Marco teórico

La absorción del impacto La fuerza de impactos generados por colisiones en accidentes viales repercute en lesiones a las personas usuarias de cualquier tipo de vehículo, puesto que la energía cinética con la que tienden a ir estos medios de transporte es proporcional a la fuerza de impacto, se consideran dentro del marco de seguridad pasiva, el estudio de la disminución de la absorción de impacto como elemento primordial de seguridad dentro del marco de posibles colisiones. La absorción de impacto, en el contexto biomecánico de la seguridad pasiva, corresponde a la capacidad de un material o dispositivo para disminuir la fuerza de un choque y disipar la energía generada en el momento del contacto (Fundación MAPFRE, 2021). Según la Real Academia Española, “absorber” se define como “atraer y retener un cuerpo o sustancia en el interior de otro” (RAE, 2024). En el contexto de la seguridad pasiva, diversos estudios biomecánicos explican que la absorción de energía puede disminuir significativamente las lesiones en áreas vulnerables del cuerpo (Müller et al., 2019). En el caso de Balbike, este principio se aplica mediante un sistema neumático de inflado controlado que, al activarse por medio de una perilla mecánica, inyecta aire a presión dentro de una cámara ubicada en la zona cervical del usuario, generando un colchón de aire que reduce la transferencia directa de energía hacia las vértebras cervicales (Jones & Smith, 2017). Este tipo de absorción es esencial, dado que los impactos en la región del cuello suelen concentrar altas cargas de energía en tiempos muy breves, lo que incrementa el riesgo de lesiones cervicales severas (Hedlund & Sjögren, 2020). Así, Balbike funciona como un dispositivo de mitigación cinética, diseñado para redistribuir el vector de fuerza hacia estructuras más amplias y menos vulnerables, preservando la estructura de la columna cervical ante una colisión (Vasile et al., 2018).

Amortiguación La RAE define “amortiguar” como “disminuir la intensidad de un golpe o sonido” (RAE, 2024). En el contexto de Balbike, la amortiguación se refiere al proceso mediante el cual el sistema neumático reduce la fuerza del impacto, protegiendo la zona cervical mediante la compresión del aire contenido. Este principio es esencial en los dispositivos de seguridad pasiva, ya que la amortiguación actúa como un factor determinante para minimizar la transferencia de energía hacia el cuerpo, especialmente en el caso de impactos de alta velocidad (Wang et al., 2016). Los sistemas de amortiguación, como el utilizado en Balbike, permiten la desaceleración controlada de las fuerzas durante una colisión, lo cual es fundamental para la prevención de lesiones graves (Anderson et al., 2017).

Compresión Según la RAE, “compresión” es la “acción y efecto de comprimir”, y “comprimir” significa “apretar o estrechar algo contra su naturaleza” (RAE, 2024). En Balbike, el aire comprimido en la cámara de inflado actúa como medio disipador de energía, absorbiendo parte de la fuerza cinética del impacto. La compresión controlada del aire en la cámara permite la expansión rápida y uniforme del material, distribuyendo la energía del impacto sobre una mayor área de forma más efectiva, reduciendo la concentración de la fuerza sobre áreas vulnerables del cuerpo (Elder et al., 2019). Este mecanismo de compresión no solo protege al usuario, sino que también maximiza la eficiencia del sistema al permitir que el dispositivo se active rápidamente bajo condiciones de impacto (Brown & Lee, 2020).

