Los puntos más vulnerables del cuerpo humano en las colisiones: el módulo de Young

La física teórica aplica sus principios considerando que los cuerpos estudiados no cambian de forma ni de medida. Pero los objetos constituidos por materiales reales, como el cuerpo humano, pueden deformarse e incluso romperse a partir de la aplicación de un nivel de las fuerzas directas o de momentos en impactos excéntricos.

La deformación, que tiene tratamiento cuando se estudian los desperfectos de los vehículos, es el concepto de partida y se determina por la fuerza aplicada por unidad de superficie y no por la fuerza total. Los esfuerzos de tracción o de compresión aplicados a una barra de metal o a un cuerpo humano de dimensión L, generan alargamientos (estiramientos) o reducciones (contracciones) proporcionales a su longitud AL (incremento L). La deformación es, por lo tanto, la variación relativa de la longitud (AL/L).

La tracción de un cuerpo (igual que la compresión o la cizalladura) pueden aplicarse a un cuerpo y se puede, experimentalmente, ver como evoluciona la deformación. Para pequeños valores de esfuerzo, la deformación crece proporcionalmente en lo que se denomina la deformación lineal A de un material, que crece hasta un límite elástico o punto de deformación plástica B y vuelve a la posición inicial cuando se deja de aplicar el esfuerzo. A partir de este punto, si la fuerza continua creciendo, entonces la deformación crece muy rápidamente, en un momento en que la deformación ya es permanente y no se recupera la situación inicial. El punto mas alto de la curva esfuerzo-deformación es la intensidad máxima de esfuerzo del material o esfuerzo máximo C. Llega un punto en que la deformación puede crecer sin incrementar el esfuerzo: es el punto de fluencia. Aplicando todavía mas fuerza, la deformación crece aunque baje el esfuerzo hasta llegar a la fractura D . Si los puntos B y D son muy próximos, el material se llama frágil (como el cuerpo humano) y si son lejanos, el material se llama dúctil. Si un cuerpo se somete diferentes veces a un esfuerzo máximo, el nivel de este esfuerzo máximo disminuye en el fenómeno que se llama fatiga.

Evidentemente no hace falta aplicar estos estudios con seres humanos o animales vivos (y hacerles sufrir) sino que ya, como se viene haciendo en el circuito de Alcañiz (Teruel – España) por la Universidad de Zaragoza con el apoyo de la DGT (Dirección General de Tráfico) del Ministerio del Interior, se hace con cadáveres humanos (lo que tampoco es sencillo legalizar), pero se hace.

El módulo elástico de Young, relaciona esfuerzo y deformación (cociente de las dos variables), en la parte lineal de la curva. Para materiales homogéneos, como el acero, los modelos de Young para la tracción y para la compresión son iguales. Para materiales no homogéneos como el hormigón o los huesos humanos, los modelos de Young para la tracción y para la compresión son diferentes.

Si el área de la sección transversal mínima del fémur (el hueso mas largo de la pierna) de un hombre adulto es de 6/1000 metros cuadrados, observando la tabla anterior que el esfuerzo máximo de compresión (o fuerza de fractura) para el hueso es de 17 por 10 elevado a 7 newtons / metro cuadrado, se deduce que la fuerza por unidad de superficie es de 1’02 por 100.000 newtons, una gran fuerza que equivale a 15 veces el peso de una persona de 70 kg, pero este nivel se rebasa fácilmente a partir de una caída desde 4 metros de altura o mas. Cuando se produce la fractura, la longitud del hueso se reduce en compresión un 1’9%.

La resistencia a la flexión es diferente porque no solamente depende del área transversal del cuerpo, sino también de su forma. Cuando se flexiona, hay un eje central llamado neutro que mantiene la longitud original, pero la parte externa se tensa (aumenta la longitud) y la parte interna se comprime (disminuye la longitud) mediante fuerzas internas del mismo material, con la producción de un momento de fuerzas. Por este motivo, un tubo vacío resiste mejor la flexión que un tubo macizo. La naturaleza ha hecho los huesos vacíos por dentro y esto les da flexibilidad. Volviendo al fémur humano, la relación entre el radio interior y el exterior es de 0’5 y el área de su sección transversal es solo del 78% de la de un hueso macizo que tuviese la misma resistencia al doblarse.

Pero un accidente de tráfico hace sufrir a menudo a los usuarios heridos esfuerzos de torsión combinados con cizalladura. Es lo que se llama esfuerzo cortante, y se representa por el cociente entre la distancia que separa el elemento cortante del fijo y la altura del elemento cortante (la tangente del ángulo de incidencia). 

Los mismos principios de la cizalladura se utilizan para la torsión, teniendo en cuenta que la torsión genera en el interior del cuerpo una serie de giros con sus momentos en cada etapa concéntrica que producen los efectos cortantes en las capas contiguas. Si un objeto se somete a un momento de torsión creciente llegará a romperse. Son precisamente estos momentos de rotura y los ángulos correspondientes los que se recogen en las tablas convencionales sobre la resistencia de los diferentes huesos humanos de las extremidades (los más afectados por las colisiones, caídas y proyecciones de los accidentes de tráfico).

La biomecánica es toda una ciencia que tiene aspectos de inacabable investigación…. Entre otros aspectos, profundizar en porqué la causa principal de la muerte de las personas en accidente de tráfico es la desconexión de la aorta en su entrada al corazón que accede en ángulo y tiene permanentes fuerzas de flexión y torsión frágiles ante fuerzas externas adicionales.