Análisis de inestabilidades en materiales reforzados bidireccionalmente con aplicación en la biomecánica : la formación de aneurismas

Este trabajo analiza la influencia de parámetros mecánicos, desde la geometría y el modelo constitutivo (material de Holzapfel, que es una matriz neo-hookena reforzada bidireccionalmente con fibras de colágeno y elastina dispuestas de forma simétrica), en la bifurcación tipo abultamiento de cilindros huecos sometidos a presión interna y carga axial, relacionado con la formación de aneurismas en enfermedades cardiovasculares. Se valida una formulación analítica de las condiciones de bifurcación para cilindros de pared delgada sometidos al tipo de carga mencionado. Se analiza la influencia de los siguientes parámetros: dispersión de las fibras en cilindros de pared delgada, dispersión de las fibras en cilindros de pared gruesa, espesor de la pared del cilindro, orientación de las fibras, longitud del cilindro, imperfección geométrica y capas en el espesor. Los resultados muestran un acoplamiento entre los alargamientos circunferenciales y axiales para los que se produce la bifurcación. Se observa como este acoplamiento modifica cualitativamente y de forma relevante los resultados, existiendo una dependencia de estos a ambos valores.

Evaluación del comportamiento mecánico, estructural y frente a la corrosión, de una nueva armadura de acero inoxidable dúplex bajo en níquel

La durabilidad de las estructuras de hormigón armado no es ilimitada, en especial en determinados ambientes. El ingreso de agentes agresivos en el hormigón, fundamentalmente dióxido de carbono e iones cloruros, rebasando el espesor del recubrimiento y alcanzando las armaduras, reducen el alto pH del hormigón hasta alcanzar un umbral crítico, por debajo del cual, el acero queda despasivado. Posteriormente, si existe el suficiente aporte de humedad y oxígeno, el acero se corroe, lo que supone drásticas reducciones de la vida de servicio de estas estructuras y su inevitable reparación. La utilización de armaduras de acero inoxidable es una alternativa que está recibiendo cada vez más consideración. Su resistencia a la corrosión en los ambientes más agresivos, incluso con ataque de cloruros, lo convierte en el material idóneo para prolongar de forma muy considerable la vida útil de la estructura. En este trabajo se ha evaluado el comportamiento mecánico y estructural, y de resistencia a la corrosión, de un nuevo acero inoxidable dúplex de bajo contenido en níquel, el EN 1.4482 (AISI 2001), y se ha comparado con el inoxidable austenítico más utilizado, el EN 1.4301 (AISI 304), con el dúplex EN 1.4362 (AISI 2304) y con el tradicional acero al carbono B-500-SD. El estudio mecánico y estructural se ha realizado en tres niveles diferentes: a nivel de barra, estudiando las propiedades mecánicas y de ductilidad de los cuatro aceros citados; a nivel de sección, estudiando su comportamiento a flexión con diferentes cuantías de armado por medio de los diagramas momento-curvatura; y a nivel de pieza, ensayando una serie de vigas armadas con diferentes aceros y cuantías, y comprobando su comportamiento a desplazamiento y resistencia por medio de los diagramas carga-desplazamiento. El estudio de resistencia a la corrosión se ha realizado embebiendo barras corrugadas, de los tres aceros inoxidables mencionados, en probetas de mortero contaminadas con diferentes cantidades de cloruros, y realizando mediciones electroquímicas durante un periodo de al menos un año. Se han preparado probetas de mortero para dos comparativas diferentes. La primera, manteniendo las probetas en un desecador con el 95 % de humedad relativa durante todo el periodo de mediciones. La segunda, sumergiendo parcialmente las probetas en una solución tampón para carbonatar el mortero. Los resultados de los ensayos mecánicos han demostrado dos aspectos diferentes. Uno, que las armaduras de acero inoxidable tienen un comportamiento muy similar a las de acero al carbono en lo referente a las resistencias alcanzadas, en el límite elástico y en rotura, pero distinto en cuanto al módulo de deformación longitudinal, cuyo valor es claramente inferior al del acero al carbono, por lo que su utilización en las estructuras de hormigón necesita tener en cuenta ese dato en los análisis lineales de cálculo. El segundo aspecto es que las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente presentan una ductilidad muy superior a las de acero al carbono, por lo que ofrecen una mayor seguridad frente a su rotura o al colapso de la estructura, lo que se debe tener en cuenta en el análisis de cálculo plástico. En cambio, las armaduras de acero inoxidable laminadas en frío sólo cumplen con los límites mínimos de ductilidad establecidos en la instrucción EHE-08 para los aceros soldables, y no para los aceros con características especiales de ductilidad. El estudio a nivel de sección refleja la paradoja de obtener secciones menos dúctiles con las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente que con las armaduras de acero al carbono. Para subsanarlo, se definen los conceptos de curvatura última de rotura y ductilidad de la sección en rotura, que tienen en cuenta las altas deformaciones alcanzadas por las armaduras de acero inoxidable. Los resultados a nivel de pieza permiten identificar el comportamiento estructural del hormigón armado con barras corrugadas de acero inoxidable y compararlo con el de las estructuras de hormigón