Resultados "impactantes" cuando se compararon los cascos de la Primera Guerra Mundial con los diseños militares modernos

May 10, 2023

Por Duke University 15 de febrero de 2020

(Haga clic en la imagen para ver la vista completa). Un casco francés de la Primera Guerra Mundial se coloca debajo de un tubo de choque para probar qué tan bien protege al maniquí debajo de una onda de choque. La cresta en el centro del casco fue diseñada para desviar la metralla, pero también pudo haber ayudado a desviar la onda de choque, lo que permitió que el casco superara incluso a los cascos de combate modernos. Crédito: Joost Op 't Eynde, Universidad de Duke

Los cascos de la Primera Guerra Mundial protegen contra las ondas de choque tan bien como el diseño moderno. El casco French Adrian sugiere que la geometría simple puede salvar el cerebro de las explosiones aéreas.

Ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado que, a pesar de los avances significativos en la protección contra impactos balísticos y contundentes, los cascos militares modernos no son mejores para proteger el cerebro de las ondas de choque creadas por explosiones cercanas que sus contrapartes de la Primera Guerra Mundial. Y un modelo en particular, el casco francés Adrian, en realidad se desempeñó mejor que los diseños modernos en la protección contra explosiones aéreas.

La investigación podría ayudar a mejorar la protección contra explosiones de los futuros cascos mediante la elección de diferentes materiales, la superposición de múltiples materiales de diferente impedancia acústica o la alteración de su geometría.

Un video de alta velocidad de un casco francés de la Primera Guerra Mundial siendo bombardeado por una onda de choque diseñada para imitar una explosión de proyectiles de artillería alemanes a unos pocos metros de distancia. Crédito: Joost Op 't Eynde, Universidad de Duke

Los resultados se publicaron en línea el 13 de febrero de 2020 en la revista PLOS ONE.

"Si bien descubrimos que todos los cascos brindaban una cantidad sustancial de protección contra explosiones, nos sorprendió descubrir que los cascos de 100 años funcionaban tan bien como los modernos", dijo Joost Op 't Eynde, un Ph. D. estudiante de Duke y primer autor del estudio. "De hecho, algunos cascos históricos funcionaron mejor en algunos aspectos".

Los investigadores han comenzado recientemente a estudiar el daño cerebral que una onda de choque puede causar por sí sola, y por una buena razón. Los cascos se diseñaron originalmente para proteger de objetos penetrantes como balas y metralla, y las ondas expansivas matarán a través de un trauma pulmonar mucho antes de que causen incluso un daño cerebral menor.

Sin embargo, con la llegada de los chalecos antibalas, los pulmones de los soldados están mucho más protegidos de tales explosiones de lo que solían estar. Esto ha provocado que la incidencia de traumatismos pulmonares después de una explosión caiga muy por debajo de las lesiones cerebrales o de la columna vertebral en los conflictos militares modernos, a pesar de la diferencia en la tolerancia a las explosiones.

Si bien se han realizado estudios que sugieren que los cascos modernos brindan un grado de protección contra las ondas de choque, ninguno de los cascos actualmente desplegados ha sido diseñado específicamente para la protección contra explosiones. Y debido a que los soldados de hoy que experimentan ondas de choque mientras usan chalecos antibalas no son tan diferentes de los soldados de hace 100 años que experimentaban ondas de choque mientras estaban en las trincheras, Op 't Eynde decidió ver si esos diseños antiguos ofrecían alguna lección para aprender.

"Si bien descubrimos que todos los cascos brindaban una cantidad sustancial de protección contra explosiones, nos sorprendió descubrir que los cascos de 100 años de antigüedad funcionaban tan bien como los modernos". — Joost Op't Eynde

"Hasta donde sabemos, este estudio es el primero en evaluar las capacidades protectoras de estos cascos de combate históricos contra las explosiones", dijo Op 't Eynde.

