Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación bimestral de divulgación externa

NOTAS núm. 127, Noviembre-Diciembre 2010, artículo 1
Las bolsas de aire como dispositivos de seguridad pasiva en vehículos
FABELA Manuel, BLAKE Carlos,

Introducción

Colateral al avance y modernidad de los vehículos, que permiten circular con mayor velocidad combinado con el aumento de otras capacidades, la seguridad de los ocupantes es uno de los aspectos importantes que se consideran en su diseño y fabricación. Con esta premisa, los fabricantes han desarrollado diversos equipamientos, componentes o mecanismos orientados a mejorar las condiciones para preservar la vida del conductor y de los pasajeros. Uno de estos equipamientos es la bolsa de aire, que al igual que los cinturones de seguridad, es considerada como un sistema de seguridad pasiva.

El sistema de bolsa de aire (airbag) fue patentado por la firma Mercedes-Benz en 1971, después de haber invertido algunos años en su desarrollo, [1]. Esta bolsa se infla en fracciones de segundo gracias a un proceso pirotécnico, cuando el vehículo choca con un objeto sólido a una velocidad considerable. De esta manera, forma un colchón instantáneo para disminuir el contacto brusco de los ocupantes con los elementos del interior del vehículo. En su versatilidad, algunos vehículos cuentan con bolsas frontales, laterales, tipo cortina (para la cabeza) e incluso para las rodillas, aunque la principal se instala en el volante de dirección con el propósito de proteger al conductor.

El uso de dispositivos de este tipo es resultado del desarrollo y adaptación de diversas tecnologías, sustentadas por los estudios que se realizan en torno a las causas de accidentes viales. No obstante, ninguna aplicación introducida para mejorar la seguridad será efectiva si el usuario de un vehículo, conductor y/o pasajeros, no toma la iniciativa de proteger su vida.

El automóvil en movimiento

Las leyes físicas del movimiento

Bajo el rigor del cumplimiento de las leyes de la física, los objetos en movimiento poseen una característica denominada momentum, definida esencialmente como el producto de su masa por su velocidad. Además, a menos que una fuerza externa actúe sobre el objeto, éste no cambiará ni la velocidad ni el sentido de su movimiento actual. Los vehículos consisten de varios objetos, incluyendo a ellos mismos, objetos sueltos y, naturalmente, los ocupantes – conductor y pasajeros. Si los objetos no se fijan continuarán su movimiento a la velocidad que el vehículo se desplace aunque éste se detenga súbitamente, como en el caso de un choque, [2].

Para reducir y anular el momentum de un objeto es necesario aplicar una fuerza por un determinado periodo de tiempo. Cuando un vehículo colisiona, la fuerza para detenerlo es muy grande debido al cambio casi instantáneo de su momentum, mientras que los ocupantes mantienen la tendencia del movimiento original, con muy poco tiempo para actuar. En este sentido, se desarrollan y aplican dispositivos cuyo propósito sea el de detener al conductor y pasajeros e infringir el menor daño posible por esa detención, todo ello en menos de un segundo. Este segundo puede ser suficiente para detener gradualmente el movimiento del ocupante, aprovechando el espacio permisible entre el conductor y el volante de dirección, así como entre el tablero y el pasajero, [2]. Tal es el caso de los cinturones de seguridad y las denominadas bolsas de aire.

La seguridad en el automóvil

La seguridad vial consiste en todas aquellas acciones y factores involucrados en la prevención de accidentes o la atenuación de sus efectos, que incidan en la salud e integridad de las personas. El desarrollo de los esquemas de seguridad, con aplicaciones frecuentes en automóviles, ha conducido a establecer una clasificación de acuerdo a las características de operación. Así, desde la perspectiva de operación de un vehículo, son dos los tipos de seguridad: la seguridad activa y la seguridad pasiva. La diferencia entre ambos estriba en la temporalidad de su operación, es decir, para prevenir un accidente o para atenuar sus efectos una vez ocurrido.