armado convencionales, verificando los resultados experimentales con los teóricos obtenidos con la formulación recogida en la instrucción EHE- 08. Los ensayos de resistencia a la corrosión por cloruros demuestran, durante el primer año y medio de vida de las probetas, un comportamiento muy similar entre el nuevo acero inoxidable dúplex bajo en níquel y el austenítico y el dúplex utilizados para la comparación, incluso para las probetas carbonatadas. Por último, se añade una comparativa económica, realizada sobre dos edificaciones tipo, para cuantificar el sobrecoste que supone la utilización de armaduras de acero inoxidable respecto a las de acero al carbono. El alto coste inicial de las armaduras de acero inoxidable se ve compensado en el coste final de la estructura de muy diferentes formas, principalmente dependiendo del grado de acero elegido y de si se emplean en el total de la estructura o solamente en los elementos más expuestos. The durability of the concrete structures is limited, especially in certain environments. The attack of aggressive agents in the concrete, mainly carbon dioxide and chloride ions, penetrating the thickness of concrete cover and reaching the reinforcements, reduce the high pH of concrete to the point of reaching a critical threshold, under which, the steel despasivates. Therefore, if there is enough humidity and oxygen, the steel corroes, causing drastic reductions in the service life of these structures and its inevitable repair. Despite the high initial cost compared to carbon steel, the usage of stainless steel reinforcements is an alternative with a major consideration nowadays. Its resistance to corrosion in the most aggressive atmospheres, including chlorides attack, makes the stainless steel a suitable material to extend considerably its lifetime. In this study, it’s been evaluated the mechanical and structural behaviour, and the corrosion resistance, of a new low-nickel duplex stainless steel EN 1.4482 (AISI 2001), and it has been compared with the most widely used austenitic type EN 1.4301 (AISI 304), with duplex steel EN 1.4362 (AISI 2304) and with the traditional carbon steel B-500-SD. The mechanical and structural study has been carried out in three different levels: bar level, studying mechanical properties and ductility of the four steels; section level, studying its behaviour when blending with different amounts of reinforcement through the moment-curvature diagrams; and structural element level, testing a series of reinforced beams with different steels and amounts, and checking its sag and resistance through the load-deflection diagrams. The corrosion resistance study was performed by embedding ribbed bars, using the three stainless steel listed, on mortar specimens contaminated with different amounts of chlorides, and taking electrochemical measurements over a period of at least one year. Mortar specimens have been prepared for two different comparisons. The first, keeping the specimens at 95% of relative humidity during the measurement period. The second, immersing the specimens partially in a carbonate buffer solution. The results of those tests have proved two different aspects. Firstly, that stainless steel reinforcements show a very similar behaviour to carbon steel, according to the reached levels of mechanical resistance, yield stress and steel strength, but a different behaviour in Young’s modulus, which value is clearly lower than the carbon steel. Therefore, when using in concrete structures it is need to consider on that point the existing calculus of linear analysis. The second aspect is that stainless steel reinforcement manufactured by hot-rolling process show a very higher ductility than carbon steel, offering a better security on cracks or structure collapse, which it has to be taken into account on plastic calculus analysis. However, the stainless steel reinfor9 cement cold-rolled bars only meet the minimum thresholds of ductility established by EHE-08 for welded steel, and not for steels with special ductility. The results at the section level reflect the paradox of getting less ductile sections with hot rolled stainless steel reinforcement than with carbon steel reinforcements. To overcome that, the concepts of last break curvature and break ductility section have been defined, which take into account the high deformation value achieved by stainless steel reinforcements. The results at the structural element level allow to identify the structural behaviour of reinforced concrete with stainless steel reinforcements and compared with that of conventional steel reinforcement, contrasting the experimental with the theoretical results obtained from the formulation contained in the instruction EHE-08. Tests on resistance of chloride corrosion show during the first year and a half of specimens life, a similar behaviour between the new low nickel duplex stainless steel and austenitic and duplex used for comparison, even for carbonated specimens. Finally, it has been included an economic comparison on two differents building types, to quantify the additional cost involved on the use of stainless steel reinforcement compared to that of carbon steel. The high initial cost of stainless steel reinforcements is offset in the final cost of the structure in many different ways, mainly depending on the chosen steel grade and whether the reinforcement is used in the total structure or only in risky structural elements.

