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CLUB ALPINO MEXICANO

1Física en la escalada 1

Curso de Alpinismo LX17-Marzo-2010

FÍSICA EN LA ESCALADA PARTE 1

Gastón Sánchez

ADVERTENCIA

El alpinismo, la escalada y cualquier otra actividad de montaña, sonactividades de ALTO RIESGO. El entorno cambiante, combinado conterrenos verticales y expuestos, constituyen SIEMPRE UN AMBIENTEPELIGROSO.

La multiplicidad de factores (ambientales, humanos, técnicos, etc),tanto controlables como incontrolables, pueden afectarnos positiva onegativamente. Por ello, la práctica constante, la asesoría, el estudio, laexperiencia, y la cautela, se hacen indispensables en toda actividadrelacionada con la montaña.

2Física en la escalada 1 Gastón Sánchez

Fuerza Tensión

Fricción Efecto Polea


CONCEPTOS FÍSICOS

Gastón Sánchez

FuerzaFuerza: acción capaz de modificar el estado de movimiento o la formade los cuerpos.

La fuerza se mide en Newtons N=kg(m/s2), unidad que relaciona masa,distancia y tiempo.


1 Newton (100 gr fuerza) 1 KiloNewton

(1000 N = 100 kg fuerza)

Gastón Sánchez

PESO: fuerza con la que un objeto es atraído por la gravedad¿Qué diablos es un Newton?

Fuerza (escenario estático)


23 kN

Gastón Sánchez

2300 kg fuerza

2300 kg fuerza

TensiónTensión: Efecto de aplicar una fuerza sobre una forma alargadaaumentando su elongación.

La tensión se hará presente en el uso de cuerdas para transmitir unafuerza.


Tirolina

=

Gastón Sánchez

FricciónFricción (rozamiento): dificultad o resistencia que oponen los cuerpospara que unos se deslicen sobre otros.


Efecto poleaEn un sistema de fuerzas opuestas, como lo sería un sistema anclaje-mosquetón-cuerda, es muy común el efecto polea.

10kg 10kg

20kg

A B

C

C = A + B


Ejemplo: La fuerza que ha de realizar B para aguantar la cuerda y noverse desplazado ha de ser igual a A. A su vez, C debe soportar elpeso de A más la fuerza creada por B.

Gastón Sánchez


Física en la escalada

Gastón Sánchez

Factor de Caída

Fuerza de Choque

Energía en la caída

La caídaLa caída de un primero genera una cantidad enorme de energía quedebe ser absorbida por los componentes del sistema.


Cuerda

Escalador

Aseguramiento

Puntos de protección

Gastón Sánchez

Cadena Dinámica de SeguridadLa CDS es el conjunto de todos los elementos que intervienen en laabsorción de la energía producida por la caída de un escalador.


Reunión

Mosquetones / cintas

Nudo de encordamiento

Cuerda

Freno

Arnés

Arnés

Mosquetones / cintas

Gastón Sánchez

Energía

Energía Mecánica: energía que tienen los cuerpos en razón de su movimiento


Energía cinética Energía potencialCapacidad de un cuerpo deproducir un trabajo por el hechode estar en movimiento

EC = ½ m v2

Energía almacenada por una masa m en movimiento

Capacidad de un cuerpo deproducir un trabajo por el hechode estar a una cierta altura.

EP = m g H

Trabajo que ha costado elevar una masa m a una altura H

Energía: capacidad para realizar un trabajo

Gastón Sánchez

Energía Potencial y Cinética

A mayor altura escalada


Mayor Energía Potencial = m g H

Gastón Sánchez

Mayor Energía Cinética = ½ m v2

Mientras más dure una caída

Energía en una caída


Energía Cinética

Energía Potencial

En la caídam g H = ½ m v2

m g H

½ m v2

Para detener una caída, lacuerda debe absorber toda laenergía cinética

H

Absorción de la energía en una caída


Tensión = m g (H + elongación)

Absorción de la energía mediante TENSIÓN de la cuerda

L

Tensión = Energía Potencialm = 80kg

g = 9.8 m/s2

Haciendo algunos cálculos…H

k = módulo de la cuerdaL = longitud de cuerda activa

Factor de CaídaValor que indica la seriedad de una caída. Es una manera de estimarel daño a una cuerda que soporta la caída de un escalador.