En términos generales, la seguridad activa involucra el conjunto de mecanismos o dispositivos destinados a evitar o disminuir el riesgo de que se produzca un accidente. La seguridad activa asiste de manera permanente al conductor durante el movimiento del vehículo y sus alcances podrían enunciarse en la mejora de la estabilidad y de la visibilidad. Por un lado, participan aquellos componentes del vehículo que involucran el control de la respuesta de la fuente de potencia para producir el movimiento, el control de la dirección, la eficacia de los frenos, el sistema de soporte incluyendo llantas, amortiguadores y otros elementos de la suspensión. El refinamiento de algunos componentes permiten tener asistencia en el frenado, como los frenos antibloque (ABS, anti-lock brake system) y los de distribución del par de frenado (EBD, electronic brake distribution); o asistencia combinada a partir del desempeño al frenado y la tracción, como los sistemas de control de estabilidad (ESP, electronic stability program; ESC, electronic stability control; DSC, dynamic stability control), o de tracción (TCS, traction control system; ASR, anti-slip regulation; EDL, electronic differential lock), entre otros.

Por otro lado, participan también en la seguridad activa elementos, sistemas y componentes que pueden ocultar aparentemente los alcances de su función y que son destinados a ubicar y visualizar el entorno. En este grupo se considera el sistema de iluminación y uso de las luces, que permite ver y ser visto, así como los accesorios que facilitan la percepción visual alrededor del vehículo, como espejos retrovisores y de eliminación de puntos ciegos, sensores de proximidad y radares.

Respecto a la seguridad pasiva, su función principal es minimizar los daños que se pueden ocasionar a los ocupantes en caso de que se produzca un accidente, considerando además, en su caso, peatones, animales y accesorios viales con los que pueda colisionar un vehículo. Aunque en esta función participan variados elementos, los principales se engloban en la deformabilidad de algunas partes estructurales del vehículo para que absorban la energía en caso de impacto, cinturones de seguridad, cabeceras y bolsas de aire, entre los principales, Figura 1.

Figura 1. Algunos elementos de seguridad pasiva en el automóvil (tomada de la página www.circulaseguro.com)

De esta manera, en el chasis y la carrocería existen zonas que absorben la energía en caso de un impacto, ajustando además el desplazamiento del motor para que no se introduzca en el habitáculo, mientras que los cristales de parabrisas y ventanillas se fabrican de manera que no produzcan astillas que puedan dañara a los pasajeros. Complementariamente, algunas cabeceras de los asientos protegen frenando el movimiento del cuello para disminuir el efecto en los huesos cervicales, por lo que deben ajustarse conforme con la altura de la persona sentada.

Las bolsas de aire se diseñan para trabajar de manera conjunta con los cinturones de seguridad, por lo que además se considera un dispositivo suplementario. Su función es efectiva si el cinturón de seguridad se usa y opera adecuadamente, ya que la bolsa en sí puede ocasionar lesión por la rapidez y el mecanismo de inflado. Aunque no todos los vehículos están equipados con este sistema, se recomienda usar al menos el cinturón de seguridad, si el vehículo lo posee.

La bolsa de aire (Airbag)

Las bolsas de aire son conceptualizadas para brindar protección a los ocupantes en el interior de un vehículo cuando éste es sujeto a impacto, reforzando la protección ofrecida por el cinturón de seguridad. Fabricadas de una trama tejida de nylon como base, la bolsa plegada se coloca en el interior del volante para proteger al conductor y, en su caso, en el tablero para proteger al copiloto. La bolsa o las bolsas se activan en impactos frontales y oblicuos de hasta 30° respecto del eje longitudinal del vehículo, normalmente a velocidades mayores a 30 km/h que, como se observa en la Figura 2, evidencian el riesgo de sufrir lesiones graves en cabeza, cervicales y parte alta del tronco del ocupante del asiento, [3].

Figura 2. Bolsas de aire en operación (tomada de la página www.elperiodicodelmotor.com)

La bolsa se infla en unas cuantas milésimas de segundo después del choque, cuyo gas interno permite amortiguar el movimiento del cuerpo humano, absorbiendo su energía cinética. Un ejemplo de secuencia de inflado se muestra en la Figura 3, en el que la bolsa puede alcanzar su inflado operacional en alrededor de 30 a 50 milisegundos, que puede implicar una velocidad de inflado de más de 300 km/h. Con ello, se asegura que la bolsa esté completamente inflada antes de ser impactada por el cuerpo del ocupante. Posterior al impacto, la bolsa se desinfla también rápida y automáticamente gracias a unas perforaciones en la base de la bolsa, lo que le toma alrededor de 30 milisegundos. Por esta razón, la bolsa ya no es funcional en impactos posteriores.