Numerical Error Prediction and its applications in CFD using tau-estimation

Nowadays, Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers are widely used within the industry to model fluid flow phenomenons. Several fluid flow model equations have been employed in the last decades to simulate and predict forces acting, for example, on different aircraft configurations. Computational time and accuracy are strongly dependent on the fluid flow model equation and the spatial dimension of the problem considered. While simple models based on perfect flows, like panel methods or potential flow models can be very fast to solve, they usually suffer from a poor accuracy in order to simulate real flows (transonic, viscous). On the other hand, more complex models such as the full Navier- Stokes equations provide high fidelity predictions but at a much higher computational cost. Thus, a good compromise between accuracy and computational time has to be fixed for engineering applications. A discretisation technique widely used within the industry is the so-called Finite Volume approach on unstructured meshes. This technique spatially discretises the flow motion equations onto a set of elements which form a mesh, a discrete representation of the continuous domain. Using this approach, for a given flow model equation, the accuracy and computational time mainly depend on the distribution of nodes forming the mesh. Therefore, a good compromise between accuracy and computational time might be obtained by carefully defining the mesh. However, defining an optimal mesh for complex flows and geometries requires a very high level expertize in fluid mechanics and numerical analysis, and in most cases a simple guess of regions of the computational domain which might affect the most the accuracy is impossible. Thus, it is desirable to have an automatized remeshing tool, which is more flexible with unstructured meshes than its structured counterpart. However, adaptive methods currently in use still have an opened question: how to efficiently drive the adaptation ? Pioneering sensors based on flow features generally suffer from a lack of reliability, so in the last decade more effort has been made in developing numerical error-based sensors, like for instance the adjoint-based adaptation sensors. While very efficient at adapting meshes for a given functional output, the latter method is very expensive as it requires to solve a dual set of equations and computes the sensor on an embedded mesh. Therefore, it would be desirable to develop a more affordable numerical error estimation method. The current work aims at estimating the truncation error, which arises when discretising a partial differential equation. These are the higher order terms neglected in the construction of the numerical scheme. The truncation error provides very useful information as it is strongly related to the flow model equation and its discretisation. On one hand, it is a very reliable measure of the quality of the mesh, therefore very useful in order to drive a mesh adaptation procedure. On the other hand, it is strongly linked to the flow model equation, so that a careful estimation actually gives information on how well a given equation is solved, which may be useful in the context of _ -extrapolation or zonal modelling. The following work is organized as follows: Chap. 1 contains a short review of mesh adaptation techniques as well as numerical error prediction. In the first section, Sec. 1.1, the basic refinement strategies are reviewed and the main contribution to structured and unstructured mesh adaptation are presented. Sec. 1.2 introduces the definitions of errors encountered when solving Computational Fluid Dynamics problems and reviews the most common approaches to predict them. Chap. 2 is devoted to the mathematical formulation of truncation error estimation in the context of finite volume methodology, as well as a complete verification procedure. Several features are studied, such as the influence of grid non-uniformities, non-linearity, boundary conditions and non-converged numerical solutions. This verification part has been submitted and accepted for publication in the Journal of Computational Physics. Chap. 3 presents a mesh adaptation algorithm based on truncation error estimates and compares the results to a feature-based and an adjoint-based sensor (in collaboration with Jorge Ponsín, INTA). Two- and three-dimensional cases relevant for validation in the aeronautical industry are considered. This part has been submitted and accepted in the AIAA Journal. An extension to Reynolds Averaged Navier- Stokes equations is also included, where _ -estimation-based mesh adaptation and _ -extrapolation are applied to viscous wing profiles. The latter has been submitted in the Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. Keywords: mesh adaptation, numerical error prediction, finite volume Hoy en día, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es ampliamente utilizada dentro de la industria para obtener información sobre fenómenos fluidos. La Dinámica de Fluidos Computacional considera distintas modelizaciones de las ecuaciones fluidas (Potencial, Euler, Navier-Stokes, etc) para simular y predecir las fuerzas que actúan, por ejemplo, sobre una configuración de aeronave. El tiempo de cálculo y la precisión en la solución depende en gran medida de los modelos utilizados, así como de la dimensión espacial del problema considerado. Mientras que modelos simples basados en flujos perfectos, como modelos de flujos potenciales, se pueden resolver rápidamente, por lo general aducen de una baja precisión a la hora de simular flujos reales (viscosos, transónicos, etc). Por otro lado, modelos más complejos tales como el conjunto de ecuaciones de Navier-Stokes proporcionan predicciones de alta fidelidad, a expensas de un coste computacional mucho más elevado. Por lo tanto, en términos de aplicaciones de ingeniería se debe fijar un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Una técnica de discretización ampliamente utilizada en la industria es el método de los Volúmenes Finitos en mallas no estructuradas. Esta técnica discretiza espacialmente las ecuaciones del movimiento del flujo sobre un conjunto de elementos que forman una malla, una representación discreta del dominio continuo. Utilizando este enfoque, para una ecuación de flujo dado, la precisión y el tiempo computacional dependen principalmente de la distribución de los nodos que forman la malla. Por consiguiente, un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo se podría obtener definiendo cuidadosamente la malla, concentrando sus elementos en aquellas zonas donde sea estrictamente necesario. Sin embargo, la definición de una malla óptima para corrientes y geometrías complejas requiere un nivel muy alto de experiencia en la mecánica de fluidos y el análisis numérico, así como un conocimiento previo de la solución. Aspecto que en la mayoría de los casos no está disponible. Por tanto, es deseable tener una herramienta que permita adaptar los elementos de malla de forma automática, acorde a la solución fluida (remallado). Esta herramienta es generalmente más flexible en mallas no estructuradas que con su homóloga estructurada. No obstante, los métodos de adaptación actualmente en uso todavía dejan una pregunta abierta: cómo conducir de manera eficiente la adaptación. Sensores pioneros basados en las características del flujo en general, adolecen de una falta de fiabilidad, por lo que en la última década se han realizado grandes esfuerzos en el desarrollo numérico de sensores basados en el error, como por ejemplo los sensores basados en el adjunto. A pesar de ser muy eficientes en la adaptación de mallas para un determinado funcional, este último método resulta muy costoso, pues requiere resolver un doble conjunto de ecuaciones: la solución y su adjunta. Por tanto, es deseable desarrollar un método numérico de estimación de error más asequible. El presente trabajo tiene como objetivo estimar el error local de truncación, que aparece cuando se discretiza una ecuación en derivadas parciales. Estos son los términos de orden superior olvidados en la construcción del esquema numérico. El error de truncación proporciona una información muy útil sobre la solución: es una medida muy fiable de la calidad de la malla, obteniendo información que permite llevar a cabo un procedimiento de adaptación de malla. Está fuertemente relacionado al modelo matemático fluido, de modo que una estimación precisa garantiza la idoneidad de dicho modelo en un campo fluido, lo que puede ser útil en el contexto de modelado zonal. Por último, permite mejorar la precisión de la solución resolviendo un nuevo sistema donde el error local actúa como término fuente (_ -extrapolación). El presenta trabajo se organiza de la siguiente manera: Cap. 1 contiene una breve reseña de las técnicas de adaptación de malla, así como de los métodos de predicción de los errores numéricos. En la primera sección, Sec. 1.1, se examinan las estrategias básicas de refinamiento y se presenta la principal contribución a la adaptación de malla estructurada y no estructurada. Sec 1.2 introduce las definiciones de los errores encontrados en la resolución de problemas de Dinámica Computacional de Fluidos y se examinan los enfoques más comunes para predecirlos. Cap. 2 está dedicado a la formulación matemática de la estimación del error de truncación en el contexto de la metodología de Volúmenes Finitos, así como a un procedimiento de verificación completo. Se estudian varias características que influyen en su estimación: la influencia de la falta de uniformidad de la malla, el efecto de las no linealidades del modelo matemático, diferentes condiciones de contorno y soluciones numéricas no convergidas. Esta parte de verificación ha sido presentada y aceptada para su publicación en el Journal of Computational Physics. Cap. 3 presenta un algoritmo de adaptación de malla basado en la estimación del error de truncación y compara los resultados con sensores de featured-based y adjointbased (en colaboración con Jorge Ponsín del INTA). Se consideran casos en dos y tres dimensiones, relevantes para la validación en la industria aeronáutica. Este trabajo ha sido presentado y aceptado en el AIAA Journal. También se incluye una extensión de estos métodos a las ecuaciones RANS (Reynolds Average Navier- Stokes), en donde adaptación de malla basada en _ y _ -extrapolación son aplicados a perfiles con viscosidad de alas. Este último trabajo se ha presentado en los Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte G: Journal of Aerospace Engineering. Palabras clave: adaptación de malla, predicción del error numérico, volúmenes finitos

