1) Materiales programables

Los investigadores de Empa y ETH Zurich han tenido éxito en la producción de un prototipo de un material que absorbe la vibración que podría cambiar el mundo de la mecánica siempre. El material del futuro no sólo es capaz de amortiguar las vibraciones por completo; También puede llevar a cabo específicamente ciertas frecuencias más.

Este modelo consiste en una plancha de aluminio de 1m de longitud x 1cm de base x 1mm de espesor, esta tira puede vibrar en diferentes frecuencias. Con el fin de controlar la propagación de la onda.

Entre la hoja y los cilindros se sientan discos piezoeléctricos, que pueden ser estimuladas por vía electrónica y cambian su espesor en un instante. En última instancia, permite que el equipo dirigido por el director de obra Andrea Bergamini controlar exactamente cuándo y cómo las ondas pueden propagarse en la tira de chapa. La tira de aluminio de este modo se convierte en una llamada de cristal fonónicos adaptativo - un material con propiedades adaptables.

Los controles piezoeléctricos ahora se pueden configurar de tal manera que las ondas son capaces de propagarse a través de la tira de chapa "perfectamente normalmente", es decir como si no hay cilindros de aluminio se adjuntan a la misma. Otra configuración permite un cierto espectro de frecuencias de las ondas para ser absorbidos. Y esta amortiguación es variable ya que los elementos piezoeléctricos pueden alterar sus propiedades elásticas electrónicamente en fracciones de segundo - de menor a mayor rigidez. Bergamini explica lo que podría desarrollarse a partir de los resultados de investigación: "Imagínese que usted produce una lámina de metal, impresa con un circuito electrónico y pequeños elementos piezoeléctricos a intervalos regulares Esta chapa se podría programar electrónicamente para bloquear una cierta frecuencia de vibración Lo interesante es que incluso si usted corta parte de la hoja, las olas en la sección recortada en gran medida se propaga de la misma manera que en la pieza inicial ". Este método podría ser utilizado en componentes tridimensionales.

Tal "metamaterial" podría revolucionar radicalmente la ingeniería mecánica y construcción de plantas. Hasta ahora, las propiedades de vibración ya se determinaron en la selección del material y la geometría de la pieza. En el futuro, el material podría reaccionar a lecturas de vibración actuales y adaptar sus propiedades de vibración a la velocidad del rayo.

Referencia: Andrea Bergamini, Tommaso Delpero, Luca De Simoni, Luigi Di Lillo, Massimo Ruzzene, Paolo Ermanni. Cristales fonónicos: fonónicos Crystal con Adaptive Conectividad (. Adv. Mater 9/2014). Advanced Materials, 2014; 26 (9): 1472 DOI: 10.1002/adma.201470060

2) Materiales de construcción de peso ligero de alta estabilidad

Los investigadores han desarrollado materiales de construcción ligera microestructuradas de mayor estabilidad. Aunque su densidad es inferior a la del agua, su estabilidad en relación con su peso excede el de los materiales masivos, tales como el acero de alto rendimiento o de aluminio. Los materiales de construcción ligera se inspiran en la estructura del marco de los huesos y la estructura de la cáscara de los panales de las abejas. Los resultados se presentan ahora en la revista PNAS.

Los materiales de construcción ligeros nuevos se parecen a la estructura del marco de una casa de entramado de madera con tirantes horizontales, verticales y diagonales", dice Jens Bauer, Karlsruhe Institute of Technology (KIT). "Nuestros vigas, sin embargo, son sólo 10 m de tamaño." En total, los elementos de construcción ligera son alrededor de 50 micras de largo, ancho y alto.

"La naturaleza también usa de poro abierto, estructuras no masivas para llevar cargas," Oliver Kraft, KIT, explica. Ejemplos de ello son la madera y huesos. En la misma densidad, sin embargo, el nuevo material producido en el laboratorio puede llevar una carga mucho mayor. Una muy alta estabilidad se alcanzó por una estructura de cubierta similar a la estructura de panales. Fracasó a una presión de sólo 2800 kg/cm2 y tenía una densidad de 810 kg/m3. Esto excede la relación de la estabilidad / densidad de los huesos, de acero macizo, o de aluminio. La estructura de la cáscara producida se asemeja a un panal con paredes ligeramente curvadas para evitar el pandeo.

Para producir los materiales de construcción ligera, se aplicó la litografía láser 3D. Los rayos láser se endurecen la microestructura deseada en un fotoprotector. Entonces, esta estructura está recubierta con un material cerámico por deposición de gas. Las estructuras producidas se sometieron a la compresión a través de un troquel para poner a prueba su estabilidad.