Figura 3. Ejemplo de secuencia de inflado (tomada parcialmente de la página www.motorspain.com/tag/i-srs-airbag)

Componentes del sistema

Un sistema básico de bolsa de aire frontal consiste típicamente de tres partes principales: módulo de bolsa de aire, sensor de impacto y unidad de diagnóstico, [4]. Como todos estos componentes se energizan a través de la batería del vehículo, por seguridad el sistema puede mantener una carga de reserva por un breve periodo de tiempo, de 1 segundo a 10 minutos. Lo anterior contempla el caso de que, como consecuencia de un accidente, se desconecte o destruya la batería o se apague el sistema de encendido del vehículo, [5].

El módulo de la bolsa de aire contiene, a su vez, una unidad de inflado y una bolsa de aire plegada con una cubierta plástica para apertura rápida. El volumen de la bolsa inflada puede alcanzar alrededor de 60 litros, en un diámetro de poco más de 0,5 m, como es el caso de la bolsa del copiloto. Para el caso del conductor, la bolsa se coloca en el volante de dirección, mientras que para el pasajero se coloca en el tablero.

El sensor o detector de impacto puede localizarse en el frente del vehículo o en el habitáculo de pasajeros, pudiendo colocarse más de uno para una operación redundante. Estos sensores se activan comúnmente por una desaceleración repentina, diferente a la acción de frenado brusco, enviando una señal eléctrica que a su vez activa un elemento iniciador (comúnmente de ignición) de la unidad de inflado. Su diseño previene que la bolsa se active cuando el vehículo se desacelera o acelera con cierta brusquedad por la irregularidad del camino, como topes o baches o cuando se presenta una colisión menor.

La unidad de diagnóstico monitorea la funcionalidad del sistema, que se activa a la vez con el interruptor de encendido e inicia un autodiagnóstico del sistema. Si la unidad detecta un problema se alerta al conductor a través de una luz en el tablero, requiriéndose una revisión por un técnico especializado. La unidad de diagnóstico comúnmente contiene el dispositivo que almacena la energía para en caso de una interrupción con la fuente de energía del vehículo.

En algunos casos, los vehículos pueden contener también un interruptor manual de activación/desactivación de la bolsa de aire, principalmente para la del copiloto. La desactivación manual es recomendada en caso de que el pasajero tenga una condición médica que lo sitúe en un mayor nivel de riesgo o cuando se transporte un menor de 12 años como copiloto, así como para el caso del conductor cuando haya una distancia menor a 25 cm entre él y el volante de dirección, [4]. No obstante, es mayormente recomendable que un médico determine el uso o no de la bolsa para aquéllos en la primera condición, que los niños se transporten en el asiento posterior, para la segunda condición, y que se incremente el espacio entre conductor y volante cuando sea posible, para la tercera condición, [4].

Operación

Básicamente, el sistema de bolsa de aire por choque frontal se activa por la desaceleración súbita que se produce ante un impacto equivalente a golpear una barrera sólida a una velocidad aproximada de 20 km/h. Se estima que esta velocidad sería equivalente a golpear otro automóvil estacionado de tamaño similar, en choque frente-frente a poco más de 40 km/h, considerando que habría energía absorbida por deformación estructural y por desplazamiento del automóvil inicialmente estático. Sin embargo, es común que los choques se den de manera oblicua, por lo que las fuerzas de desaceleración no se distribuyen uniformemente en el frente del vehículo. Por tanto, la velocidad relativa entre dos vehículos, el que impacta y el impactado, puede ser mucho mayor en un choque real que el equivalente al choque con una barrera para que se active la bolsa de aire. Más aún, un vehículo puede impactarse contra un objeto diferente que se encuentre en su trayectoria y que active el sistema, tales como rocas, árboles, postes, defensas, barreras, animales de gran peso y otros, [4].

El parámetro físico que dispara la activación de la bolsa de aire es la desaceleración. Ante un impacto en las condiciones descritas anteriormente, el sensor de impacto detecta la desaceleración súbita que dispara una reacción de ignición extremadamente rápida de un gas propulsor en el módulo de inflado de la bolsa. El sensor de impacto envía una señal eléctrica a un elemento iniciador en el módulo de inflado que, similar a un foco incandescente, consiste de un alambre delgado que se calienta y activa la detonación del propulsor. El propulsor, un químico sólido -principalmente una sal de sodio (NaN3) en un compartimento propiamente sellado, reacciona rápidamente con un oxidante (que puede ser nitrato de potasio, KNO3) y libera gas nitrógeno que infla la bolsa, como se esquematiza en la Figura 4, [5]. En algunos casos se emplea gas argón, aprovechando la ventaja de gases no nocivos para la salud.

