Peter Parker y las estructuras ligeras

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O de cómo el análisis de elementos finitos salvó a Spiderman.

Me imagino lo que pensó Peter Parker cuando tuvo que convertirse en Spiderman. Los comics, sin embargo, no cuentan toda la historia. ¿Cómo consiguió diseñar sus famosas telas de araña para balancearse de un edificio a otro sin caerse? Como no podía ser de otra manera, siendo un buen estudiante de ingeniería, hubo de recurrir a la simulación para encontrar una respuesta.

El mismo problema que se le planteó a Parker han de resolverlo constantemente arquitectos, ingenieros, e incluso creadores artísticos, cuando quieren diseñar estructuras cada vez más ligeras, pero a la vez resistentes y seguras. Y las arañas, tras más de 400 millones de años de evolución, son un ejemplo de cómo producir uno de los biomateriales más resistentes conocidos, superior incluso al kevlar o al acero de alta resistencia.

Las telas de araña son una referencia de estructuras ligeras

Pero no es sólo la resistencia sino la elegancia y funcionalidad de las estructuras que construyen lo que hacen de ellas una referencia a la hora de abordar una solución, puesto que si se es capaz de entender las razones del éxito de las telas de araña podrían aplicarse esos conocimientos al diseño de estructuras ligeras o a la creación de biomateriales con resistencias superiores a los actualmente disponibles.

La tela de araña debe sus propiedades a dos factores: la alta resistencia de los hilos que la componen, que combinan una elevada tensión de rotura y gran deformabilidad, y el diseño  de la tela, que forma una estructura optimizada capaz de absorber impactos.

Dejando de lado la composición química y centrándonos en la estructura, el diseño más común es el orbicular, que combina hilos espirales e hilos radiales. Esta topología tan definida se presta a modelizaciones sencillas, que permiten estudiarla y analizar cómo afectan al comportamiento estructural los distintos parámetros (diámetro y longitud de los hilos, tamaño de la espiral central, fuerzas de viento, etc.).

La mejor manera de llevar a cabo estos análisis de manera rápida y sencilla para caracterizar la estructura de la tela de araña es a través de simulaciones de elementos finitos en un entorno de modelado CAE, idóneo para problemas dinámicos no lineales y que permite reducir el coste computacional y la posibilidad de errores.

Esto ha permitido determinar por qué las arañas modifican el diseño de sus telas en presencia de viento, contando con las fuerzas aerodinámicas. También se ha visto cómo cambios en algunos detalles estructurales, como el marco secundario, pueden alterar la distribución de tensiones en la tela y optimizar el rendimiento de los hilos. Y se ha estudiado cómo las propiedades mecánicas de la seda se combinan con la pretensión de los hilos para afinar las telas como cuerdas de guitarra y obtener mejor información de las ondas que en ellas se propagan.

De hecho hay múltiples ejemplos de estructuras arquitectónicas que recuerdan a las telas de araña, fuente inagotable de inspiración a medida que avanzamos en la comprensión de su estructura y funcionamiento. No hay más que contemplar las estructuras de Frei Otto o la cúpula del Millenium Dome en Londres, que es el mayor domo de techo único del mundo.


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