Materiales microestructurados se utilizan a menudo para el aislamiento o como amortiguadores. Materiales de poro abierto se pueden aplicar como filtros en la industria química.

Bibliografía: J. Bauer, S. Hengsbach, I. Tesari, R. Schwaiger, O. Kraft. De alta resistencia compuestos de cerámica celulares con microarquitectura 3D. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 2014; 111 (7): 2453 DOI: 10.1073/pnas.1315147111

3) Nueva técnica de modelado (elementos finitos).

El estudio, realizado por el Dr. Robert Szalai en la Universidad de Bristol, se publica en el último número de las Actas de la Royal Society A.

La mayoría de las obras de ingeniería, por ejemplo el tren de aterrizaje del avión, los motores a reacción y cajas de cambio, implican la fricción y el impacto entre sus componentes. Tradicionalmente estos fenómenos duras son difíciles de diseñar y para introducir una gran cantidad de incertidumbre en el producto final.

La nueva investigación ofrece un punto de vista alternativo sobre este problema al proporcionar una técnica de modelado que permite predicciones más precisas que los métodos disponibles en la actualidad. El método propuesto también ofrece una mejor comprensión de la mecánica de contacto, que podrían ser utilizados para lograr un mejor diseño.

Dr. Robert Szalai, profesor del Departamento de Ingeniería Matemática, dijo: "Una de las mayores preocupaciones de los ingenieros es el modelado de la fricción y el impacto.

"Prototipos de construcción para poner a prueba las estructuras de ingeniería pueden ser muy caros y esta nueva técnica de modelado podría significar un prototipo no tiene que ser construido."

Alan Champneys, Profesor de Applied no lineales Matemáticas en el Departamento de Ingeniería Matemática, añadió: "El comportamiento no lineal fuertemente, tales como el movimiento stick-slip y el impacto, son una gran causa de la incertidumbre en los sistemas de ingeniería.

"Los resultados de este trabajo constituyen un avance clave en la investigación que está llevando a cabo por un consorcio de las principales universidades y empresarios para hacer frente a estos problemas como parte de un programa de subvención EPSRC."

En el documento, el investigador ha presentado un modelo de mecánica general y se describe una técnica de reducción de modelos. El nuevo modelo incluye un término de memoria para dar cuenta de los efectos que los modelos tradicionales ignoran. El estudio también ha analizado la convergencia del método y sus implicaciones para los sistemas no lisas.

La derivación del término memoria se ilustra a través de los ejemplos de una cadena de pre-tensado y una viga en voladizo. El papel se ha utilizado el ejemplo de un arqueado de la secuencia y se ha demostrado las propiedades de la ecuación transformada de movimiento, en particular, su convergencia como el número de modos de vibración tiende a infinito.

4) Pintura inteligente podría revolucionar la seguridad estructural de los puentes, minas y más.

Un bajo costo pintura inteligente innovador que puede detectar fallas microscópicas en las turbinas eólicas, las minas y los puentes antes de que ocurra el daño estructural está siendo desarrollado por investigadores de la Universidad de Strathclyde en Glasgow.

La pintura ecológica utiliza la nanotecnología para detectar el movimiento en grandes estructuras, y podría dar forma al futuro de la vigilancia de la seguridad.

Los métodos tradicionales de evaluación de grandes estructuras son complejos, requiere mucho tiempo y utilizan instrumentación costosa, con espiral de costes en millones de libras cada año.

Sin embargo, la pintura inteligente cuesta sólo una fracción del costo y se puede simplemente rocía sobre cualquier superficie, con electrodos colocados para detectar daños estructurales mucho antes de que se produzca el fallo.

Dr. Mohamed Saafi, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad, dijo: "El desarrollo de esta tecnología de pintura inteligente podría tener implicaciones de largo alcance para nuestra forma de controlar la seguridad de las grandes estructuras en todo el mundo.

"No hay limitaciones en cuanto a dónde podría ser utilizado y la naturaleza de bajo costo le da una ventaja significativa sobre las opciones actuales disponibles en la industria. El proceso de elaboración y la aplicación de la pintura también le da una ventaja ya que no requiere conocimientos y el seguimiento en sí es sencillo".

La pintura se forma utilizando un producto de desecho reciclado conocido como cenizas volantes y los nanotubos de carbono altamente alineados. Cuando se mezcla tiene una propiedad similar al cemento que hace que sea especialmente útil en entornos hostiles.

Dr Saafi explicó: "El proceso de monitoreo implica de hecho una red de sensores inalámbricos La pintura se interconecta con nodos de comunicaciones inalámbricas con la recolección de energía y capacidad de alerta para detectar de forma remota cualquier daño invisible como microgrietas en una base de hormigón de aerogeneradores.