Factor de Caída


Distancia de la caída

Longitud de cuerda activa=

FC = 5m / 5mFC = 1

FC = 5m / 2.5mFC = 2

Gastón Sánchez

Factor de Caída

Algunos ejemplos con distintos valores de FC


1m

3m

2m

FC = 2m/4m

3m

3m

6m

FC = 6m/6m

3m

1m

6m

FC = 6m/4m

3m

6m

FC = 6m/3m

FC = 1m/2m FC = 1m/1m FC = 1.5m/1m FC = 1m/0.5m

FC = 5m/10m FC = 10m/10m FC = 15m/10m FC = 20m/10m

Modelo de Conservación de la Energía


T: tensión en la cuerdam: masag: aceleración por la gravedad

k: módulo de la cuerda

H: altura de la caída

L: longitud de cuerda activa

Conservación: La cuerda debe absorber la energía perdida (liberada)mediante su estiramiento (elongación)

Gastón Sánchez

Tensión y Factor de Caída


Energía potencial:EP = m g H

distancia de la caída (H)FC =

longitud de cuerda (L)

MODELO: Tensión en la Cuerda = Energía Potencial

Gastón Sánchez

Importancia del FC


la máxima Tensión en la cuerda depende únicamente del FC=(H/L)Aquí radica la importancia del Factor de Caída

Para un escalador con un peso dado mg, y una cuerda con un módulo k

Consecuencia:Bajo un escenario estático en el que no hay una caída (ej. escalador que cuelga de la cuerda), tenemos un FC=0,

T = mg + mg = 2mg

La tensión en la cuerda es el doble del peso del escalador

Gastón Sánchez

Fuerza de choque

La Fuerza de Choque (FCh) es la carga que recibecualquier parte del sistema (anclaje, escalador,asegurador, etc) en el caso de una caída.


La máxima FCh tolerable por una persona normalen una caída de factor 2, durante una fracción desegundo, sin causarle daños mortales es de 12kN.

Gastón Sánchez

Fuerza de choque


La mayor fuerza permitida que debería transmitiruna cuerda de escalada es de 12 kN (estándarUIAA).

Gastón Sánchez

La resistencia de mosquetones, cintas, poleas, yotros materiales de “escalada”, se basa en lamáxima fuerza de choque tolerable de 12kN.

Fuerzas de choque: cuerdas


Cuerdas con mayor FCh (estáticas) tendrán poca capacidad deestiramiento y transmitirán mayor choque al sistema. Cuerdas con menorFCh absorberán más energía. Sin embargo, no deberían ser muyelásticas para evitar que el escalador llegase al suelo (ej. ligas bungee).

Mercado EUAOtoño 2005

Gastón Sánchez

Factores que influyen en la FChLa elasticidad de la cuerda: si una cuerda se estira más que otra,absorberá más energía.

La línea que traza la cuerda por la vía: una línea más recta permitirá ala cuerda absorber más energía que si zigzagueara entre los seguros.

El tipo de dispositivo de freno usado: un dispositivo dinámico permitiráque corra más cuerda y la FCh sea menor. Un dispositivo estático haráque se transmita más impacto al sistema.

Los nudos: tanto el nudo de encordamiento como los de anclajes, seapretarán al recibir carga y eso absorberá energía.

El arnés: arneses más acolchados absorberán más energía que losarneses más ligeros.

El peso del escalador: cuanto más pesado sea el escalador, más FChse producirá.

El peso del asegurador: cuanto más pesado sea el asegurador, másFCh se producirá.


Resistencias del equipo basadas en FCh=12kN

Mosquetón de anclaje: 24-25 kNMosquetón y cinta express: 22-24kNMosquetón de seguridad y dispositivo de freno: 3kNNudo de encordamiento: 12kNArnés: 15-16kN

22kN

12kN10kNMáx FCh

teórica =12kN

Efecto Polea


Distribución de la energíaEn una caída la energía es transmitida a los elementos de la cadenadinámica de seguridad.


¿Por qué la energía no se distribuye equitativamente?

FRICCIÓN

Gastón Sánchez

La energía NO se distribuye equitativamenteentre los elementos.

Cargas típicas (valores orientativos)

3 kN

1.8kN1.1kN

Peso escalador: 80 kg


6-7 kN

4.7kN2.6kN

12 kN

7.5kN4.5kN

Caída más pequeña

Caída habitual

Mayor caída posible

Frenado dinámico(la cuerda no se detiene en brusco)

Gastón Sánchez

Energía y rozamientos de cuerdaLa fricción que experimente la cuerda en su trazado (guiado) afectará ladistribución de la energía a lo largo de la Cadena Dinámica de Seguridad


Buena distribución y absorción de la energía

Gran desigualdad de distribución y pobre

absorción de la energía

Gastón Sánchez

Caídas sobre cuerdas estáticas


9 kN

5.7kN3.1kN

18 kN

11.8kN6.2kN

Cuerda Dinámica

Cuerda Estática

La FCh aumenta considerablemente cuando se usan cuerdas estáticas

Una caída de tan sólo 1.2 metros sobre cuerda estática (cinta ocordino) puede generar suficiente impacto para producir lesionesseveras e incluso MORTALES.

Gastón Sánchez

Aseguramiento: fuerzas de choqueComparación de fuerzas de choque creadas por una caída de ochometros con un factor de caída de 1.4

Dispositivo de freno FC sobre el seguro

Dinámico 5.6 kN

Autobloqueante 8.85 kN

Dispositivo de freno FC sobre el seguro

Dinámico 8.25 kN

Autobloqueante 14.35 kN

Cuerda con FC de 7kN

Cuerda con FC de 12kN


Aseguramiento Dinámico y Estático

Comparación entre aseguramiento estático y aseguramiento dinámico


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