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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
3Física en la escalada 1
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.
4Física en la escalada 1
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)
5Física en la escalada 1
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.
6Física en la escalada 1
Tirolina
=
Gastón Sánchez
FricciónFricción (rozamiento): dificultad o resistencia que oponen los cuerpospara que unos se deslicen sobre otros.
7Física en la escalada 1 Gastón Sánchez
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
8Física en la escalada 1
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
9Física en la escalada 1
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.
10Física en la escalada 1
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.
11Física en la escalada 1
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
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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
13Física en la escalada 1
Mayor Energía Potencial = m g H
Gastón Sánchez
Mayor Energía Cinética = ½ m v2
Mientras más dure una caída
Energía en una caída
14Física en la escalada 1 Gastón Sánchez
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
15Física en la escalada 1 Gastón Sánchez
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
16Física en la escalada 1
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
17Física en la escalada 1 Gastón Sánchez
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
18Física en la escalada 1
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
19Física en la escalada 1
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
20Física en la escalada 1
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.
21Física en la escalada 1
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
22Física en la escalada 1
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
23Física en la escalada 1
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.
24Física en la escalada 1 Gastón Sánchez
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
25Física en la escalada 1 Gastón Sánchez
Distribución de la energíaEn una caída la energía es transmitida a los elementos de la cadenadinámica de seguridad.
26Física en la escalada 1
¿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
27Física en la escalada 1
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
28Física en la escalada 1
Buena distribución y absorción de la energía
Gran desigualdad de distribución y pobre
absorción de la energía
Gastón Sánchez
Caídas sobre cuerdas estáticas
29Física en la escalada 1
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
30Física en la escalada 1 Gastón Sánchez
Aseguramiento Dinámico y Estático
Comparación entre aseguramiento estático y aseguramiento dinámico
31Física en la escalada 1 Gastón Sánchez