Dejando a un lado las deceleraciones procedentes de impacto, también se considera importante estudiar la posibilidad de que se produzcan cortes en el cuello como consecuencia de una frenada de emergencia. Se entiende por frenada de emergencia, aquella en la cual el vehículo es decelerado constantemente y al límite de su sistema de frenos desde una velocidad inicial hasta su parada.
Para ello, se realiza una batería de simulaciones para comprobar la frontera de aceleraciones a partir de la cual se produce cualquier tipo de cortes como consecuencia del cinturón.
Para la batería de simulaciones, se prueban distintas aceleraciones, entre las que se encuentran las de emergencia de varios vehículos comerciales. Así, dentro de las aceleraciones elegidas para los experimentos, se encuentran las de los siguientes vehículos:
• Automóvil deportivo de gama alta: 9-10 m/s2
• Automóvil utilitario: 7-8 m/s2
• Autobús M3: 5-6 m/s2
• Vehículo Fórmula 1: Sistema de frenos: 20 m/s2
• Vehículo Fórmula 1: Aerodinámica junto a sistema de frenos: 50 m/s2 Una vez elegida la aceleración de frenada, se eligen también las velocidades iniciales del cinturón y del cuello. Con los datos de velocidad inicial y aceleración, se calcula el tiempo de simulación, suponiendo una deceleración constante durante todo la duración de la simulación. En la Tabla 5.1 se muestran los resultados obtenidos para cada una de las simulaciones, donde (√) indica que no se han producido cortes durante la simulación y (X) indica que el tejido blando ha sufrido cortes.
Aceleración de frenada (m/s2) 6 10 15 20 50 100 Velocidad inicial (m/s) 7.5 √ √ √ X X X 12.5 √ √ √ X X X 25 √ √ √ X X X
Tabla 5.1: Resultados de las simulaciones en función de la velocidad inicial y de las aceleraciones de frenada. (√) indica que no se han producido cortes durante la simulación y
(X) indica que el tejido blando ha sufrido cortes.
Observando los resultados, es interesante comprobar cómo existe un rango de aceleraciones entre 15 y 20 m/s2 a partir de la cual se produce la rotura del tejido blando del cuello independientemente de la velocidad inicial.
Asimismo, las frenadas de emergencia de cualquier vehículo comercial, ya sea automóvil o autobús, están lejos de valores peligrosos para el pasajero. En un vehículo de Formula 1, las cosas son bien distintas. Incluso a bajas velocidades se produce rotura del cuello. Sin embargo, conviene recordar que las deceleraciones de este tipo de vehículos solo son la mitad que la del impacto
de autobús estudiado previamente. Esta es la razón por las que los vehículos de competición lleven sistemas de retención especiales de seis puntos, que se encargan de distribuir entre varias zonas del cuerpo el peso del piloto durante una frenada. Esta distribución de pesos evita la lesión del piloto durante una frenada.
A partir de 50 m/s2 las aceleraciones de frenada son tan elevadas que se considera que el vehículo ya no ha sufrido una deceleración de emergencia controlada, sino que ya ha sufrido un impacto.
5.9 CONCLUSIONES
Se ha desarrollado un modelo tridimensional de cuello infantil empleando la técnica de Dinámica de Partículas con el objetivo de estudiar si se producen laceraciones y cortes en el cuello infantil como consecuencia de un impacto frontal. Esta técnica sirve de complemento a los resultados obtenidos anteriormente con la técnica de elementos finitos, ya que permite cambios topológicos en la estructura del mallado (cortes).
Hay que resaltar que todos los resultados obtenidos durante las simulaciones quedan supeditados, como ya se ha comentado, al hecho de que las características elegidas para la modelización del tejido blando corresponden a las características biológicas de un brazo y no de un cuello.
Asumiendo esta limitación y con este modelo de tejido blando se han simulado condiciones de impacto y de frenadas de emergencia y se han medido las profundidades de corte en el tejido blando. Bajo estas condiciones, los resultados de las simulaciones indican que los tejidos blandos del cuello se rompen como consecuencia de un impacto severo, pero no en una frenada de emergencia del vehículo. No obstante, los valores de tensiones que se producen en el cuello pueden estar asociados con daños vasculares en la arteria carótida en colisiones reales (Howard 2002; McConnell and Macbeth 1997; Pugh and Taylor 2006; Riches et al. 2002).
Estos resultados obtenidos corroboran la nueva directiva 2003/20/CE aprobada por la UE que obliga a la utilización de SRI en los pasajeros infantiles: “Los niños están más seguros con SRI que sin SRI”. Para lograr su objetivo, esta directiva debe ser aplicada sin ninguna relajación con la cooperación de todas las personas implicadas en la seguridad de los niños: padres, cuidadores de autobús, conductores de autobús, etc.
