A diferencia de muchas de las fuerzas mortales de la naturaleza, los terremotos casi siempre ocurren sin previo aviso. Estas fuerzas destructivas y devastadoras pueden derribar ciudades en segundos, dejando tras de sí escombros y tragedias. Afortunadamente, la ingeniería ha respondido al llamado con el amortiguador de masa sintonizado .
Aunque la mayoría de los terremotos son sólo pequeños temblores, sólo hace falta uno para causar millones de dólares en daños a la propiedad y miles de muertes. Por esta razón, los científicos continúan buscando nuevas tecnologías para limitar la destrucción que pueden causar los terremotos.
Contenido
Dada la importante amenaza que representan los terremotos, especialmente para los rascacielos imponentes y los puentes de gran luz, se ha invertido mucha energía y esfuerzo en el desarrollo de soluciones que puedan disipar la energía violenta liberada durante los eventos sísmicos. Una de estas soluciones innovadoras es el amortiguador de masa sintonizado (TMD).
Un TMD es un dispositivo que utiliza una masa sintonizada para contrarrestar las oscilaciones de una estructura. Al hacerlo, absorbe y disipa la energía que de otro modo podría causar daño o destrucción.
Imagínese a un niño en un columpio. Si empujas el columpio, comienza a moverse hacia adelante y hacia atrás. Ahora, si intentas empujar el columpio nuevamente pero en un momento en que regresa hacia ti, el movimiento del columpio se interrumpe. Este es el principio básico detrás de los TMD. Los dispositivos de amortiguación esenciales están diseñados para "empujar" el movimiento de la estructura durante un terremoto, reduciendo así las oscilaciones.
Un sistema de amortiguador de masa sintonizado confiable es esencial, pero hay más magia en la ingeniería de estos dispositivos, incluido el innovador "fluido inteligente" conocido por los profesionales como MR.
Gran parte de la eficacia de los amortiguadores de masa es una sustancia única llamada fluido magnetorreológico (fluido MR). Este fluido se utiliza dentro de grandes amortiguadores para estabilizar edificios durante terremotos. El fluido MR es un líquido que cambia a un estado casi sólido cuando se expone a una fuerza magnética y luego vuelve a ser líquido una vez que se elimina la fuerza magnética.
Durante un terremoto, el fluido MR dentro de los amortiguadores cambiará de sólido a líquido y viceversa a medida que los temblores activan una fuerza magnética dentro del amortiguador. El uso de estos amortiguadores en edificios y puentes creará estructuras inteligentes que reaccionarán automáticamente a la actividad sísmica.
Esto limitará la cantidad de daños causados por los terremotos. En esta edición de Cómo funcionarán las cosas, aprenderá más sobre el fluido MR y su capacidad para cambiar de estado. También veremos cómo los edificios, nuevos y antiguos, pueden convertirse en estructuras inteligentes.
Mirándolo en un vaso de precipitados, el líquido MR no parece una sustancia tan revolucionaria. Es un líquido gris y aceitoso que es aproximadamente tres veces más denso que el agua. No es demasiado emocionante a primera vista, pero el fluido MR es realmente sorprendente de ver en acción.
Una sencilla demostración realizada por David Carlson, físico del laboratorio de Carolina del Norte, muestra la capacidad del líquido para transformarse en sólido en milisegundos. Vierte el líquido en la taza y lo revuelve con un lápiz para mostrar que es líquido. Luego coloca un imán en el fondo de la taza y el líquido instantáneamente se vuelve casi sólido. Para demostrar aún más que se ha convertido en un sólido, sostiene la copa boca abajo y no cae nada del líquido de RM.