 Figura 4. Esquema de operación de la bolsa de aire para el conductor (tomada de la página www.madehow.com/Volume-1/Air-Bag.html)

Durante la expansión, el gas nitrógeno experimenta un proceso que disminuye su temperatura y elimina los residuos de la combustión. Así mismo, el interior de la bolsa está impregnado de talco en polvo o de almidón para facilitar el despliegue.

Una vez que la bolsa se ha inflado, inicia su proceso de desinflado a través de las perforaciones en la parte posterior de la bolsa. Durante el desinflado se libera polvo (del talco o del almidón) y eventualmente pequeñas cantidades de hidróxido de sodio que puede causar irritación leve a los ojos o heridas abiertas. Sin embargo, al exponerse al aire, el hidróxido de sodio se convierte rápidamente en bicarbonato de sodio. Dependiendo del tipo de sistema de la bolsa de aire, puede también haber un poco de cloruro de potasio, un sustituto de sal común, [4].

Posible daño por contacto

Las bolsas de aire deben ser infladas muy rápido para que sean efectivas, por lo que emergen del volante o del tablero a muy alta velocidad. Debido a la fuerza inicial, durante el proceso de inflado se puede ocasionar daños por contacto al ocupante, aunque éstos son comúnmente por abrasión o quemaduras menores. Por otro lado, aunque son raros, se pueden producir daños severos o la muerte cuando el ocupante está demasiado cerca del módulo de la bolsa cuando se infla. Esto principalmente puede ocurrir cuando los conductores no están propiamente ajustados a su asiento, debido al no uso o deficiente uso del cinturón de seguridad, que se deslizan hacia el frente o se colocan muy cerca del volante, [4].

A pesar de que la bolsa se infla prácticamente frente a la parte superior del cuerpo, existen pocos riesgos de asfixia, debido a que, una vez completamente inflada, la bolsa se desinfla rápidamente. Mayor riesgo se genera cuando el asiento delantero lo ocupan niños o personas menores, debido a dificultades para ofrecer una apropiada fijación de éstos al asiento, así como por la necesidad de uso de adaptadores, como equipos “portabebés” o sillas especiales que no se ajustan propiamente al peso y volumen del menor. En muchos países, las autoridades de seguridad en el transporte recomiendan mejor usar los asientos traseros para colocar niños y bebés, con cinturones de seguridad y sillas especiales debidamente colocadas.

Nuevas tecnologías

Desde sus inicios en los 70’s, las bolsas de aire, aplicadas a la seguridad vehicular, han evolucionado enormemente. A medida que se desarrollan nuevas tecnologías, las bolsas de aire van adquiriendo mayor complejidad en su operación y en su desempeño, con el único propósito de ser parte de la seguridad integral de los vehículos para resguardar al conductor y a los pasajeros. No obstante, las primeras bolsas de aire, infladas en una sola etapa, también causaron incidentes en su operación, ocasionando daños a los ocupantes y hasta la muerte en algunos casos. Eso ha dado lugar a que se dieran desarrollos de bolsas de etapa dual o más sofisticadas, en los que existe un mayor control con respecto al proceso de expansión, atendiendo a la velocidad y fuerza de inflado, acordes con la constitución física del ocupante, [6]. Además de los avances en materiales y mecanismos de inflado en las bolsas, las aplicaciones se han extendido con el uso de mayores puntos de colocación de bolsas que complementan las frontales, tales como las laterales y de cortina, como se indica en la Figura 5.

Figura 5. Versatilidad de las bolsas de aire en el automóvil (tomada de la página civichybrid.honda.com.au)

Los avances en la aplicación de las bolsas de aire son seriamente evaluados como dispositivos de seguridad, valiéndose de distintas técnicas teórico-numéricas y experimentales. Estas técnicas evalúan la efectividad de las bolsas, la exposición, la velocidad de despliegue y de desinflado, entre otros muchos parámetros. Tal es la aplicación de análisis dinámicos y de elementos finitos, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Simulación de dummy y bolsa de aire (tomada de la página www.directindustry.com/prod/esi-group)

Con respecto a la activación de las bolsas de aire, algunos vehículos poseen varios sensores de impacto que, de acuerdo a la severidad, forma y ocurrencia del choque, activan las bolsas de aire en distintas posiciones y con diferente intensidad en el inflado en varias etapas. También se prueban distintos propulsores, incluidos gases inocuos y otras sustancias que no afecten la salud de los ocupantes en caso de activarse.

