La seguridad vehicular es uno de los pilares fundamentales en el desarrollo y regulación de la industria automotriz. Cada año, millones de vehículos se someten a pruebas rigurosas pensadas para asegurar que, en caso de accidente, los ocupantes estén lo más protegidos posible. Uno de los aspectos más críticos y complejos a analizar en estas pruebas es el movimiento de la cabeza durante un choque, especialmente en impactos frontales a alta velocidad. Comprender este movimiento no solo ayuda a mejorar el diseño de los sistemas de seguridad pasiva, como cinturones y airbags, sino que es clave para desarrollar dispositivos y normativas que reduzcan el riesgo de lesiones graves o letales en la cabeza y el cuello. La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de los Estados Unidos (NHTSA) juega un rol crucial en este campo, al realizar pruebas de choque estandarizadas que evalúan el comportamiento del vehículo y sus ocupantes frente a situaciones extremas.
Entre estas pruebas destaca la denominada prueba de impacto frontal contra una barrera rígida a 35 millas por hora. Este ensayo consiste en impulsar un vehículo para que choque de frente a una barrera que cubre el ancho del automóvil, simulando un accidente real en condiciones controladas. Durante estas pruebas, los vehículos y sus ocupantes, normalmente representados por maniquíes instrumentados con numerosos sensores, son analizados minuciosamente. De particular interés son las mediciones de aceleración y velocidad angular en la cabeza del maniquí, que permiten recrear con exactitud la dinámica del movimiento cefálico. Estas variables son indispensables para estimar las cargas y tensiones a las cuales se expone la cabeza y el cuello humano en un choque, lo que posteriormente se relaciona con el riesgo de lesiones cerebrales o trauma cervical.
El movimiento de la cabeza durante el choque se estudio tradicionalmente a través de modelos físicos y observación directa en los videos de alta velocidad. Sin embargo, para obtener un análisis más detallado y cuantitativo, se emplea la matemática de rotaciones con la utilización de ángulos de Euler. En concreto, se usa un conjunto de tres ángulos (conocido como 3-2-1) que describen cómo la cabeza rota en el espacio respecto a un sistema de coordenadas fijo ligado al vehículo. Estas rotaciones están alineadas con las normas establecidas por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) para facilitar la interpretación y comparación de datos. Las componentes corotacionales de la velocidad angular de la cabeza, es decir, las velocidades de rotación medidas en el marco de referencia de la propia cabeza, pueden relacionarse directamente con los cambios temporales de los ángulos de Euler.
Esto permite construir un sistema de ecuaciones diferenciales que, con los datos de sensores, puede integrarse numéricamente para calcular la orientación exacta de la cabeza en cada instante durante el choque. Esta técnica es vital ya que la orientación y velocidad de la cabeza determinan en gran medida el nivel de daño sufrido por las estructuras internas y externas del cráneo y el cerebro. Pero el análisis de la rotación no basta para una visión completa. La posición y aceleración del centro de masa de la cabeza también requieren ser determinadas con precisión. Utilizando datos de aceleraciones absolutas recogidas por la unidad de medición inercial (IMU) instalada en la cabeza del maniquí, se pueden transformar estas mediciones al sistema de coordenadas fijo y, mediante integración numérica, calcular desplazamientos y velocidades lineales.
Esta información combinada con la rotación total ofrece un panorama completo del movimiento cefálico, elemento crucial para validar modelos biomecánicos y para el diseño de sistemas de protección. Para ejemplificar estas técnicas, se puede tomar el caso de un vehículo muy popular como el Honda CR-V modelo 2016, que fue sometido a la reconocida prueba de impacto frontal a 35 mph. En este estudio, los datos obtenidos permitieron crear simulaciones tridimensionales que animan el movimiento de la cabeza del maniquí durante el choque. La precisión de estas simulaciones es sorprendente y se aproxima mucho a lo observado en las grabaciones de alta velocidad tomadas durante las pruebas reales. La importancia de poder simular el movimiento de la cabeza con tal nivel de detalle no es solo académica.
Las animaciones y análisis permiten evaluar la efectividad de los dispositivos de seguridad actuales y diseñar nuevos elementos que reduzcan el trauma durante un choque. Además, comparar el movimiento absoluto de la cabeza con su movimiento relativo respecto al vehículo aporta información valiosa sobre cómo las estructuras internas del automóvil influyen en la cinemática de los ocupantes. Otro aspecto relevante es la disponibilidad y transparencia de los datos utilizados en estos estudios. En el caso del Honda CR-V mencionado, los datos de aceleración, velocidad angular y posiciones están disponibles públicamente en formatos que facilitan su uso tanto por ingenieros como por investigadores. Esto fomenta la investigación independiente y multiplica las posibilidades de mejorar las técnicas de análisis y la seguridad vehicular con base en evidencia empírica.
