{"id":1283,"date":"2021-07-16T10:13:02","date_gmt":"2021-07-16T09:13:02","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/?p=1283"},"modified":"2021-07-16T10:13:02","modified_gmt":"2021-07-16T09:13:02","slug":"explosiones-su-fisica-y-la-seguridad","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/2021\/07\/16\/explosiones-su-fisica-y-la-seguridad\/","title":{"rendered":"Explosiones, su f\u00edsica y la seguridad."},"content":{"rendered":"\n

[Actualizado el 12 de noviembre de 2021. Las actualizaciones est\u00e1n de este color.]<\/span><\/p>\n\n\n\n

Generalmente suelo hablar aqu\u00ed de art\u00edculos que hacen avanzar la ciencia en alg\u00fan aspecto que me interesa, pero el art\u00edculo que quiero resumir hoy trata s\u00f3lo de unir el conocimiento en una revisi\u00f3n corta sobre dos cosas que me fascinan: explosiones de gases y la seguridad.<\/p>\n\n\n\n

No se hasta que punto somos conscientes de la cantidad enorme de gases explosivos que rodean las actual civilizaci\u00f3n humana: desde gasolinas hasta alcoholes, que dejamos que se evaporen tranquilamente. El problema es que a veces esos vapores se concentran y provocan explosiones accidentales que pueden ser muy graves. El art\u00edculo que reviso habla precisamente de eso, de esas explosiones haciendo un recorrido hist\u00f3rico para luego centrarse en la f\u00edsica de esas mismas explosiones.<\/p>\n\n\n\n

Empieza haciendo un recorrido hist\u00f3rico de las explosiones de gas antes del a\u00f1o 1920, donde como nota escatol\u00f3gica explica que un riesgo relativamente com\u00fan en la antigua roma al ir a las letrinas era acabar con el culo chamuscado(1). Yendo a cosas m\u00e1s serias, aunque un culo chamuscado es algo serio, explica que los mayores riesgos se daban en la minas. Por eso hay varias fuentes que hablan del peligro de explosiones en las minas, explicando que las primeras l\u00e1mparas de seguridad para ser usadas en las minas de carb\u00f3n se desarrollaron como respuesta a un accidente en el que murieron 92 personas por una explosi\u00f3n de metano. Como sigue explicando, y con el desarrollo de barcos de vapor, las explosiones de los mismos debido a vapores inflamables empezaron a aparecer. El art\u00edculo cita dos casos, uno de ellos el primer viaje de un barco a vapor que explot\u00f3 s\u00fabitamente, con investigadores citados en el art\u00edculo explicando que la causa m\u00e1s probable era el almacenamiento de aguarr\u00e1s o aceite de trementina en una sala caliente, cerca del motor del barco. Continua explicando como \u00e9ste y otros accidentes sobre la misma \u00e9poca, mediados y finales del s. XIX, llevaron a la formaci\u00f3n de una ley de manejo de sustancias peligrosas en gran Breta\u00f1a en 1875.<\/p>\n\n\n\n

Una secci\u00f3n posterior se centra en la explosi\u00f3n de 1920 de una barcaza del transporte de petr\u00f3leo llamada Warwick<\/em> donde murieron siete personas, entre ellas el abuelo del autor, el hermano del abuelo y su cu\u00f1ado(2). <\/p>\n\n\n\n

Se puede observar la fuerza de la explosi\u00f3n en las fotos siguientes, donde se ven tanto el dise\u00f1o del barco como lo que qued\u00f3 de \u00e9l.<\/p>\n\n\n\n

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Arriba, plano del barco y sus bodegas. Abajo, estado en el que qued\u00f3 el barco tras la explosi\u00f3n. De la fig. 1<\/span> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Despu\u00e9s de transportar cerca de 191.000 Litros de petr\u00f3leo, el barco necesitaba una reparaci\u00f3n. Primero hubo que limpiarlo cuidadosamente, porque la reparaci\u00f3n inclu\u00eda soldaduras y ya se sab\u00eda que el petr\u00f3leo y las soldaduras implicaban explosiones. As\u00ed pues, lo limpiaron primero con trapos de algod\u00f3n y luego con vapor de agua aplicado a las paredes. Y el mismo d\u00eda, lo llevaron a arreglar las tapas del sistema, con los dep\u00f3sitos a\u00fan calientes y llenos de vapor de agua mezclado con gases explosivos. Cuando la llama del soplete alcanz\u00f3 el interior del dep\u00f3sito, explot\u00f3 inmediatamente.<\/p>\n\n\n\n