El fluido de RM típico consta de estas tres partes:
Entonces, ¿qué es lo que le da al fluido MR su capacidad única de transformarse de líquido a sólido y de sólido a líquido más rápido de lo que se puede parpadear? Las partículas de hierro carbonilo. Cuando se aplica un imán al líquido, estas pequeñas partículas se alinean para hacer que el líquido se endurezca y se convierta en un sólido. Esto es causado por el campo magnético de CC, que hace que las partículas se bloqueen en una polaridad uniforme. La dureza de la sustancia depende de la fuerza del campo magnético. Retire el imán y las partículas se desbloquearán inmediatamente.
Si bien los científicos han descubierto recientemente muchas aplicaciones nuevas para el fluido de resonancia magnética, en realidad existe desde hace más de 50 años. A Jacob Rabinow se le atribuye el descubrimiento del fluido de RM en la década de 1940 mientras trabajaba en la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (ahora Instituto Nacional de Estándares y Tecnología).
Hasta aproximadamente 1990, había pocas aplicaciones para el fluido MR porque no había forma de controlarlo adecuadamente. Hoy en día existen procesadores de señales digitales y computadoras rápidas y económicas que pueden controlar el campo magnético aplicado al fluido. Las aplicaciones de esta tecnología incluyen equipos de ejercicio Nautilus, amortiguadores para lavadoras de ropa, amortiguadores para automóviles y prótesis avanzadas para piernas.
En la siguiente sección, analizaremos las aplicaciones sísmicas de esta tecnología de resonancia magnética, que puede tener el mayor impacto para salvar vidas y prevenir el colapso de edificios.
Terremotos en las noticias
Los edificios altos, los pasos elevados largos y los puentes peatonales son susceptibles a la resonancia creada por los fuertes vientos y la actividad sísmica. Para mitigar el efecto de resonancia, es importante incorporar grandes amortiguadores en su diseño para interrumpir las ondas resonantes. Si estos dispositivos no están en su lugar, las estructuras de acero fuertes, como edificios y puentes, pueden caer al suelo, como ocurre cada vez que ocurre un terremoto.
Los amortiguadores se utilizan en máquinas que probablemente utilice todos los días, incluidos los sistemas de suspensión de automóviles y las lavadoras de ropa. Si echas un vistazo al artículo Cómo funcionan las cosas sobre lavadoras, aprenderás que los sistemas de amortiguación utilizan la fricción para absorber parte de la fuerza de las vibraciones mecánicas.
Un sistema de amortiguación en un edificio es mucho más grande y también está diseñado para proporcionar control de vibraciones y absorber los violentos impactos de un terremoto. El tamaño de las compuertas depende del tamaño del edificio. Existen tres clasificaciones para los sistemas de amortiguación:
Dentro del amortiguador de fluido MR, una bobina electromagnética está enrollada alrededor de tres secciones del pistón. Se utilizan aproximadamente 5 litros de fluido MR para llenar la cámara principal del amortiguador sísmico. Durante un terremoto, los sensores conectados al edificio le indicarán a la computadora que suministre una carga eléctrica a las compuertas. Esta carga eléctrica luego magnetiza la bobina, convirtiendo el fluido de RM de líquido a casi sólido.
Ahora, el electroimán probablemente pulsará a medida que las vibraciones recorran el edificio. Esta vibración hará que el fluido MR cambie de líquido a sólido miles de veces por segundo y puede provocar que la temperatura del fluido aumente. Un acumulador de expansión térmica está fijado en la parte superior de la carcasa de la compuerta para permitir la expansión del fluido a medida que se calienta. Este acumulador evita un aumento peligroso de presión a medida que el fluido se expande.
Dependiendo del tamaño del edificio, podría haber una variedad de posiblemente cientos de amortiguadores. Cada amortiguador se asentaría en el piso y se sujetaría a los tirantes en forma de V que están soldados a una viga transversal de acero.
Cuando el edificio comienza a temblar, los amortiguadores se moverían hacia adelante y hacia atrás para compensar la vibración del choque. Cuando está magnetizado, el fluido MR aumenta la cantidad de fuerza que pueden ejercer los amortiguadores.
