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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo D3.3 - Análisis de Fractografía en Exoesqueleto
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:2149
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Secuencia fractográfica
Reconstruye la propagación desde las zonas espejo, niebla y hackle.
Grupo 2: Grupo 2: Niebla y tenacidad
Relaciona radio de niebla, energía de fractura y estimación de tenacidad.
Grupo 3: Grupo 3: Griffith-Irwin
Estima tenacidad desde longitud crítica de grieta y tensión de fractura.
Grupo 4: Grupo 4: Rayleigh y Yoffe
Fija el límite cinemático de la grieta y la bifurcación cercana al límite.
Grupo 5: Grupo 5: Energía de bifurcación
Cuantifica superficie adicional, disipación y protección frente a propagación catastrófica.
Grupo 6: Grupo 6: Laminación y arresto
Conecta rotación de quitina, interfaces, cambio de plano y energía adicional.
Grupo 7: Grupo 7: Fragilidad efectiva
Integra rigidez, tenacidad y energías de tenacificación en una escala de longitud.
ID:1220
Grupo 1: Grupo 1: Secuencia fractográfica
Descripción
Reconstruye la propagación desde las zonas espejo, niebla y hackle.
Pregunta clave: ¿Cómo opera secuencia fractográfica?
Reconstruye la propagación desde las zonas espejo, niebla y hackle. Sobre la cutícula del exoesqueleto, esa fractura deja tres zonas bien diferenciadas que se suceden una tras otra a medida que la grieta avanza: cerca del origen de la grieta aparece una zona espejo, lisa y brillante, que corresponde a una propagación todavía estable; más lejos del origen aparece una zona de niebla, algo más rugosa, en la que la grieta empieza a bifurcarse en microgrietas secundarias; y más lejos todavía aparece una zona rugosa e irregular, conocida como zona de hackle, en la que la velocidad de avance tan alta de la grieta hace que la superficie de fractura quede mucho más irregular que en las zonas anteriores, correspondiendo ya a una propagación completamente inestable. El tamaño de esa zona de niebla no es arbitrario: cuanto menor es la energía que hace falta invertir para fracturar el material, mayor resulta el radio de esa zona de niebla, una relación que hace que sea posible estimar la tenacidad a la fractura de la cutícula sin necesidad de preparar de antemano una probeta con una grieta inicial ya practicada, algo que sí exige el método clásico de Griffith e Irwin, que en cambio obtiene esa misma tenacidad a partir de la longitud que tenía la grieta justo en el instante de la fractura y de la tensión de tracción que se alcanzó en ese mismo instante. En la cutícula laminada, que apila capas sucesivas con la orientación de sus fibras de quitina rotada de una lámina a la siguiente, las interfaces entre esas láminas actúan como auténticas trampas para la grieta: al llegar a una de esas interfaces, la grieta se ve obligada a cambiar de plano de propagación para poder seguir avanzando, y ese cambio de plano hace que haga falta invertir una energía adicional en cada interfaz, energía que se suma a la que ya exige simplemente crear la superficie de fractura.
ID:5737
Grupo 2: Grupo 2: Niebla y tenacidad
Descripción
Relaciona radio de niebla, energía de fractura y estimación de tenacidad.
Pregunta clave: ¿Cómo opera niebla y tenacidad?
Relaciona radio de niebla, energía de fractura y estimación de tenacidad. El tamaño de esa zona de niebla no es arbitrario: cuanto menor es la energía que hace falta invertir para fracturar el material, mayor resulta el radio de esa zona de niebla, una relación que hace que sea posible estimar la tenacidad a la fractura de la cutícula sin necesidad de preparar de antemano una probeta con una grieta inicial ya practicada, algo que sí exige el método clásico de Griffith e Irwin, que en cambio obtiene esa misma tenacidad a partir de la longitud que tenía la grieta justo en el instante de la fractura y de la tensión de tracción que se alcanzó en ese mismo instante. Todas estas magnitudes de la fractura de la cutícula —la tenacidad, la rigidez del material y la energía que exige cada mecanismo de bifurcación o de arresto— quedan finalmente resumidas en un único índice de fragilidad, que combina la tenacidad y la rigidez del material en una sola escala de longitud característica: cuanto menor es ese índice de fragilidad, más frágil resulta el material, y este índice hace que sea posible situar a la cutícula del exoesqueleto, según la región y el tipo de fractura que se esté analizando, en algún punto concreto de la transición entre un comportamiento frágil y uno dúctil.
ID:5738
Grupo 3: Grupo 3: Griffith-Irwin
Descripción
Estima tenacidad desde longitud crítica de grieta y tensión de fractura.
Pregunta clave: ¿Cómo opera griffith-irwin?
Estima tenacidad desde longitud crítica de grieta y tensión de fractura. El tamaño de esa zona de niebla no es arbitrario: cuanto menor es la energía que hace falta invertir para fracturar el material, mayor resulta el radio de esa zona de niebla, una relación que hace que sea posible estimar la tenacidad a la fractura de la cutícula sin necesidad de preparar de antemano una probeta con una grieta inicial ya practicada, algo que sí exige el método clásico de Griffith e Irwin, que en cambio obtiene esa misma tenacidad a partir de la longitud que tenía la grieta justo en el instante de la fractura y de la tensión de tracción que se alcanzó en ese mismo instante. Todas estas magnitudes de la fractura de la cutícula —la tenacidad, la rigidez del material y la energía que exige cada mecanismo de bifurcación o de arresto— quedan finalmente resumidas en un único índice de fragilidad, que combina la tenacidad y la rigidez del material en una sola escala de longitud característica: cuanto menor es ese índice de fragilidad, más frágil resulta el material, y este índice hace que sea posible situar a la cutícula del exoesqueleto, según la región y el tipo de fractura que se esté analizando, en algún punto concreto de la transición entre un comportamiento frágil y uno dúctil.