Modelos numéricos para el estudio de la ventilación en túneles

En túneles con ventilación longitudinal la actuación sobre los ventiladores es fundamental para evitar una catástrofe en caso de accidente con fuego. En este artículo se presentan tres modelos de cálculo que permiten el estudio de estas situaciones.

Metodologías para la modelización, validación y diseño innovador de los sistemas multicuerpo del transporte vertical de personas

En el mundo moderno está cobrando cada vez más importancia el empleo de técnicas de simulación y creatividad como parte del ciclo de la ingeniería de diseño para acelerar y catalizar el proceso de innovación. Sin embargo, aunque la simulación sí posee un gran patrón de medida, que es la realidad que representa, no siempre se lleva a cabo una valoración objetiva de las ideas producidas de forma creativa. Otro campo relacionado con el diseño innovador, pero que aún está poco explorado, es el del estudio y gestión de la innovación mediante la monitorización del grado de evolución de un sistema a lo largo del tiempo. Existen teorías y patrones de evolución cualitativos predefinidos en la literatura, pero con escasa aplicación en el mercado actual. La forma de medir la innovación según algunas empresas se basa en cuantificar número de proyectos, ideas, patentes, etc., pero no incluyen ninguna metodología de análisis o la definición de parámetros intrínsecos a las curvas asociadas a dicho grado de innovación. En esta Tesis Doctoral, se ha desarrollado una metodología general para la búsqueda del diseño innovador, metodología que ha sido aplicada en este caso al sector del transporte vertical de personas que incluye sistemas mecánicos como escaleras mecánicas, pasillos móviles o ascensores. Esta metodología principal se compone de otras metodologías desarrolladas y herramientas seleccionadas que permiten automatizar el proceso de creación y evaluación de ideas, así como su implementación en el entorno de simulación correspondiente. Debido a que el campo de aplicación de estas metodologías es fundamentalmente mecánico, se ha empleado como herramienta principal de simulación un software específico de simulación dinámica de sistemas multicuerpo. También se ha desarrollado una metodología de comparación entre las señales de un sistema real y el sistema simulado para la validación de los modelos y metodología de simulación. Esta metodología se ha aplicado a un modelo de simulación dinámica de una escalera mecánica.Se ha desarrollado una metodología para la implementación de escaleras mecánicas y pasillos móviles en el software de simulación dinámica seleccionado. Esta metodología es necesaria para la prueba de un número elevado de alternativas que difieren en valores cuantitativos y cualitativos, por lo que está parametrizada según el número y tipo de eslabones que comúnmente poseen estos sistemas mecánicos como parte de las cadenas de rodillos que los conducen y traccionan. Las técnicas que comprende esta metodología han sido aplicadas para implementar un modelo concreto de escalera mecánica recientemente patentado. La metodología de implementación se considera validada, al haber obtenido valores altos de correlación entre las señales simuladas y las obtenidas de sensorizar un prototipo real mediante la aplicación de la metodología de comparación y validación de señales desarrollada también en esta Tesis. Dentro de la metodología general, se presenta una metodología de análisis del estado del arte de un sistema basada en el análisis de las curvas de evolución de cada sistema, las cuales se construyen a partir de una previa selección de los indicadores tecnológicos representativos adecuados. En este caso, se ha aplicado a las escaleras mecánicas y pasillos móviles, seleccionando como indicador de su evolución temporal el número de patentes anuales, de las cuáles se han analizado valores estadísticos representativos de la velocidad y aceleración en la creación de patentes de sus más de 100 años que llevan existiendo. Para acelerar el proceso de evolución de un sistema se ha propuesto el empleo de técnicas de creatividad existentes como medio para automatizar el proceso de creación de ideas, las cuales deberán ser sometidas a una valoración objetiva. La creatividad, dentro de la metodología general de diseño innovador, se ha considerado necesaria en todos los estadios de la ingeniería de diseño. Como resultados de la aplicación de las metodologías desarrolladas en esta Tesis al campo del transporte vertical de personas, se encuentran varios modelos de simulación dinámicos de escaleras mecánicas, la validación de un modelo concreto de escalera mecánica, y soluciones innovadoras y creativas en la implementación de modelos y a nivel conceptual, materializándose en varios artículos de interés científico y dos patentes de invención aceptadas. Toda la base teórica desarrollada en esta Tesis tiene como meta la reducción de tiempos y costes en el proceso de producción y análisis de ideas, eliminando la inercia psicológica desde la creatividad y, la construcción de prototipos, mediante modelos avanzados de simulación.

