El laboratorio de pruebas

El laboratorio de pruebas de cascos Mips, situado cerca de Estocolmo (Suecia), lleva más de 20 años en continuo desarrollo. Este moderno complejo de 300 metros cuadrados incluye cuatro máquinas de ensayo y herramientas de última generación diseñadas para imitar las situaciones hipotéticas de impacto del mundo real. Esto nos proporciona un control total sobre lo que estamos midiendo.

Science & technology

El laboratorio de pruebas

¿Qué medimos?

Mips mide las aceleraciones 6DOF (seis grados de libertad) en el tiempo. DOF hace referencia a la libertad de movimientos de un cuerpo rígido en el espacio tridimensional. En pocas palabras, el DOF mide las formas en que los objetos pueden moverse en el espacio.

Para cada casco, probamos tres áreas diferentes: frontal, lateral e inclinada. Dado que los estudios demuestran que la gran mayoría de los impactos en la cabeza producidos por accidentes de bicicleta, motocicleta, equitación y otros deportes se producen en ángulo, realizamos todas las pruebas de cascos en un ángulo de 45 grados. Sobre todo, lo más importante es tener control sobre la posición inicial de la cabeza y el casco durante la caída vertical al yunque de impacto.

Cómo hacemos las pruebas

Se han necesitado 20 años para desarrollar el entorno de pruebas completo de Mips y se mejora continuamente. Nuestra primera máquina de pruebas se construyó en 1997 y desde entonces ha evolucionado hasta convertirse en la que utilizamos hoy. Hemos desarrollado nuestros métodos de prueba para reproducir situaciones de accidentes reales. Por ejemplo, el análisis de las estadísticas de accidentes en bicicleta muestra que los impactos se producen con mayor frecuencia a 6,0-6,5 m/s (metros por segundo) con un ángulo de 45 grados, por lo que probamos los cascos a una velocidad de 6,2 m/s con un ángulo de impacto similar.

En sustitución de la cabeza humana, utilizamos un sistema experimental llamado Hybrid III. Dentro de la forma de la cabeza, un conjunto de acelerómetros mide las aceleraciones de 6DOF en el tiempo. Todos los cascos reciben los impactos en tres puntos diferentes para controlar el funcionamiento del sistema de seguridad Mips en los tres ejes anatómicos (X, Y y Z). Probamos el mismo modelo de casco, con sistema de seguridad Mips y sin él, en todas las tallas disponibles.

Después, se analizan los datos de los impactos. Estas pruebas exhaustivas garantizan que la versión del sistema de seguridad Mips de cada modelo de casco pueda ser homologada según el estándar de Mips.

Banco de pruebas

En 1996 realizamos nuestra primera prueba, utilizando un péndulo para impactar en una representación esférica de un casco (Figura A). Se trataba de un diseño muy prematuro, pero demostró que el sistema de seguridad Mips podía reducir las fuerzas o el par de torsión en la cabeza.

A: Banco de pruebas del péndulo que mide el par.

B/C: Placa móvil, que se acelera mediante un cilindro neumático.

D: La forma de la cabeza del casco soltada sobre una superficie de impacto de 45 grados. En la prueba B-D, la forma de la cabeza está equipada con un sistema de nueve acelerómetros [1, 2].

Superficie móvil

Varias publicaciones detallan cómo medir la absorción de energía en un impacto oblicuo con una fuerza significativa en el casco. Algunos estudios han utilizado una rueda de hormigón giratoria sobre la que se dejan caer los cascos. Otros han presentado métodos en los que la cabeza se dejaba caer sobre una placa de acero deslizante para crear un impacto oblicuo. Un estudio de 2008 presentó un método que empleaba el cuello de un maniquí de ensayos de choque HIII y la opción de medir la fuerza en la placa.

Caída en la superficie angular

Otra forma de probar los cascos para los impactos oblicuos es dejarlos caer sobre una superficie en ángulo.

La principal diferencia entre el impacto en la placa móvil y la caída del casco sobre una superficie en ángulo es la diferencia en el vector de gravitación en relación con el vector de fuerza normal contra el casco, lo que podría dar lugar a resultados diferentes para los dos métodos, incluso cuando se prueban cascos idénticos con la misma velocidad y ángulo de impacto. La placa móvil podría, por tanto, ser más realista cuando se simula una caída al suelo desde una bicicleta o un caballo. Sin embargo, el método de la placa móvil tiene inconvenientes en comparación con la técnica de la superficie en ángulo porque es más complejo. Además, puede ser un reto mantener una velocidad constante de la placa durante el impacto.

Impacto lineal

Un tercer método de prueba potencial es el impactador lineal neumático, que fue desarrollado por primera vez por Biokinetics en Canadá. El impactador lineal está equipado con una superficie de plástico curva unida a un disco de espuma de nitrilo vinilo, para imitar un golpe entre cascos (diseñado para cascos de fútbol americano o hockey sobre hielo).

En esta prueba, la forma de la cabeza se une al cuello de un maniquí de ensayos de choque HIII y a un trineo que se mueve horizontalmente. El método de ensayo especifica diferentes lugares de impacto en el casco, todos los cuales dan lugar a impactos en el centro de gravedad de la cabeza del maniquí.

