Los límites de la protección

Autor: Ángel Miranda Vicario.

Introducción

El casco ha sido un elemento más de protección en el ejército desde siempre. Con la evolución de las amenazas, el casco se ha adaptado para seguir dando protección modificando los materiales y la forma. En la actualidad, a los cascos destinados al ejército y policía se les demanda mayor grado de protección y confort. Hasta hace poco tiempo solo se les demanda protección contra fragmentos de explosiones, ya sean de proyectiles de mortero y artillería, gradas y diversos artefactos explosivos. El cambio de escenario de operaciones hace que otro tipo de amenazas supongan un mayor riesgo para el usuario de estos elementos de protección, como son las balas de pistolas y rifles.

El ejército español está recibiendo desde hace unos meses el nuevo casco que introducirá gradualmente en servicio. Estos cascos han sido diseñados y ensayados por primera vez teniendo en cuenta la amenaza producida por los proyectiles de pistola 9 x 19 mm.

Otros países como Pakistán o EEUU buscan una protección incluso contra munición de rifle 7,62 x 39 mm. Una munición mucho más energética y difícil de parar. Pakistán presentó un refuerzo para el casco que permitía de manera localizada en la parte frontal detener esta munición, y el ejército y la marina de EEUU desarrollaron conjuntamente un casco que es capaz de detener parcialmente esta munición.

Esta tendencia progresiva suscita preguntas sobre los límites de los materiales de protección personal y el máximo nivel de protección posible. Y más importante aún, sobre los efectos en las personas que sufran un impacto ya que existen proyectiles muchos más potentes, como munición de 12,7 x 99 mm En el siguiente gráfico, se puede ver la energía cinética de las municiones más comunes, y el reto que supone intentar detener el proyectil de un rifle.

Energía cinética de los proyectiles según su tipo.

El estudio de las propiedades de los materiales a altas velocidades de impacto, de su deformación y de los mecanismos de fallo, así como el estudio del cuerpo humano permitirá fijar los límites para las protecciones personales.

¿Cómo se detiene un proyectil?

Existen numerosos factores que influyen en la respuesta de un sistema de protección frente a un proyectil, como es su forma, los materiales de los que está fabricado y su disposición, y la velocidad de impacto. Los sistemas de protección individuales actualmente son sistemas pasivos que consisten en poner una barrera entre la persona y el proyectil. Esta barrera normalmente es portada por la propia persona, en forma de casco o chaleco. El hecho de tener que ser una protección portable influye directamente en el confort del usuario, por lo que tiene que ser ligera, cómoda y dejar libertad de movimientos.

Un primer factor limitante es el peso de la protección. Para un casco de protección, ejemplo que se desarrollará durante todo este artículo, se puede calcular la relación que existe entre el espesor y la densidad por unidad de volumen del material del casco. Estos primeros valores permiten dar una primera idea de qué materiales se están buscando.

En el siguiente gráfico, dado el peso de referencia de 1.35 kg, se puede ver la densidad global del casco con respecto al espesor de este.

Sabiendo que la densidad de 1000 kg / m3 es la del agua, para cascos de espesor superior a 10 mm solo se podrán usar polímeros, plásticos y espumas. Materiales muy ligeros todos ellos. Para un espesor de 2 mm, la densidad que nos da la curva es la del acero. Ahora hay que buscar materiales que puedan dar suficiente protección balística para el espesor máximo posible. Actualmente, se usan materiales compuestos de aramida o PE, y en ciertos casos hay cascos de titanio.

La protección balística, al entrar en contacto con el proyectil, sufre una penetración parcial y se deforma localmente. Distintos mecanismos de disipación de la energía entran en juego hasta conseguir detener el proyectil.

En el caso ideal la protección se comporta como un sólido rígido que no se deforma. Se puede calcular por transferencia de momento lineal la velocidad que se imprimiría a esta. Según la ley de Newton, la cantidad de movimiento es constante. Con esta aproximación; se usa toda la masa de la protección y se minimiza la velocidad de impacto de la protección contra el usuario.

Siguiendo con nuestro ejemplo, en esta tabla se muestran las características de las municiones más comunes, y la velocidad que imprimirían al casco en su conjunto de manera global:

Se puede observar que la munición más potente seleccionada haría que el casco se moviera y chocara con la cabeza a más de 100 km /h. Seria en cualquier caso letal. Sin embargo, habría que estudiar con detenimiento los efectos fisiológicos y los valores límite para los casos intermedios.

El siguiente paso es estudiar un caso más realista, con deformación local. La protuberancia formada tiene una mayor velocidad que la calculada para el caso ideal. Con lo que se golpeará con más velocidad al usuario que se intenta proteger y se le infligirá más daño. Esta deformación se puede interpretar como una transferencia del momento lineal a una parte  local de la protección, dependiente de la eficiencia de la protección para trabajar de manera global y expandir la solicitación a la mayor área posible. La siguiente imagen muestra una sección de una protección sobre la que ha impactado un proyectil.

Para la munición 7,62 x 51 NATO, en el siguiente grafico se puede ver la velocidad de la deformación local y la masa del casco afectada:

Nuevamente, habría que mirar para que binomio masa / velocidad ya no es lesivo para el ser humano. Con el parámetro de masa ya podríamos ver cuanta superficie de protección debería estar solicitada y hacer un estudio de los materiales necesarios.

¿Qué puede soportar el cuerpo humano?

Hay numerosos estudios de impactos realizados sobre el cuerpo humano, sobre todo en el área de accidentes automovilísticos. Estos datos no son enteramente extrapolables al campo balístico, debido a la mayor velocidad y aceleración del evento. También hay una gran dispersión por la diferente fisiología de los seres humanos así como las características propias de cada parte del cuerpo. Por lo que todavía hay desarrollo para la innovación en esta parte.

Por seguir el ejemplo del casco, actualmente se acepta como el límite de fractura del cráneo unos 5000 N y es necesario el cerebro no sufra aceleraciones demasiado bruscas. Estos fenómenos son transitorios y ocurren a muy alta velocidad, con lo que el análisis ya es más complicado, pero se puede intuir que minimizar la aceleración sufrida por el cerebro y la fuerza sufrida por el cráneo reducirá el riesgo de lesión. Para esto se buscan diversas estructuras y almohadillas que se posicionan en el espacio que se deja entre el casco y la cabeza. Este espacio tiene como objetivo facilitar el flujo de aire y la disipación de calor, aumentado el confort térmico, pero también ayuda a mejorar la respuesta balística del casco.

Conclusiones

En resumen, se han expuesto los criterios de diseño para un elemento de protección como es un casco balístico. Se ha observado las necesidades contradictorias (por ejemplo, peso frente a capacidad de protección) y las soluciones de compromiso que hay que tomar. Una vez que las ecuaciones y estudio teórico indican el camino a seguir, la ciencia de materiales y la ingeniería tiene que ofrecer soluciones a los problemas planteados.

Hoy en día, estas soluciones no están optimizadas ya que el comportamiento de los materiales a tan altos rangos de velocidad de deformación no es enteramente conocido. También hay que desarrollar la técnica para poder fabricar los materiales con las características necesarias.

Finalmente, el campo de la medicina tiene que responder a delicadas preguntas sobre los límites y capacidades del ser humano. Este tema es controvertido y existen países que prohíben la investigación en este campo.