Modelado numérico de la fisuración por corrosión de armaduras

Se propone un modelo de elementos finitos, para el estudio de los efectos mecánicos de la corrosión del acero en el hormigón armado. Dicho modelo se basa en una imposición ordenada de la corrosión de los elementos de acero, mediante un incremento ficticio de temperatura que produce unos efectos análogos, a la vez que la fisuración del hormigón se recoge mediante un modelo conocido de fisura difusa. Se incluye un ejemplo resuelto que muestra el modo de aplicación de este modelo a problemas reales y el tipo de resultados que se pueden obtener, que se refieren especialmente al estudio de la propagación de la fisuración en función de la penetración de la corrosión en el acero.

Cálculo de algunos parámetros cinemáticos de un lanzamiento de martillo mediante análisis cinematográfico tridimensional

Desde hace mucho tiempo, el hombre se ha preocupado por los fenómenos que rigen el movimiento humano. Así Aristóteles (384-322 a. J.C.) poseía conocimientos notables sobre el centro de gravedad, las leyes del movimiento y de las palancas, siendo el primero en describir el complejo proceso de la marcha. A este sabio le siguieron muchos otros: Arquímedes (287-212 a. J.C.)- Ga leno (131-201 a.J.C.) Leonardo Da Vinci (1452-1519), que describió la mecánica del cuerpo en posición erecta, en la marcha y en el salto. Galileo Galilei (1564-1643) proporcionó empuje al estudio de los fenómenos mecánicos en términos matemáticos, creando las bases para la biomecánica. Alfonso Borelli (1608-1679), considerado por algunos autores como el padre de la moderna biomecánica. Aseguraba que los músculos funcionan de acuerdo con principios matemáticos. Nicolas Andry (1658-1742), creador de la ciencia ortopédica. Isaac Newton, que estableció las bases de la dinámica moderna con la enunciación de sus leyes mecánicas todavía hoy vigentes. E.J. Marey (1830-1904), afirmaba que el movimiento es la más importante de las funciones humanas, y describió métodos fotográficos para la investigación biológica. c.w. Braune (1831-1892), y Otto Fischer (1861-1917), describieron un método experimental para determinar el centro de gravedad. Harold Edgerton, inventor del estroboscopio electrónico de aplicación en el análisis fotográfico del movimiento. Gideon Ariel, una de las máximas autoridades en la biomecánica del deporte actual. ••••••• oooOooo ••••••• En lo que respecta al ámbito deportivo, en los últimos años estamos asistiendo a una gran mejora del rendimiento. Esto es debido en gran parte a un mayor apoyo científico en el proceso de entrenamiento, tanto en lo que se refiere a los métodos para desarrollar la condición física, como en lo concerniente a la perfección de la técnica deportiva, es decir, el aprovechamiento más eficaz de las leyes mecánicas que intervienen en el movimiento deportivo. Según P. Rasch y R. Burke, la biomecánica se ocupa de la investigación del movimiento humano por medio de los conceptos de la física clásica y las disciplinas afines en el arte práctico de la ingeniería. Junto con la anatomía, biofísica, bioquímica, fisiología, psicología y cibernética, y estrechamente relacionada con ellas, la biomecánica, conforma las bases de la metodología deportiva. (Hochmuth) Entre los objetivos específicos de la biomecánica está la investigación dirigida a encontrar una técnica deportiva más eficaz. Actualmente, el perfeccionamiento de la técnica se realiza cada vez más apoyándose en los trabajos de análisis biomecánico. Efectivamente, esto tiene su razón de ser, pues hay detalles en el curso del ~~ movimiento que escapan a la simple observación visual por parte del entrenador. Entre dos lanzamientos de distinta longitud, en muchas ocasiones no se pueden percibir ninguna o como mucho sólo pequeñas diferencias. De ahí la necesidad de las investigaciones basadas en el análisis biomecánico, de cuyos resultados obtendrá el entrenador la información que precisa para realizar las modificaciones oportunas en cuanto a la técnica deportiva empleada por su atleta se refiere. Para el análisis biomecánico se considera el cuerpo humano como un conjunto de segmentos que forman un sistema de eslabones sometido a las leyes físicas. Estos segmentos son: la cabeza, el tronco, los brazos, los antebrazos, las manos, los muslos, las piernas y los pies. A través de estos segmentos y articulaciones se transmiten las aceleraciones y desaceleraciones para alcanzar la velocidad deseada en las porciones terminales y en el sistema propioceptivo que tiene su centro en el cerebro. De todo esto podemos deducir la práctica imposibilidad de descubrir un error en el curso del movimiento por la sola observación visual del entrenador por experto que este sea (Zanon). El aspecto biológico de la biomecánica no se conoce tanto como el aspecto mecánico, ya que este campo es mucho más complejo y se necesitan aparatos de medición muy precisos. Entre los objetivos que me he planteado al efectuar este trabajo están los siguientes: - Análisis biomecánico de uno de los mejores lanzadores de martillo de España. - Qué problemas surgen en el análisis biomecánico tridimensional. Cómo llevar a cabo este tipo de investigación con un material elemental, ya que no disponemos de otro. Ofrecer al técnico deportivo los procedimientos matemáticos del cálculo necesarios. En definitiva ofrecer una pequeña ayuda al entrenador, en su búsqueda de soluciones para el perfeccionamiento de la técnica deportiva.