"Fundaciones de turbinas de viento en la actualidad están siendo monitoreados a través de inspecciones visuales. La pintura desarrollada con el sistema de monitoreo inalámbrico reduciría significativamente los costes de mantenimiento y mejorar la seguridad de estas grandes estructuras.

"La tecnología actual está limitada a mirando a áreas específicas de una estructura en un momento dado, sin embargo, la pintura inteligente cubre toda la estructura que es particularmente útil para maximizar la oportunidad de prevenir un daño significativo."

La investigación ha sido llevada a cabo en Strathclyde con el Dr. Saafi trabajando junto a David McGahon, que inició el trabajo como parte de su proyecto de tesis doctoral. Con ser cenizas volantes el principal material utilizado para hacer la pintura, que cuesta sólo el uno por ciento de la alternativa ampliamente utilizado métodos de inspección.

Un prototipo ha sido desarrollado y las pruebas han demostrado que la pintura sea muy eficaz. Se espera más pruebas se llevarán a cabo en Glasgow, en un futuro próximo.

Dr Saafi agregó: "Estamos en condiciones de llevar a cabo el proceso de extremo a extremo en la Universidad y esperamos que ahora podemos demostrar su eficacia en una gran estructura.

"Las propiedades de las cenizas volantes dan la pintura una duración que permitirá que sea utilizada en cualquier entorno que será una enorme ventaja en las zonas donde el clima puede hacer monitoreo de seguridad particularmente difícil.

"La pintura inteligente representa un desarrollo significativo y es uno que posiblemente ha sido pasado por alto como una solución viable, porque la investigación tiende a centrarse en las opciones de alta tecnología que buscan eliminar el control humano. Nuestra investigación muestra que, al mantener el elemento humano los costos pueden ser vastamente reducida sin impacto en efectividad".

5) Un sensor de campo magnético usado en el Perú podría predecir sismos

Quienes vivimos en la costa occidental de América –desde Alaska hasta Tierra del Fuego– sabemos que la Tierra tiembla. Ocasionalmente lo hace con suficiente intensidad para causar destrucción. En tiempo geológico, la Tierra tiembla constantemente porque los continentes avanzan y, al hacerlo, friccionan con el fondo marino sobre el cual se desplazan. En nuestro caso, la placa sudamericana avanza sobre el fondo marino. La placa de Nazca frente a nuestras costas.

Si hiciéramos una película con una foto cada año (y la pasamos a razón de 30 imágenes por segundo), en un minuto veríamos avanzar el continente más de un kilómetro mar adentro. En el proceso desaparecería todo lo que estaba en los acantilados más de 15 cuadras tierra adentro. Durante nuestras breves vidas, los movimientos son esporádicos y los terremotos ocasionales. Pero sabemos que son inevitables y presentan una amenaza constante, a la cual tratamos de acostumbrarnos. Por el momento, lo único que sabemos es que habrá terremoto, pero no sabemos cuándo.

LA FRICCIÓN

Si bien en tiempo geológico el avance es constante, este se produce a saltos, debido a la acumulación de tensión entre las placas en fricción. Imaginemos que el continente es una alfombra que avanza empujada de atrás sobre un terreno rugoso. Se detiene y arruga, en este caso la arruga son los Andes, pero la presión se acumula hasta que salta. El salto es el terremoto, durante el cual el continente se desplaza y las tensiones se alivian. Pero la presión sigue y se acumula hasta el siguiente salto.

Más que una alfombra, el continente es una placa en forma de cuña que adelgaza a medida que avanza sobre el zócalo continental. Ahí el continente es delgado y termina en un acantilado, que es la fosa de Lima.

De unas decenas de kilómetros de espesor, se va anchando hasta más de cien kilómetros bajo los Andes y la planicie amazónica. La mayoría de las fricciones se producen en el borde de ataque, entre el zócalo continental y los Andes. Ahí se acumula la tensión y se producen los saltos. El punto

del salto lo llamamos hipocentro. La parte que queda en la superficie, encima (‘epi’ en griego) del hipocentro, es el epicentro.

TENSIÓN Y ELECTRICIDAD

Hace algún tiempo se descubrió que en los puntos donde se acumula la tensión por fricción entre el continente y el fondo marino se producen corrientes eléctricas. Se cree que estas se deben a la liberación de iones positivos del oxígeno en ciertos óxidos que conforman la roca del continente. Al acumularse la tensión los peróxidos liberan iones que, junto con los electrones, crean una débil corriente eléctrica.

Los investigadores del Instituto de Radioastronomía (Inras) de la Universidad Católica (PUCP) utilizan un sensor de campo magnético (magnetómetro) para detectar estas corrientes débiles, aun a varios kilómetros de distancia.

