Comparación de la propagación de ondas de choque generadas por explosivos en tubos de choque y en aire libre

Por qué las explosiones en el aire aún sorprenden a los científicos

Las explosiones son, lamentablemente, comunes en zonas de guerra, accidentes industriales y minería, pero las ondas de presión que generan son mucho más complejas de lo que muestran los diagramas de libro de texto. Muchas normas de seguridad, estudios médicos y ensayos de equipos asumen un único pico de presión seguido de una caída suave. Este artículo muestra que la manera en que montamos los experimentos —ya sea que la detonación ocurra al aire libre, cerca del suelo o dentro de un tubo— puede cambiar radicalmente la forma y la duración de esa onda de presión, incluso si la intensidad del blast es la misma. Esas diferencias importan para el diseño de equipos de protección, edificios y modelos de laboratorio de lesión por blast.

Tres formas de producir la misma pequeña explosión

Los investigadores usaron una “explosión” muy reproducible y delgada como un lápiz, creada vaporizando un diminuto hilo de oro con un pulso de alto voltaje. Colocaron esta misma fuente de energía en tres montajes diferentes: apoyada en el suelo en aire abierto (no confinada), elevada ligeramente sobre el suelo para que la onda pudiera rebotar en él (parcialmente confinada) y enterrada dentro de un tubo corto impreso en 3D (confinada). Cámaras de alta velocidad visualizaron el desplazamiento de las ondas de choque, mientras que un sensor de presión montado en un gran bloque de madera registró lo que realmente sentiría un objetivo. Al igualar cuidadosamente la velocidad de la onda de choque entrante en cada montaje, el equipo se aseguró de comparar la geometría y no diferencias en la potencia explosiva.

Qué ocurre en el espacio abierto

Cuando el hilo estaba directamente sobre el suelo, el blast se comportó de manera más parecida a la curva ideal de libro de texto. La presión en el objetivo subió rápidamente hasta un pico, luego cayó y descendió por debajo de la presión atmosférica antes de volver al valor ambiente. Esta “fase negativa” es importante porque tira de estructuras y tejidos corporales en la dirección opuesta al empuje inicial. En este caso no confinado, las fases positiva y negativa soportaron casi la misma carga total en el tiempo, y las pruebas repetidas dieron resultados casi idénticos. Este montaje abierto produjo una onda de choque limpia y simple sin reflejos extra que regresaran al sensor, lo que lo convierte en una base sólida para comparación.

Cuando el suelo responde

Elevar la carga apenas unos milímetros sobre el suelo cambió el relato. Ahora la onda se propagó hacia afuera, golpeó el pavimento y rebotó hacia arriba, fusionándose con la onda original en un frente más fuerte denominado vástago de Mach. A las alturas más bajas, esta onda fusionada golpeó el sensor casi como una pared plana de aire, aumentando tanto la presión pico como el “empuje” total entregado durante la fase positiva —hasta alrededor de un 16,5% más que en las pruebas al aire libre. A medida que la carga se colocó más alto, la onda reflejada llegó más tarde y se alineó peor con la primera onda. Entonces la presión pico descendió y el empuje total pudo caer por debajo del caso no confinado, aunque la fuente del blast fuera la misma. En estas pruebas parcialmente confinadas, la fase negativa en general se debilitó y se volvió más errática, porque pequeños desplazamientos temporales de la onda reflejada podían reducir la parte de baja presión de la señal.

Dentro de un tubo, el blast no suelta del todo

El montaje confinado —donde el hilo de oro se ubicó dentro de un tubo estrecho— se parecía más a muchos dispositivos de choque de laboratorio usados para estudiar la lesión por blast. Aquí, el frente de choque salió disparado del tubo, seguido por un anillo vorticial rodante y un tren de ondas más débiles reflejadas desde el extremo trasero cerrado. En el objetivo, el primer pico de presión fue aproximadamente similar en altura al caso de aire abierto, pero lo que siguió fue completamente distinto. En lugar de una fuerte caída por debajo de la presión normal, el tubo siguió alimentando aire y choques reflejados hacia adelante, alargando la fase positiva y casi eliminando la fase negativa. El empuje total durante esta fase positiva fue aproximadamente dos tercios mayor que en las pruebas no confinadas, aunque la presión pico fuera ligeramente menor. En términos prácticos, una muestra colocada frente al tubo recibe un “golpe” más suave pero un “empujón” mucho más prolongado.

Por qué importa conocer la historia completa de la presión

Los autores concluyen que no basta con igualar un único número, como la presión pico, al intentar reproducir blasts del mundo real en el laboratorio. La misma energía de entrada, entregada mediante distintas geometrías, produjo formas de onda que diferían en cuánto tiempo la presión permanecía elevada, en la intensidad de la fase negativa y en la aparición de picos adicionales. Dado que el riesgo de lesión y el daño estructural dependen tanto del tamaño como de la duración de estas cargas, una prueba en tubo de choque puede sobrestimar o subestimar lo que ocurriría en aire libre. Para cualquiera que estudie lesión cerebral relacionada con blasts, blindaje, vehículos o edificios, este trabajo subraya la necesidad de informar e interpretar la curva completa presión‑tiempo —y de elegir montajes de ensayo que representen realmente el escenario real de interés.

Cita: Bauer, R.L., Johnson, C.E. Comparison of explosively driven shock tube and open-air blast wave propagation. Sci Rep 16, 12841 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42282-9

Palabras clave: ondas de blast, tubos de choque, ensayos de explosiones, lesión cerebral inducida por blast, estructuras protectoras