En otras ocasiones hab\u00edan hecho el mismo tipo de operaci\u00f3n, pero dejando que el barco se ventilara durante algunos d\u00edas por casualidad. Por la misma casualidad, ese d\u00eda no se hizo y siete personas murieron. Simult\u00e1neamente en Gran Breta\u00f1a y otros pa\u00edses se introdujeron nuevas regulaciones y sistemas de seguridad, pero las explosiones y accidentes continuaron sucediendo. Uno de los \u00faltimos accidentes que nombra es el de la plataforma petrol\u00edfera Deepwater Horizon<\/em>, que produjo una de los peores derrames de petr\u00f3leo que se recuerda. La causa del mismo estaba en una explosi\u00f3n de gas inflamable que entr\u00f3 en contacto con los generadores diesel del barco.<\/p>\n\n\n\n

Tras esta introducci\u00f3n hist\u00f3rica, comienza con la descripci\u00f3n del fen\u00f3meno f\u00edsico en otra secci\u00f3n. Dice que una explosi\u00f3n es un fen\u00f3meno en el que el volumen del cuerpo se incrementa r\u00e1pidamente, con ondas de presi\u00f3n asociadas por el movimiento del aire. \u00c9stas ondas son las que provocan el sonido de las explosiones, tan caracter\u00edstico. El origen de la explosi\u00f3n pueden ser varias cosas, pero es siempre la deposici\u00f3n de una gran cantidad de energ\u00eda en un tiempo muy corto. Una de las mejores maneras de lograr esto es con la combusti\u00f3n de un gas o sustancia similar, por eso los accidentes con explosiones de gases combustibles son tan comunes.<\/p>\n\n\n\n

Explica que las primeras investigaciones sobre el tema se desarrollaron en Francia en 1880, para acabar con el desarrollo de criterios sobre cu\u00e1ndo un gas combustible explotar\u00eda s\u00f3lo, usando dos posibilidades seg\u00fan que fen\u00f3meno domine la din\u00e1mica, el movimiento del fluido: la convecci\u00f3n, donde los fluidos est\u00e9n bien mezclados, y fluidos donde la conducci\u00f3n, el transporte de calor, es dominante. El problema es que la mayor\u00eda de los casos son una mezcla de ambos factores.<\/p>\n\n\n\n

El art\u00edculo comenta que en paralelo al desarrollo de estos modelos e ideas, tambi\u00e9n se desarrollaron las ecuaciones que gobiernan el movimiento de los fluidos, de tal forma que desde los a\u00f1os 50 se pueden resolver num\u00e9ricamente las mismas usando t\u00e9cnicas de simulaci\u00f3n o resoluci\u00f3n de ecuaciones de fluidos por ordenador(3). Con ellas, los tres procesos f\u00edsicos fundamentales para entender estas explosiones, la din\u00e1mica de fluidos (c\u00f3mo se mueven), la termodin\u00e1mica (c\u00f3mo intercambian energ\u00eda) y las reacciones qu\u00edmicas (c\u00f3mo cambian unos compuestos en otros) pueden combinarse y resolverse en un ordenador. Pero el problema es que las escalas temporales y espaciales de estos tres procesos son muy distintas, lo que implica que introducirlo en un ordenador y hacerlo es un proceso muy complicado que no siempre es posible.<\/p>\n\n\n\n

Por otra parte, trabajos posteriores distinguieron dos tipos fundamentales de explosiones: fuertes y d\u00e9biles. Las fuertes son aquellas en las que un s\u00f3lo punto tiene tal concentraci\u00f3n de energ\u00eda que inicia la explosi\u00f3n y por lo tanto, el frente de onda que la misma produce. Las explosiones d\u00e9biles, por el contrario, tienen varias fuentes puntuales que terminan uni\u00e9ndose en un s\u00f3lo frente(4).<\/p>\n\n\n\n

Partiendo de los tres fen\u00f3menos que son importantes en la explosi\u00f3n, trabajos te\u00f3ricos pudieron delimitar los par\u00e1metros de los que depende que una mezcla gaseosa haga explosi\u00f3n o no: el tiempo que tarda la reacci\u00f3n qu\u00edmica en calentar el fluido hasta la ignici\u00f3n, el tiempo necesario para la conducci\u00f3n t\u00e9rmica y el tiempo necesario para la convecci\u00f3n material del fluido. Sus resultados se pueden resumir seg\u00fan la figura siguiente, donde en funci\u00f3n del n\u00famero adimensional de Rayleigh(5) se observan explosiones o no.<\/p>\n\n\n\n