133
C
APÍTULO
6
6 CONCLUSIONES Y
FUTURAS LÍNEAS DE
INVESTIGACIÓN
6.1 CONCLUSIONESEsta tesis ha estudiado el daño provocado en el pasajero infantil como consecuencia del uso de un cinturón de seguridad adulto en una colisión frontal. El trabajo de investigación realizado ha producido una serie de contribuciones que se presentan a lo largo de los siguientes párrafos:
• Se ha desarrollado el primer modelo biomecánico de cuello infantil de 6 años de edad existente en la literatura a través del escalado de un modelo biomecánico de cuello adulto. Este modelo biomecánico de cuello infantil hereda todos los elementos biomecánicos incluidos en el cuello de adulto con sus correspondientes valores de escalado tanto geométricos como dinámicos. Así, el modelo infantil está compuesto de vértebras, discos intervertebrales, ligamentos y músculos.
Debido a la inexistencia en la literatura de ensayos dinámicos experimentales con sujetos infantiles, este modelo biomecánico de cuello infantil ha sido validado satisfactoriamente para impactos frontales frente a los modelos de cuello de un dummy infantil y de un dummy adulto existentes en MADYMO® y frente a la respuesta escalada de voluntarios adultos. Estas validaciones dinámicas se han realizado mediante la comparación de la respuesta en aceleraciones y desplazamientos de los centros de gravedad de los modelos. La señal de entrada para esta
validación procede de experimentos de impactos frontales de 15 g con voluntarios adultos en el NBDL.
• Se ha desarrollado un modelo biomecánico del tejido blando del cuello y se ha implementado en el modelo biomecánico de cuello infantil anteriormente creado. El tejido blando está formado por elementos 3D que modelan la carne y el tejido muscular y por elementos 2D que modelan la piel. A diferencia de los modelos encontrados en la literatura, las características del modelo de tejido blando utilizadas en esta tesis permiten el estudio de los daños en el cuello incluso ante grandes cargas compresivas.
El modelo biomecánico del cuello junto con el del tejido blando ha sido validado satisfactoriamente para impactos frontales frente a los modelos de cuello del dummy infantil y del dummy adulto de MADYMO® mediante una comparación de la respuesta en aceleraciones de los centros de gravedad de los modelos. La señal de entrada para esta validación dinámica es la misma utilizada en la validación del modelo de cuello sin tejido blando.
• Se ha creado un denominado “Modelo Híbrido” compuesto por el cuerpo del modelo de dummy Hybrid III 6-year-old de MADYMO® junto con el modelo biomecánico de cuello infantil con tejido blando creado anteriormente.
El “Modelo Híbrido” ha sido validado correctamente ante unas condiciones de impacto frontal reales frente a un modelo de dummy infantil de MADYMO® mediante una comparación de la aceleración del centro de gravedad de la cabeza. Ambos modelos son posicionados en un carro de ensayo y amarrados con un cinturón de seguridad de tres puntos acompañado de un SRI. La señal de entrada aplicada al carro proviene de ensayos experimentales de choque llevados a cabo por la NHTSA.
Este modelo, a diferencia de los dummies tradicionales, es único en la literatura y permite el estudio de las cargas y las deformaciones sufridas por los elementos blandos del cuello (discos intervertabrales, ligamentos, etc.) durante un impacto frontal.
• Mediante simulaciones en MADYMO® y con la ayuda del “Modelo Híbrido” creado, el daño en el tejido blando de cuello infantil como consecuencia del uso de un cinturón de seguridad de adulto ha sido evaluado a través de los valores de tensiones de Von Mises. La señal de entrada de la simulación es la misma que la utilizada en la validación con SRI.
• Se ha utilizado la técnica “Mass-Spring Model” (MSM) en el ámbito de los accidentes de tráfico, siendo éste un ámbito distinto al encontrado en la literatura científica. Con la técnica MSM y dentro del entorno MATLAB® se ha creado un modelo 3D de tejido blando de cuello infantil utilizando las mismas propiedades mecánicas del tejido muscular empleado en las simulaciones de MADYMO®.
Este modelo de MSM, acompañado de un módulo de colisiones y otro de rotura de los enlaces entre las partículas, se ha utilizado para el estudio de los daños en forma de cortes que se producen en el cuello como consecuencia del cinturón de seguridad ante condiciones de impacto. La señal de impacto utilizada se corresponde con aquella obtenida por cualquier punto del cinturón de seguridad en las simulaciones de MADYMO® sin SRI.
• Con todos los elementos desarrollados con la técnica MSM se ha realizado una batería de simulaciones en función de la aceleración aplicada para definir el umbral de aceleración de frenada a partir del cual se pueden producir cortes como consecuencia del cinturón de seguridad. Los resultados obtenidos indican que el umbral de aceleraciones se encuentra entre 15 m/s2 y 20 m/s2.