¿Qué método de prueba utilizar?

Debido a su simplicidad y robustez, Mips utiliza el método de la caída vertical sobre una superficie de impacto en ángulo.

¿Por qué no incluyen un cuello en sus pruebas?

En los métodos de ensayo actuales, la cabeza cae sin sujeción sobre la superficie de impacto (normas de ensayo europeas) o su movimiento está restringido por un monorraíl mediante un brazo rígido unido a la cabeza (normas de ensayo estadounidenses). Se puede decir que estos dos métodos representan los extremos de la escala. La situación normal es un punto intermedio en el cual el cuello restrinja el movimiento de la cabeza.

Otra opción en lugar de diseñar una prueba sin cuello, podría ser acoplar un cuello experimental (como el cuello HIII) al trineo vertical en un banco de pruebas de cascos monorraíl. Sin embargo, para diseñar un método de ensayo oblicuo, sigue habiendo dudas sobre si el cuello afectaría a las aceleraciones traslacionales y angulares medidas en la cabeza del maniquí. Está claro que el cuello sujeta la cabeza y que ésta, en algún momento, girará alrededor de un punto del cuello, o incluso más abajo en la región torácica.

Estudios anteriores han demostrado que la amplitud de la aceleración angular se ve afectada por el cuello. Los maniquíes Hybrid III de cuerpo entero con casco se soltaron sobre una superficie en ángulo y se compararon con las formas de cabeza con casco en caída libre. Los resultados mostraron que la aceleración angular difería en amplitud en un 20 % aproximadamente.

Estudios con y sin cuello

Un estudio numérico de 2001 sobre impactos entre cascos que simulaban accidentes de fútbol americano concluyó que el cuello sí cambiaba las características de la aceleración angular cuando se comparaban los impactos con y sin cuello. Sin embargo, los impactos del estudio se acercaban al impacto radial en el casco, donde el cuello es la única causa de la rotación de la cabeza. En otras palabras, el componente tangencial del impacto era escaso o nulo.

Un estudio de 2012 demostró que los componentes de la aceleración angular podían diferir hasta en un 40 por ciento cuando se comparaba un impacto del casco con el cuerpo entero y con la cabeza solamente. Lxs investigadorxs utilizaron un Modelo Humano Total para la Seguridad (THUMS, por sus siglas en inglés) y simularon un impacto oblicuo en la parte lateral (temporal) del casco. Propusieron cambiar las propiedades de inercia de la cabeza para compensar el cuello y el cuerpo si se utiliza solo la cabeza en un ensayo de impacto oblicuo.

Otro estudio realizado en 2009 reconstruyó 12 accidentes de jockeys utilizando modelos humanos MADYMO. Dos de ellos fueron estudiados detalladamente en simulaciones con el cuerpo y sin él en un impacto del casco contra la tierra de una pista de carreras. Se aumentó la aceleración angular, comparando la simulación con un cuerpo completo y una simulación con la cabeza solamente. Lxs investigadorxs mencionaron que la ausencia del cuello y del cuerpo podría alterar la dirección de la aceleración. En este estudio se afirma que el modelo de cuerpo humano MADYMO proporciona una representación poco realista de la flexibilidad en la articulación vertebral que podría haber dado lugar a esta gran discrepancia.

Conclusión:

La conclusión que se puede sacar es que, en general, el cuello afecta al movimiento de la cabeza. También se puede argumentar que se podría definir un método de prueba con ángulos de impacto donde el efecto del cuello sea pequeño durante el corto tiempo (5-10 milisegundos) en el que el casco entra en contacto con la superficie de impacto.

Las pruebas experimentales realizadas en cadáveres humanos demuestran que la parte superior del cuello humano es flexible y podría considerarse desacoplada de la cabeza para un determinado desplazamiento o rotación. El movimiento en una articulación humana que no da lugar a una fuerza ni a un momento se define como zona neutra. La zona neutra donde la parte superior del cuello permite la rotación de la cabeza sin grandes cargas está en un rango de 10 grados, dependiendo del eje de rotación.

Así pues, si no tenemos en cuenta la actividad muscular, la cabeza puede girar unos 10 grados sin que ello afecte a la cinemática en la carga horizontal de la cabeza. En un impacto típico del casco contra el asfalto, la cabeza en caída libre gira unos 10 grados durante los primeros 10 milisegundos del impacto. Según esto, podría argumentarse que no habría tiempo suficiente para que el cuello afectara a la cabeza de forma significativa en esta dirección específica del impacto.

Otros aspectos de la cuestión «cuello sí/cuello no» que deberían tenerse en cuenta a la hora de diseñar un nuevo método de prueba son:

La conclusión es que el cuello humano en su condición de límite de la cabeza humana afectará a la cinemática de la cabeza. Sin embargo, en el caso de los accidentes en bicicleta donde se impacta con mayor frecuencia contra el suelo y en impactos cortos (5-10 milisegundos), el cuello no afectará tanto a la cinemática de la cabeza como para que el cuello sea esencial. Teniendo en cuenta todos los aspectos conocidos, se propone diseñar el nuevo método de prueba sin el cuello.

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