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Diagrama adimensional que especifica si se produce o no explosi\u00f3n en funci\u00f3n de las escalas adimensionales y el n\u00famero de Rayleigh. Los puntos negros indican simulaciones que no generaron explosiones y los c\u00edrculos, que s\u00ed. De la figura 1<\/span> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Tras continuar estudiando y modelando el fen\u00f3meno, seg\u00fan cuenta el autor, los mismos autores que hicieron el modelo previo a\u00f1adieron un cuarto factor al mismo: la velocidad de la reacci\u00f3n qu\u00edmica en transformar el reactivo en los productos finales. Es decir, la velocidad a la que se consume el generador de la explosi\u00f3n tambi\u00e9n es un factor importante. As\u00ed, el equivalente a la gr\u00e1fica bidimensional anterior es una nueva gr\u00e1fica tridimensional que separa las regiones donde las escalas temporales permiten la explosi\u00f3n de las que no.<\/p>\n\n\n\n

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El diagrama donde se observa la superficie que separa las regiones con explosiones de las que no tienen. Los ejes son relaciones entre escalas temporales: \u03c4<\/em>H<\/em><\/sub>\/\u03c4<\/em>C<\/em><\/sub>, \u03c4<\/em>H<\/em><\/sub>\/\u03c4<\/em>D<\/em><\/sub> y \u03c4<\/em>H<\/em><\/sub>\/\u03c4<\/em>R<\/em><\/sub> para un recipiente esf\u00e9rico y cerrado. \u03c4<\/em>H<\/em><\/sub> es la escala temporal del calentamiento por reacci\u00f3n qu\u00edmica, \u03c4<\/em>C<\/em><\/sub> la escala de la convecci\u00f3n, \u03c4<\/em>D<\/em><\/sub> la escala de la difusi\u00f3n y finalmente \u03c4<\/em>R<\/em><\/sub> la escala temporal de la reacci\u00f3n qu\u00edmica. Adaptado de la figura 3<\/span> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Como indica el art\u00edculo, es notable que esta gr\u00e1fica unifica fen\u00f3menos que parecen separados: la \u00fanica diferencia entre una reacci\u00f3n exot\u00e9rmica que caliente el gas y una que provoque su explosi\u00f3n es las relaciones entre sus escalas temporales, pero la misma descripci\u00f3n termo-cin\u00e9tica se puede aplicar.<\/p>\n\n\n\n

Para finalizar la secci\u00f3n, el autor destaca que la revisi\u00f3n y teor\u00edas que present\u00f3 pasan por alto uno algunos fen\u00f3menos muy interesantes, como la transici\u00f3n de deflagraci\u00f3n a explosi\u00f3n en un gas y la onda de choque que se produce(6), remitiendo al lector a revisiones reciente de esos temas, antes de comentar una relaci\u00f3n entre las explosiones que acaba de revisar y otros fen\u00f3menos que parecen muy alejados: las explosiones de estrellas.<\/p>\n\n\n\n

Comenta que la distinci\u00f3n fundamental entre una deflagraci\u00f3n y una explosi\u00f3n es la velocidad de propagaci\u00f3n de la onda sonora. En una deflagraci\u00f3n, esa onda se propaga a menor velocidad que el sonido, y en una explosi\u00f3n, a mayor velocidad, siendo por lo tanto lo que se llama una onda de choque. En un art\u00edculo citado en esta revisi\u00f3n se demuestra que una combusti\u00f3n termonuclear en una estrella es cualitativamente similar a una onda de combusti\u00f3n qu\u00edmica, una deflagraci\u00f3n. Esto es as\u00ed porque los mecanismos f\u00edsicos que controlan ambos fen\u00f3menos son los mismos y no les importa demasiado detalles sobre la ecuaci\u00f3n de estado u otros par\u00e1metros relevantes.<\/p>\n\n\n\n

