic model in transmission photoelasticity. Applied Optics, 50 (29), 5721-5727.

[7] M. Solaguren-Beascoa Fernández (2016) A metrological study of the shear difference technique in photoelasticity. Experimental Techniques 40 (1), 285-294.