Estos y otros avances han dado lugar a las denominadas “bolsas inteligentes”, que para tener un buen desempeño en cualquier circunstancia adaptan el proceso de detonación e inflado de acuerdo a las características del impacto. Estos sistemas recopilan información a través de un conjunto de sensores, de la cual se decide el despliegue para maximizar su eficacia ante cada impacto, reconociendo si el conductor maneja muy cerca del volante, si lleva ajustado el cinturón de seguridad, si lleva copiloto o si hay instalada una silla para niños. Algunos desarrollos avanzados incluyen un despliegue variable en función del tamaño, peso, posición y cercanía a la bolsa del conductor, pudiendo distinguir la naturaleza del impacto, ya sea frontal, lateral, o si se trata de una volcadura, [3].

Recomendaciones comunes

Conductores y pasajeros no pueden eludir las leyes del movimiento; por tanto, experimentarán las consecuencias de su propia cantidad de movimiento al desplazarse en un vehículo. Las bolsas de aire se diseñaron como complemento al cinturón de seguridad; en caso de impacto, la efectividad de las bolsas será mayor si se usa adecuadamente el cinturón. Si no se usa el cinturón de seguridad, la bolsa de aire podrá tener efectos contraproducentes al producirse contacto entre el ocupante y la bolsa cuando apenas se está inflando, lo que puede ocasionar lesiones graves o mortales.

Los niños, por complexión y peso comúnmente menores de 12 años, deben ser ubicados en el asiento trasero de un automóvil, con cinturones de seguridad propiamente ajustados y, en su caso, sillas especiales de seguridad. Si por alguna razón debiera viajar un niño en portabebé mirando hacia atrás en el asiento del copiloto, entonces se debe desactivar la bolsa de aire, ya que la distancia que queda entre el portabebé y la bolsa de aire es muy pequeña y en el despliegue puede presionarlo bruscamente contra el asiento.

Las bolsas de aire frontales se diseñan para desplegarse únicamente ante impactos frontales o ligeramente oblicuos de intensidad moderada a severa y no reducen el riesgo de daño ante choques laterales, traseros o por volcadura. Los cinturones de seguridad ayudan a reducir estos riesgos en muchos tipos de choques.

Los conductores, usando apropiadamente el cinturón de seguridad, deben ubicarse con al menos una distancia frontal de 25 cm entre el centro del volante de dirección y el centro de su pecho. Así como a los pasajeros, los cinturones ayudan a mantener al conductor en una posición que maximiza la efectividad de la bolsa de aire.

Ante un evento de colisión, las bolsas de aire se despliegan una sola vez. Los cinturones de seguridad ayudan en la restricción de movimiento de los ocupantes durante el impacto inicial y otros subsecuentes, si éstos se presentan, en caso de que el vehículo golpee contra otros objetos.

No obstante los avances tecnológicos en materia de seguridad aplicados a las bolsas de aire, su utilidad y efectividad son limitadas si, a la par, no se desarrolla una mayor conciencia y responsabilidad por parte de los usuarios de vehículos. Sin la moderación de la conducta al conducir no es posible lograr un buen resultado; la seguridad en carretera empieza con uno mismo y si el automóvil que se usa cuenta con algún sistema de seguridad adicional, mucho mejor. Esta parte de la cultura de la conducción debe ser respaldada por la aplicación de normas de transporte sustentadas en criterios de seguridad.

Referencias

1.Bolsa de aire. Página web http://es.wikipedia.org/wiki/Bolsa_de_aire, consultada en mayo de 2010.

2.How airbag works. Webpage http://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/airbag.htm. Consultada en junio de 2010.

3.Seguridad pasiva. Elementos básicos - Mecánica automotriz. Página web http://www.todomecanica.com/seguridad-pasiva-componentes-basicos.html, consultada en junio de 2010.

4.ACTS. What you need to know about air bags. Automotive Coalition for Traffic Safety, Inc. (ACTS) in cooperation with National Highway Traffic safety Administration (NHTSA). March 2004.

5.How air bag is made. Webpage http://.html How products are made, Volume 1 – Airbag. Consultada en junio de 2010.

6.Geiger, J. The Evolution of the Airbag. Consumer Guide Automotive. Disponible en la página web http://consumerguideauto.howstuffworks.com/the-evolution-of-the-airbag-cga.htm Consultado en junio de 2010.

FABELA Manuel
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BLAKE Carlos
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