Adaptive liquid-crystal phase-only passive devices

This PhD work is focused on liquid crystal based tunable phase devices with special emphasis on their design and manufacturing. In the course of the work a number of new manufacturing technologies have been implemented in the UPM clean room facilities, leading to an important improvement in the range of devices being manufactured in the laboratory. Furthermore, a number of novel phase devices have been developed, all of them including novel electrodes, and/or alignment layers. The most important manufacturing progress has been the introduction of reactive ion etching as a tool for achieving high resolution photolithography on indium-tin-oxide (ITO) coated glass and quartz substrates. Another important manufacturing result is the successful elaboration of a binding protocol of anisotropic conduction adhesives. These have been employed in high density interconnections between ITO-glass and flexible printed circuits. Regarding material characterization, the comparative study of nonstoichiometric silicon oxide (SiOx) and silica (SiO2) inorganic alignment layers, as well as the relationship between surface layer deposition, layer morphology and liquid crystal electrooptical response must be highlighted, together with the characterization of the degradation of liquid crystal devices in simulated space mission environment. A wide variety of phase devices have been developed, with special emphasis on beam steerers. One of these was developed within the framework of an ESA project, and consisted of a high density reconfigurable 1D blaze grating, with a spatial separation of the controlling microelectronics and the active, radiation exposed, area. The developed devices confirmed the assumption that liquid crystal devices with such a separation of components, are radiation hard, and can be designed to be both vibration and temperature sturdy. In parallel to the above, an evenly variable analog beam steering device was designed, manufactured and characterized, providing a narrow cone diffraction free beam steering. This steering device is characterized by a very limited number of electrodes necessary for the redirection of a light beam. As few as 4 different voltage levels were needed in order to redirect a light beam. Finally at the Wojskowa Akademia Techniczna (Military University of Technology) in Warsaw, Poland, a wedged analog tunable beam steering device was designed, manufactured and characterized. This beam steerer, like the former one, was designed to resist the harsh conditions both in space and in the context of the shuttle launch. Apart from the beam steering devices, reconfigurable vortices and modal lens devices have been manufactured and characterized. In summary, during this work a large number of liquid crystal devices and liquid crystal device manufacturing technologies have been developed. Besides their relevance in scientific publications and technical achievements, most of these new devices have demonstrated their usefulness in the actual work of the research group where this PhD has been completed. El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseño, fabricación y caracterización de nuevos dispositivos de fase basados en cristal líquido. Actualmente se están desarrollando dispositivos basados en cristal líquido para aplicaciones diferentes a su uso habitual como displays. Poseen la ventaja de que los dispositivos pueden ser controlados por bajas tensiones y no necesitan elementos mecánicos para su funcionamiento. La fabricación de todos los dispositivos del presente trabajo se ha realizado en la cámara limpia del grupo. La cámara limpia ha sido diseñada por el grupo de investigación, es de dimensiones reducidas pero muy versátil. Está dividida en distintas áreas de trabajo dependiendo del tipo de proceso que se lleva a cabo. La cámara limpia está completamente cubierta de un material libre de polvo. Todas las entradas de suministro de gas y agua están selladas. El aire filtrado es constantemente bombeado dentro de la zona limpia, a fin de crear una sobrepresión evitando así la entrada de aire sin filtrar. Las personas que trabajan en esta zona siempre deben de estar protegidas con un traje especial. Se utilizan trajes especiales que constan de: mono, máscara, guantes de látex, gorro, patucos y gafas de protección UV, cuando sea necesario. Para introducir material dentro de la cámara limpia se debe limpiar con alcohol y paños especiales y posteriormente secarlos con nitrógeno a presión. La fabricación debe seguir estrictamente unos pasos determinados, que pueden cambiar dependiendo de los requerimientos de cada dispositivo. Por ello, la fabricación de dispositivos requiere la formulación de varios protocolos de fabricación. Estos protocolos deben ser estrictamente respetados a fin de obtener repetitividad en los experimentos, lo que lleva siempre asociado un proceso de fabricación fiable. Una célula de cristal líquido está compuesta (de forma general) por dos vidrios ensamblados (sándwich) y colocados a una distancia determinada. Los vidrios se han sometido a una serie de procesos para acondicionar las superficies internas. La célula se llena con cristal líquido. De forma resumida, el proceso de fabricación general es el siguiente: inicialmente, se cortan los vidrios (cuya cara interna es conductora) y se limpian. Después se imprimen las pistas sobre el vidrio formando los píxeles. Estas pistas conductoras provienen del vidrio con la capa conductora de ITO (óxido de indio y estaño). Esto se hace a través de un proceso de fotolitografía con una resina fotosensible, y un desarrollo y ataque posterior del ITO sin protección. Más tarde, las caras internas de los vidrios se acondicionan depositando una capa, que puede ser orgánica o inorgánica (un polímero o un óxido). Esta etapa es crucial para el funcionamiento del dispositivo: induce la orientación de las moléculas de cristal líquido. Una vez que las superficies están acondicionadas, se depositan espaciadores en las mismas: son pequeñas esferas o cilindros de tamaño calibrado (pocos micrómetros) para garantizar un espesor homogéneo del dispositivo. Después en uno de los sustratos se deposita un adhesivo (gasket). A continuación, los sustratos se ensamblan teniendo en cuenta que el gasket debe dejar una boca libre para que el cristal líquido se introduzca posteriormente dentro de la célula. El llenado de la célula se realiza en una cámara de vacío y después la boca se sella. Por último, la conexión de los cables a la célula y el montaje de los polarizadores se realizan fuera de la sala limpia (Figura 1). Dependiendo de la aplicación, el cristal líquido empleado y los demás componentes de la célula tendrán unas características particulares. Para el diseño de los dispositivos de este trabajo se ha realizado un estudio de superficies inorgánicas de alineamiento del cristal líquido, que será de gran importancia para la preparación de los dispositivos de fase, dependiendo de las condiciones ambientales en las que vayan a trabajar. Los materiales inorgánicos que se han estudiado han sido en este caso SiOx y SiO2. El estudio ha comprendido tanto los factores de preparación influyentes en el alineamiento, el comportamiento del cristal líquido al variar estos factores y un estudio de la morfología de las superficies obtenidas.