En colaboración con Cameron "Dale" Bass, profesor asociado de investigación de ingeniería biomédica en Duke, Op 't Eynde creó un sistema para probar el rendimiento de los cascos de la Primera Guerra Mundial del Reino Unido/Estados Unidos (Brodie), Francia (Adrian), Alemania (Stahlhelm) y una variante de combate actual de los Estados Unidos (Casco de combate avanzado).

Los investigadores se turnaron para colocar diferentes cascos en la cabeza de un maniquí equipado con sensores de presión en varios lugares. Luego colocaron la cabeza directamente debajo de un tubo de choque, que se presurizó con helio hasta que estalló una pared de membrana, liberando el gas en una onda de choque. Los cascos se probaron con ondas de choque de fuerza variable, cada una correspondiente a un tipo diferente de proyectil de artillería alemán que explota desde una distancia de uno a cinco metros.

Luego se comparó la cantidad de presión experimentada en la coronilla con las tablas de riesgo de lesiones cerebrales creadas en estudios anteriores. Si bien todos los cascos proporcionaron una reducción de cinco a diez veces en el riesgo de hemorragia cerebral moderada, el riesgo para alguien que usaba un casco "Adrian" francés de alrededor de 1915 era menor que para cualquiera de los otros cascos probados, incluido el moderno casco de combate avanzado.

Un casco Brodie utilizado por las fuerzas estadounidenses y británicas en la Primera Guerra Mundial es golpeado con una onda de choque para probar qué tan bien protege al maniquí debajo de las explosiones primarias. Crédito: Joost Op 't Eynde, Universidad de Duke

"El resultado es intrigante porque el casco francés se fabricó con materiales similares a los de sus contrapartes alemanas y británicas, e incluso tenía una pared más delgada", dijo Op 't Eynde. "La principal diferencia es que el casco francés tenía una cresta en la parte superior de su corona. Si bien fue diseñado para desviar la metralla, esta característica también podría estar desviando las ondas de choque".

También podría ser que, debido a que el sensor de presión se montó directamente debajo de la cresta, la cresta proporcionó una primera capa adicional para reflejar la onda de choque. Y el casco francés no mostró la misma ventaja en sensores de presión en ningún otro lugar. Para lugares como las orejas, el rendimiento parecía estar dictado por el ancho del ala del casco y la cantidad de cabeza que realmente cubría.

En cuanto al casco moderno, Op 't Eynde teoriza que su estructura en capas podría ser importante en su desempeño. Debido a que una onda de choque se refleja cada vez que encuentra un material nuevo con una impedancia acústica diferente, la estructura en capas del casco moderno podría contribuir a su protección contra explosiones.

Pero independientemente del casco que se probó, los resultados indicaron claramente que los cascos podrían desempeñar un papel especialmente importante en la protección contra el traumatismo cerebral leve inducido por la onda expansiva. Según los investigadores, este hallazgo por sí solo muestra la importancia de continuar con este tipo de investigación para diseñar cascos que puedan absorber mejor las ondas de choque de las explosiones aéreas cercanas.

"La diferencia que puede marcar una cresta simple o un ala más ancha en la protección contra explosiones muestra cuán importante podría ser esta línea de investigación", dijo Op 't Eynde, quien inicialmente llegó a Duke con una beca de la Fundación Educativa Belga Estadounidense, que se estableció con fondos de los esfuerzos de socorro estadounidenses en Bélgica durante la Primera Guerra Mundial. "Con todos los materiales modernos y las capacidades de fabricación que poseemos hoy, deberíamos poder realizar mejoras en el diseño del casco que protege de las ondas expansivas mejor que los cascos actuales o 100 hace años que."

Referencia: "Protección primaria contra ondas explosivas en el diseño de cascos de combate: una comparación histórica entre la actualidad y la Primera Guerra Mundial" por Joost Op 't Eynde, Allen W. Yu, Christopher P. Eckersley y Cameron R. Bass, 13 de febrero de 2020, PLOS UNO.DOI: 10.1371/journal.pone.0228802