A33 Falhas por fadiga cíclica

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A asa do inseto é talvez a estrutura mais suscetível à fadiga cíclica: a fadiga cíclica é o acúmulo de danos em um material que ocorre sob cargas repetidas, mesmo que cada carga individual esteja bem abaixo da resistência à tração do material. A asa do inseto experimenta milhões desses ciclos de flexão ao longo de sua vida — uma mosca que vive apenas trinta dias, batendo as asas a duzentos ciclos por segundo, acumula cerca de quinhentos milhões de ciclos de flexão antes de morrer.

A relação entre a quantidade de tensão que o material suporta em cada ciclo e quantos ciclos de fadiga ele pode tolerar antes de falhar é descrita pela curva de Wöhler: quanto maior a amplitude da tensão aplicada em cada ciclo de flexão da asa, menos ciclos o material pode tolerar antes de falhar devido à fadiga.

No entanto, a asa de um inseto quase nunca bate com uma amplitude de tensão constante ciclo após ciclo. Em vez disso, a carga de voo real varia constantemente dependendo da velocidade e das manobras do inseto. A regra de Miner permite estimar com precisão o dano acumulado na asa neste caso, somando a contribuição do dano de cada ciclo separadamente, mesmo que cada ciclo tenha uma amplitude de tensão diferente do anterior.

Além da amplitude de cada ciclo, outro fator afeta o dano acumulado na asa: a tensão média em torno da qual cada ciclo de carga oscila. O diagrama de Goodman corrige o efeito dessa tensão média na vida útil da asa à fadiga: quanto mais trativa for a tensão média à qual a asa é submetida, menor será sua vida útil à fadiga.

Dentro da asa, as juntas são onde esse dano é mais concentrado: qualquer entalhe agudo em uma junta concentra a tensão tão intensamente que a tensão real que o material suporta naquele ponto pode ser de três a cinco vezes maior do que a tensão nominal que seria calculada sem considerar essa concentração. Essa tensão amplificada reduz drasticamente a vida útil da junta à fadiga porque — de acordo com a mesma curva de Wöhler — uma tensão mais alta sempre implica em menos ciclos toleráveis ​​antes da falha.

Diante desse risco concentrado nas articulações das asas, as asas dos insetos desenvolveram microestruturas únicas nessas articulações que distribuem o dano em vez de concentrá-lo em um único ponto, e que também impedem a propagação de qualquer fissura que comece a se formar ali. Graças a essas microestruturas, a asa do inseto consegue suportar as centenas de milhões de ciclos de flexão exigidos por sua vida útil, embora cada articulação individual, sem essa defesa, fosse o ponto mais frágil de toda a asa.

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