Mecanización del cultivo del cacahuete. I. Siembra y cuidados culturales

En un artículo anterior (1) se trató del cultivo del cacahuete en España, sus problemas y las posibilidades de mecanización del mismo. El presente trabajo presenta los estudios y ensayos realizados durante las pasadas campañas de 1972 y 1973, los cuales muestran la realidad de esas soluciones mecánicas en pequeña y en gran escala. Puede realizarse un cultivo de cacahuete total o casi totalmente mecanizado, tanto en el caso de grandes superficies como en parcelas del tamaño medio (alrededor de 1/2 ha), usual en la región valenciana, utilizando medios mecánicos naturalmente adaptados a cada tipo de explotación. En fincas pequeñas, cuyos medios mecánicos se basan en el motocultor y / o en el tractor pequeño de 18- 20 CV, es adecuado sembrar el cacahuete en surcos separados 62,5 cm, lo que permite la realización de las labores de forma mecanizada por medio de este tractor con las ruedas en la posición más estrecha. Así puede realizarse la siembra, el cultivo y el arranque con los distintos aperos. La trilla y la limpieza pueden realizarse manualmente o por medio de una cosechadora de alquiler arrastrada por un tractor mayor Los números entre paréntesis se refieren a las reseñas bibliográficas. (ver Recolección en el próximo número) de 1,25 m de anchura. En las explotaciones mayores, con tractores grandes, la siembra adecuada será en líneas pareadas, siendo la distancia entre surcos 125-180 cm, según variedades y según se cultive en regadío o en secano (1), o en mesetas de unos 190 cm, con cuatro filas de plantas. La mecanización en estos casos está mejor adaptada y más justificada económicamente. Para el cultivo mecánico habrán de elegirse, dentro de las variedades existentes, las más adecuadas. Las cultivadas actualmente en la zona valenciana están muy degeneradas y es necesaria su mejora, pero están bien adaptadas a las condiciones climáticas y resultan bastante adecuadas para su mecanización. Algunas variedades americanas ensayadas en el INIA (Benicalap, Valencia), muy atractivas por sus frutos grandes y de gran calidad, vienen de origen adaptadas a la mecanización, pero por ser en general de ciclo largo, presentan problemas en relación a la climatología de la zona; en las experiencias realizadas se han dado campañas de extraordinaria producción y otras de una producción muy baja. Para el cultivo de estas variedades se hace realmente necesaria la recolección mecanizada, a base de arranque con arrancadora, uno o dos días de secado en el campo, recogida y trilla con cosechadora y desecación artificial. Todo ello con el fin de 3 abreviar lo más posible el proceso, evitando el peligro de que las lluvias mojen repetidamente las plantas una vez arrancadas y colocadas en hileras en el campo para su desecación natural. Esto último viene siendo la causa de unas pérdidas de cosecha enormes por pudrición de los frutos.

Detección de puntos críticos en líneas de manipulación de fruta

Durante las operaciones de recolección, transporte y manipulación de frutas y hortalizas se producen inevitablemente lesiones que se van acumulando sobre cada uno de los frutos, resultando disminuida su calidad, con el detrimento de valor comercial que ello supone. En el mercado actual, tanto nacional como internacional, se detecta un exceso de oferta de cualquier especie o variedad y las claves del éxito comercial, además de la producción de fruta de primor, se centran en la producción de frutas de alta calidad, para las cuales existe una demanda que el mercado actual no es capaz de satisfacer. Si yuxtaponemos esta realidad a la necesidad de reducir las cuantiosas pérdidas por daños mecánicos, pudriciones, etc. -alrededor del 20% de la producción-, se hace patente la necesidad de revisar todos aquellos factores y procesos que atañen a dicha calidad, desde el momento de la recolección en el árbol hasta la llegada del producto a las manos del consumidor.

Recolección mecanizada de la fruta: Plataformas y Cosechadoras

El coste de las labores de recolección, representan alrededor del 50°/o de los costes de producción de los cultivos frutícolas. La mano de obra empleada en la recolección manual de la fruta a veces escasea y, cuando abunda, proviene de trabajadores de otras actividades que están en paro no siendo, por tanto, especialistas. Los intentos de mecanizar la recolección de la fruta, aún algo incipientes en España, están más avanzados en otros países (Estados Unidos, Francia, Italia) donde gran parte de la producción recoge empleando medios mecánicos que sustituyen o ayudan al hombre. La mecanización de la recogida de la fruta se generalizará en nuestro país en la medida en que la mano de obra escasee en las cantidades necesarias para las labores de recolección, o se encarezca. También hay que tener en cuenta el factor de la oportunidad temporal para efectuar la recolección en unos pocos días en que la cosecha está en su punto óptimo, y los medios mecánicos pueden ayudar al hombre a cosechar con mayor rapidez. Desde el punto de vista de las posibilidades de mecanizar la recolección, clasificaremos la fruta en dos clases: Frutas para consumo en fresco. Frutas para ser sometidas a un proceso industrial. La fruta que se va a consumir en fresco requiere más cuidados, pues los golpes que recibiera le provocarán daños claramente visibles al llegar al mercado. La fruta con destino industrial (para producir zumos, mermeladas, conservas en almíbar, etc.) puede recibir más golpes y los daños, o bien se detienen aplicándole algún producto, o bien se elimina en la fábrica la zona dañada y se procesa el resto. Para recoger el primer tipo de fruta se han desarrollado plataformas, mientras que el segundo tipo resulta más rápido y (quizás) barato recogerla con cosechadoras de frutas.