ID:5739
Grupo 4: Grupo 4: Rayleigh y Yoffe
Descripción
Fija el límite cinemático de la grieta y la bifurcación cercana al límite.
Pregunta clave: ¿Cómo opera rayleigh y yoffe?
Fija el límite cinemático de la grieta y la bifurcación cercana al límite. Además de esa información sobre el tamaño de las zonas, la propia grieta que avanza por la cutícula tiene un límite físico de velocidad: no puede propagarse más rápido que, aproximadamente, el noventa y dos por ciento de la velocidad de las ondas de Rayleigh del material, esa misma velocidad que depende del módulo de cizalla y de la densidad del material por el que viaja la onda; en cuanto la grieta se acerca a ese límite de velocidad, el criterio de Yoffe hace que la grieta deje de avanzar en línea recta y se bifurque en dos ramas que se abren, cada una, con un ángulo de aproximadamente sesenta grados respecto a la dirección original de avance. Sobre la cutícula del exoesqueleto, esa fractura deja tres zonas bien diferenciadas que se suceden una tras otra a medida que la grieta avanza: cerca del origen de la grieta aparece una zona espejo, lisa y brillante, que corresponde a una propagación todavía estable; más lejos del origen aparece una zona de niebla, algo más rugosa, en la que la grieta empieza a bifurcarse en microgrietas secundarias; y más lejos todavía aparece una zona rugosa e irregular, conocida como zona de hackle, en la que la velocidad de avance tan alta de la grieta hace que la superficie de fractura quede mucho más irregular que en las zonas anteriores, correspondiendo ya a una propagación completamente inestable.
ID:5740
Grupo 5: Grupo 5: Energía de bifurcación
Descripción
Cuantifica superficie adicional, disipación y protección frente a propagación catastrófica.
Pregunta clave: ¿Cómo opera energía de bifurcación?
Cuantifica superficie adicional, disipación y protección frente a propagación catastrófica. Esa bifurcación de la grieta no es un simple efecto secundario: hace que se tenga que invertir energía adicional en crear las dos nuevas superficies de fractura que se abren en cada rama, y esa disipación extra de energía es precisamente el mecanismo clave que usan los materiales biológicos, entre ellos la cutícula del insecto, para evitar que una grieta termine propagándose de forma catastrófica a través de toda la estructura. En la cutícula laminada, que apila capas sucesivas con la orientación de sus fibras de quitina rotada de una lámina a la siguiente, las interfaces entre esas láminas actúan como auténticas trampas para la grieta: al llegar a una de esas interfaces, la grieta se ve obligada a cambiar de plano de propagación para poder seguir avanzando, y ese cambio de plano hace que haga falta invertir una energía adicional en cada interfaz, energía que se suma a la que ya exige simplemente crear la superficie de fractura. Todas estas magnitudes de la fractura de la cutícula —la tenacidad, la rigidez del material y la energía que exige cada mecanismo de bifurcación o de arresto— quedan finalmente resumidas en un único índice de fragilidad, que combina la tenacidad y la rigidez del material en una sola escala de longitud característica: cuanto menor es ese índice de fragilidad, más frágil resulta el material, y este índice hace que sea posible situar a la cutícula del exoesqueleto, según la región y el tipo de fractura que se esté analizando, en algún punto concreto de la transición entre un comportamiento frágil y uno dúctil.
ID:5741
Grupo 6: Grupo 6: Laminación y arresto
Descripción
Conecta rotación de quitina, interfaces, cambio de plano y energía adicional.
Pregunta clave: ¿Cómo opera laminación y arresto?
Conecta rotación de quitina, interfaces, cambio de plano y energía adicional. En la cutícula laminada, que apila capas sucesivas con la orientación de sus fibras de quitina rotada de una lámina a la siguiente, las interfaces entre esas láminas actúan como auténticas trampas para la grieta: al llegar a una de esas interfaces, la grieta se ve obligada a cambiar de plano de propagación para poder seguir avanzando, y ese cambio de plano hace que haga falta invertir una energía adicional en cada interfaz, energía que se suma a la que ya exige simplemente crear la superficie de fractura. Todas estas magnitudes de la fractura de la cutícula —la tenacidad, la rigidez del material y la energía que exige cada mecanismo de bifurcación o de arresto— quedan finalmente resumidas en un único índice de fragilidad, que combina la tenacidad y la rigidez del material en una sola escala de longitud característica: cuanto menor es ese índice de fragilidad, más frágil resulta el material, y este índice hace que sea posible situar a la cutícula del exoesqueleto, según la región y el tipo de fractura que se esté analizando, en algún punto concreto de la transición entre un comportamiento frágil y uno dúctil.
ID:5742
Grupo 7: Grupo 7: Fragilidad efectiva
Descripción
Integra rigidez, tenacidad y energías de tenacificación en una escala de longitud.
Pregunta clave: ¿Cómo opera fragilidad efectiva?
Integra rigidez, tenacidad y energías de tenacificación en una escala de longitud. Todas estas magnitudes de la fractura de la cutícula —la tenacidad, la rigidez del material y la energía que exige cada mecanismo de bifurcación o de arresto— quedan finalmente resumidas en un único índice de fragilidad, que combina la tenacidad y la rigidez del material en una sola escala de longitud característica: cuanto menor es ese índice de fragilidad, más frágil resulta el material, y este índice hace que sea posible situar a la cutícula del exoesqueleto, según la región y el tipo de fractura que se esté analizando, en algún punto concreto de la transición entre un comportamiento frágil y uno dúctil.
ID:5743