Termina el art\u00edculo con una secci\u00f3n un tanto pesimista, pero realista. Explica que gracias al avance en el conocimiento de las razones de las explosiones y como evitarlas, a lo largo del siglo XX se han desarrollado sistemas que permiten transportar l\u00edquidos inflamables sin grandes riesgos, mediante la inertizaci\u00f3n de la atm\u00f3sfera donde est\u00e1 el l\u00edquido. Es decir, eliminando el ox\u00edgeno de esa atm\u00f3sfera, es posible retardar la combusti\u00f3n hasta que no pueda ser explosiva. La pregunta entonces es porqu\u00e9 no est\u00e1n m\u00e1s generalizados estos m\u00e9todos de seguridad en barcos, si en otras infraestructuras donde un incendio no es deseable se emplean sin problemas.<\/s> De hecho, se puede comprobar que el n\u00famero de accidentes de barcos en general y de v\u00edctimas en accidentes en barcos han disminuido con el tiempo, incluyendo todo tipo de barcos de carga, no s\u00f3lo los que gaseros. La figura siguiente, del documento \u00abAnnual Overview of Marine Casualties and Incidents\u00bb de la Agencia europea de Seguridad Mar\u00edtima(7) lo deja claro:<\/span><\/p>\n\n\n\n

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N\u00famero de muertes por tipo de barco y a\u00f1o recientemente. Excepto para el a\u00f1o 2015, el n\u00famero de v\u00edctimas (afortunadamente) tiene una tendencia a la baja.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Cita por ejemplo archivos, subestaciones el\u00e9ctricas, incluso coches de carreras. La respuesta es muy triste: porque a los due\u00f1os de los barcos les resulta m\u00e1s barato pagar las indemnizaciones y usando el dinero que el seguro les paga en caso de accidente, comprar un barco nuevo<\/s>.<\/p>\n\n\n\n

Lo que escrib\u00ed cuando publiqu\u00e9 esta entrada no es verdad. M\u00e1s bien hay un fuerte inter\u00e9s en evitar los accidentes, y las cifras demuestran que tanto su n\u00famero como su gravedad descienden con el tiempo, a pesar de los problemas que hay en cuanto a banderas de buques, etc.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Concluye esta secci\u00f3n y el art\u00edculo comentando si la labor del cient\u00edfico deber\u00eda incluir aspectos sociales sobre la investigaci\u00f3n que realiza diciendo, y estoy de acuerdo, en que un cient\u00edfico tiene que pensar en los aspectos sociales del trabajo que hace, y como esos aspectos deber\u00edan o podr\u00edan ser insertados en la sociedad. A fin de cuentas, la persona que hace ciencia vive con otras personas en una sociedad.<\/p>\n\n\n\n

El art\u00edculo se public\u00f3 en la revista Physics of Fluids, en el vol. 33: Thermo-kinetic explosions: Safety first or safety last?<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Notas:<\/h4>\n\n\n\n

(1) La expresi\u00f3n que emplea es \u00absinged bottom\u00bb, que traduzco como culo chamuscado.<\/p>\n\n\n\n

(2) Est\u00e1 claro que el autor del art\u00edculo tiene un inter\u00e9s personal en la seguridad y las explosiones de vol\u00e1tiles.<\/p>\n\n\n\n

(3) En ingl\u00e9s se suelen llamar estas t\u00e9cnicas CFD: Computational Fluid Dynamics.<\/em><\/p>\n\n\n\n

(4) Seg\u00fan explican en el art\u00edculo, un tipo de explosi\u00f3n d\u00e9bil muy buscada es la que se produce en los motores de los coches, camiones y dem\u00e1s, que mueven el pist\u00f3n debido a una explosi\u00f3n del combustible que empuja los pistones.<\/p>\n\n\n\n

(5) El n\u00famero de Rayleigh es un par\u00e1metro adimensional que especifica qu\u00e9 es m\u00e1s importante en la transferencia de calor de un fluido, si la conducci\u00f3n de energ\u00eda o la convecci\u00f3n de masa del fluido. Una muy buena definici\u00f3n esa en la Wikipedia en espa\u00f1ol: Wiki:Rayleigh<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(6) El autor, po\u00e9ticamente, llama a esta onda de choque \u00abbang\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

(7) <\/span>El enlace del documento: Revisi\u00f3n de la EMSA 2020<\/a>.<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

[Actualizado el 12 de noviembre de 2021. Las actualizaciones est\u00e1n de este color.] Generalmente suelo hablar aqu\u00ed de art\u00edculos que hacen avanzar la ciencia en alg\u00fan aspecto que me interesa, pero el art\u00edculo que quiero resumir hoy trata s\u00f3lo de unir el conocimiento en una revisi\u00f3n corta sobre dos cosas que me fascinan: explosiones de … Continuar leyendo \u00abExplosiones, su f\u00edsica y la seguridad.\u00bb<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":378,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[2],"tags":[32,57],"class_list":["post-1283","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-articulo-interesantes","tag-ingenieria","tag-seguridad"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1283","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/users\/378"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1283"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1283\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1283"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1283"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1283"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}