Estado actual de la recolección mecanizada de frutos y hortalizas en España

Los cultivos hortofrutícolas están muy extendidos en España, especialmente en el Sur y a orillas del Mediterráneo, donde el clima es muy apropiado para muchas especies de frutas y hortalizas. La superficie dedicada a cultivos hortícolas es de 3.915.000 ha (1.830.000 ha descontado el olivar), las cuales produjeron en I 982 unos ingresos brutos a los agricultores de 574.896 x 106 ptas. La mecanización de los cultivos hortícolas está muy generalizada en las faenas comunes con otros cultivos (laboreo, fertilización, pulverización); se han conseguido grandes avances en la mecanización de la siembra y trasplante, y están menos extendidos los medios mecánicos para la recolección o aún no se ha logrado una solución satisfactoria para algunos cultivos. La recolección de los productos hortofrutícolas presenta la dificultad de que los órganos a recoger son muy diversos por lo que las máquinas de recolección deben ser muy específicas, se usan pocos días al año y su coste horario resulta elevado. Estas circunstancias unidas al hecho de que la recesión económica ha provocado desde 1974 la aparición de mano de obra desocupada, ha impedido que se haya generalizado la recolección mecanizada en la horticultura. La industria nacional sólo se ha preocupado de fabricar máquinas destinadas a recoger los cultivos más extendidos (olivar, patata) y ha sido necesario importar las máquinas más sofisticadas para cosechar otros cultivos (tomate, judías verdes, guisantes, etc.). Paralelamente al desarrollo y utilización de las máquinas para efectuar la recolección, se han investigado otros problemas relacionados con la misma. En los cultivos anuales se ha avanzado en la selección de variedades especialmente adaptadas a la recolección. Se han desarrollado algunas variedades autóctonas y se han adaptado otras traídas de EE.UU., y Más concretamente de California, dada la similitud de clima. La introducción de variedades y métodos de cultivo distintos de los tradicionales presenta dificultades aunque en los últimos años parece acelerarse la transformación hacia los nuevos sistemas. La infraestructura (parcelas pequeñas) es un problema básico en ciertas áreas, pero en los nuevos regadíos se cuenta con una situación bastante adecuada para los sistemas más industriales de producción. Los cultivos frutales son más difíciles de mecanizar. La poda que tiene la vid hace que sea prácticamente imposible hasta ahora la recolección mecánica y es muy difícil lograrlo con el olivar. Sé han hecho grandes avances en el manejo y limpieza del producto recogido y su transporte a fábrica, estando estas faenas mecanizadas casi por completo.

Mecanización de los cultivos hortícolas

Los cultivos hortícolas tienen una enorme importancia dentro de la producción agraria española, estando localizados principalmente en el Sur y en el área mediterránea, zonas en las que el clima resulta idóneo para dicha producción. Existen además otras áreas, de clima no tan favorable, pero con una gran tradición hortícola e importantes producciones; son éstas: Aragón, Navarra, Extremadura y Valles del Centro (ver tabla I). De la totalidad de la superficie dedicada a la producción hortícola unas 476.000 hectáreas, más de un 10% es decir, unas 50.000 ha. se dedican a cultivo protegido. Los sistemas de producción y, por lo tanto, de mecanización, son muy diferentes entre la producción al aire libre o bajo cobertura. (En estas estadísticas sobre cultivo de hortalizas no se incluyen los tubérculos para consumo humano, en los que la patata es el exponente principal. Por ser considerado un cultivo con características propias, más similar a otros de tipo extensivo, alejados de las hortalizas en sus características y en los sistemas de mecanización, como es el de la remolacha, no se incluye á la patata en este estudio). De la totalidad de la producción hortícola, la mecanización se ha desarrollado fundamentalmente en la producción al aire libre de cultivos industriales; en éstos, la mecanización de todo el proceso de producción, desde la preparación para la siembra hasta la recolección, supone un factor fundamental para la reducción de los costes, reducción que se está haciendo cada vez más necesaria para alcanzar la rentabilidad en estos cultivos. El tomate de industria, judía verde, guisante, etc., pertenecen a este grupo de cultivos. Hay que resaltar, sin embargo, que la mayor parte de las operaciones incluidas en la producción hortícola tradicional se realiza de forma manual, con muy diversos grados de utilización de los medios mecánicos pala los diferentes cultivos y para las diferentes operaciones.

Daños por magulladura en frutos de pepita

La demanda de frutas y hortalizas es cada vez más exigente en términos de calidad. En frutos de pepita, los principales parámetros de calidad son el calibre, la firmeza, el color, la calidad gustativa y la ausencia de defectos; los daños mecánicos son los defectos que producen mayores pérdidas. En manzana, se ha comprobado que las magulladuras son el daño mecánico más frecuente, que influye decisivamente en el precio de venta y en la aceptación del consumidor. En los últimos cinco años, un equipo investigador del Departamento de Ingeniería Rural de la Universidad Politécnica de Madrid, dirigido por la Profesora M. Ruiz-Altisent, ha estudiado en profundidad los diversos factores que influyen en la aparición de daños por magulladura en frutos de pepita y la manera de evitarlos.

Ensayos no destructivos para la evaluación de la madurez post-recolección de aguacate.

Se presenta el estudio de los parámetros mecánicos, resultantes de impactos controlados, en la evaluación del estado de madurez de aguacate "Hass", comparados con la firmeza de la pulpa, índice ya tradicionalmente utilizado para ese fin. Se ha comprobado que el impacto, en las condiciones de trabajo, resulta no destructivo y puede utilizarse para la determinación del estado de madurez de estos frutos. Por otro lado, los resultados obtenidos para los dos lotes, con y sin absorbedor de etileno, son similares, aunque el tratamiento con absorbedor presenta un retraso en el tiempo, evidenciando su efecto en retardar el proceso de maduración plena de los frutos.