Con un solo magnetómetro se puede detectar la dirección de la cual proviene la corriente, el punto donde probablemente se produce el hipocentro de un movimiento sísmico. Si se colocan dos magnetómetros a suficiente distancia, se podrá obtener dos direcciones y, cruzando las líneas de ambas direcciones, se puede ubicar el hipocentro y el epicentro del posible sismo.

DOS SISMOS

El 15 de octubre del 2010, se detectó con el magnetómetro en Tacna una acumulación de presión. Dada la cantidad de corriente registrada, los investigadores de la Universidad Católica consideraron que este sería precursor de una liberación de energía, y por consiguiente de un sismo, en un lapso de a lo más ocho días.

Los investigadores del Inras informaron a la alta dirección de la PUCP que el sismo se produciría entre el 22 y 23 de octubre; y efectivamente se produjo el 22 a las 3:00 a.m., a unos 75 km al oeste de la costa. Al no haber otro magnetómetro cerca no se pudo hacer una triangulación.

Contando ya con dos magnetómetros –uno cerca de Huaral y otro en la Isla San Lorenzo, a 56 km de distancia– se pudo triangular. Esto ocurrió en abril de este año y los investigadores de la PUCP detectaron los pulsos, ubicando el epicentro a tan solo 6 km del epicentro ubicado con sismógrafos por el Instituto Geofísico del Perú (IGP). En este caso se previó con 14 días el sismo que se produjo el día 4 de abril a las 2:52 a.m., con una magnitud de 4,1, a una profundidad de 24 km con un epicentro en la latitud 11° 53 m S, y longitud 77° 20 m O, según el IGP (Lima está a 12º 6 m S y 77º 3 m O).

El siguiente sismo, cuyas corrientes fueron detectadas con 10 días de anticipación, se produjo el 12 de abril, con una magnitud de 3,8, a 58 km de profundidad en la latitud 11° 44 m S y longitud 77°12 m O. En ambos casos, el contar con dos magnetómetros permitió triangular los puntos de origen.

EL PROYECTO

El doctor Jorge Heraud, director del Inras a cargo del proyecto, está poniendo magnetómetros en varios lugares del Perú. Ya hay diez, nueve donados por una empresa californiana con quien la

PUCP tiene un acuerdo de investigación, y uno por Telefónica del Perú. Además de los que están cerca de Huaral y San Lorenzo, hay otros en El Carmen, Pisco, Ica, Ocucaje, Moquegua, Ite, Pocollay y Tacna.

Con estos sensores se espera detectar con mayor precisión las pequeñas corrientes que parecen acompañar la tensión en los puntos de fricción entre la placa continental y la de Nazca.

Por el momento, los casos mencionados son pocos y el origen de liberación de energía se basa en una hipótesis, respaldada parcialmente por un experimento hecho con rocas. Sin embargo, la anticipación de dos sismos triangulados es una realidad. Esto hace pensar en los posibles alcances del sistema desarrollado por el equipo de investigadores de la PUCP, dirigido por el doctor Heraud.

EL FUTURO

El procedimiento por el cual los investigadores de la PUCP han logrado anticipar un par de pequeños sismos es el primer caso real de pronóstico del que tengo noticia. El sistema recién está empezando y la instalación de nuevas estaciones de detección permitirá comprobar su eficacia.

De coincidir la intensidad de las corrientes con la intensidad del sismo que preceden, como todo parece indicar, estaríamos ante un posible método de predicción de sismos.

Probablemente tomará años, sino décadas, perfeccionar el sistema y conocer los mecanismos por los cuales la tensión entre placas libera corrientes, y la relación exacta entre estas y el posible sismo. Los instrumentos deberán ser perfeccionados y se requerirá estudios sismográficos para establecer una correlación entre los eventos observables, la energía liberada y el tipo e intensidad de movimiento sísmico resultante.

El problema vendrá cuando ocurra lo arriba descrito. No quisiera encontrarme en los zapatos del científico que cuente con los datos necesarios para predecir un terremoto de gran magnitud. Aun si fuera posible prever el grado de destrucción y la probabilidad de un tsunami, es imposible prever cuál sería la reacción de la población si se informa con anticipación.

Se pueden tomar precauciones, pero estas deben planearse e implementarse mucho antes de lo que parece ser el corto plazo que dan las corrientes detectadas. Un terremoto de gran magnitud en una zona densamente poblada tiene grandes consecuencias, cuya intensidad varía con la hora y época del año en que suceden. Generalmente estos eventos los tomamos con gran fatalismo porque no podemos preverlos. Me pregunto qué sucederá cuando podamos, y todo parece indicar que un día esto será posible.