Resistencia Definida como “capacidad para soportar algo sin deteriorarse” (RAE, 2024), la resistencia en este contexto se refiere a la capacidad estructural del dispositivo para mantener su forma y funcionalidad ante la presión ejercida por el golpe, permitiendo la distribución controlada de la energía. Los materiales utilizados en la estructura de Balbike deben resistir las fuerzas de impacto sin perder su integridad, lo que garantiza que el sistema de protección funcione adecuadamente durante una colisión (Smith et al., 2018). La resistencia de los componentes del dispositivo es crucial para evitar fallos prematuros del sistema y asegurar que el protector cervical funcione de manera efectiva en diversas condiciones de impacto (Johnson et al., 2021). La cinemática del tiempo de activación La cinemática del tiempo de activación en Balbike se refiere a la velocidad con la que el sistema neumático responde ante un impacto, desplegando protección cervical antes de que ocurra el contacto violento. Según la RAE, la cinemática es “la parte de la mecánica que estudia el movimiento prescindiendo de las fuerzas que lo producen” (RAE, 2024). En este dispositivo, la válvula mecánica debe liberar aire comprimido y expandir la cámara de protección en menos de 200 milisegundos, tiempo crítico en el que se produce la desaceleración corporal tras una colisión (Viano et al., 2009). Este despliegue inmediato requiere una sincronización precisa entre el sistema de activación, el volumen de aire liberado y la resistencia de los materiales, lo que permite una distribución cinética eficaz que minimiza el riesgo de lesión cervical (Zhang & Kuo, 2017). Construcción del protector cervical El sistema de Balbike emplea un mecanismo de activación mecánica por tracción, conectado a un perno liberador de presión. Al ser accionado, este libera, mediante un cartucho el gas comprimido (CO₂), el cual fluye a través de una válvula de caucho nitrílico. El gas se dirige hacia una cámara de expansión confeccionada en material textil resistente, integrada en la región cervical de la chaqueta. La expansión ocurre progresivamente con el movimiento mecánico del perno, generando una estructura neumática protectora. El sistema relaciona la cinemática de despliegue con la absorción del aire comprimido. La construcción del sistema Balbike implica el desarrollo de una estructura mecánico-tecnológica, diseñada para integrarse a una prenda de vestir tipo chaqueta, con un mecanismo de inflado cervical activado por medios mecánicos. Según la Real Academia Española, “construcción” se define como la “acción de construir”, y “construir” como “fabricar o edificar una obra de ingeniería” (RAE, 2024). En este contexto, Balbike se basa en principios de diseño industrial y de ingeniería mecánica, utilizando textiles flexibles de alta resistencia y cámaras neumáticas encapsuladas que permiten una rápida expansión al momento del impacto. Esta construcción exige precisión en la selección de materiales, integridad estructural bajo compresión y compatibilidad ergonómica con el cuerpo humano (Zhang et al., 2020). Además, la arquitectura del sistema debe garantizar una distribución homogénea de la presión durante la activación, evitando puntos de tensión que puedan comprometer la seguridad del usuario (García-López & Ramírez-Torres, 2018). Así, la construcción de Balbike no solo responde a criterios técnicos de fabricación, sino también a parámetros biomédicos de protección cervical. Proceso de ensamblaje Airbag: el airbag, o bolsa de aire, es un sistema de seguridad pasiva que se activa en milisegundos durante una colisión para amortiguar el impacto de los ocupantes contra el vehículo, reduciendo hasta en un 30% el riesgo de muerte en choques frontales ("A Methodology for the Deployment of Sensor Networks", IEEE). Fue patentado inicialmente en los años 50 por John W. Hetrick y Walter Linderer, aunque su uso comercial comenzó en la década de 1970 con General Motors y se consolidó en 1981 gracias a Mercedes-Benz (Vázquez, 2017). Este sistema está compuesto por sensores de impacto, un inflador pirotécnico y una bolsa de nailon, inflada generalmente con nitrógeno generado por una reacción química de compuestos como la azida de sodio (NaN₃), nitrato de potasio (KNO₃) y dióxido de silicio (SiO₂), que producen gas y silicato, un subproducto estable e inofensivo (Smith et al., 2015). El proceso completo, desde el impacto hasta el inflado, toma entre 30 y 80 milisegundos, y su eficacia depende de múltiples factores como el ángulo del choque y el uso simultáneo del cinturón de seguridad, elemento considerado más eficaz que el airbag si se usa solo (López & García, 2019).

Tabla 1. Adaptado de: (RACE. (2010). Sistemas de protección con airbag para motoristas)

Balbike puede inspirarse en el mecanismo de inflado de los airbags pirotécnicos tradicionales, particularmente en las tres reacciones químicas que se muestran en el esquema, para diseñar un sistema de inflado rápido, autónomo y seguro. La primera reacción, donde la azida de sodio (NaN₃) se descompone térmicamente en sodio metálico (Na) y nitrógeno gaseoso (N₂), proporciona una fuente inmediata de gas a alta presión que puede utilizarse para inflar el protector, lo cual es crucial en accidentes de tránsito. La segunda reacción, entre el sodio y el nitrato de potasio (KNO₃), genera más nitrógeno y óxidos metálicos, ampliando la cantidad de gas útil sin comprometer la estabilidad térmica. Finalmente, la tercera reacción con dióxido de silicio (SiO₂) transforma los óxidos en silicatos sólidos, reduciendo la toxicidad y mejorando la seguridad del dispositivo. Balbike podría adaptar este sistema incorporando un cartucho presurizado con estas sustancias en proporciones controladas, acompañado de la activación de la reacción en fracciones de segundo. Este modelo químico proporciona una solución efectiva para la activación instantánea del airbag cervical, manteniendo una estructura compacta, ligera y de bajo mantenimiento. La eficiencia, rapidez y seguridad de este sistema ya ha sido probada en airbags automotrices, lo cual respalda su viabilidad como tecnología transferible al contexto motociclista (Bosch, 2020; Kimmel, 2019). Mecanismo de activación mecánica Según la RAE, un mecanismo es un “conjunto de piezas que, adecuadamente dispuestas, convierten fuerzas o movimientos” (RAE, 2024). En Balbike, este sistema está compuesto por una palanca de tracción que activa un perno interno, generando la liberación de un gas presurizado. Este tipo de mecanismos se utiliza en sistemas de inflado rápido por su fiabilidad y respuesta inmediata ante estímulos físicos (Smith & Clarke, 2019).

Figura 2. Tomado de: Ganter Normteile. (s. f.). GN962 Cepos de palanca neumáticos servicio pesado Longlife.

Tracción La RAE define tracción como “acción y efecto de tirar de algo para moverlo o arrastrarlo” (RAE, 2024). En el contexto de Balbike, la tracción ejercida por el usuario o por la aceleración súbita del cuerpo al colisionar activa el sistema de inflado, liberando el gas comprimido. Este principio es común en dispositivos de seguridad como pretensores de cinturón (Martínez & Pérez, 2020).

Figura 3. Tomado de: Autofácil. (s. f.). ¿Cómo funcionan los pretensores de seguridad?

Perno liberador de presión

Un perno es un “clavo o tornillo grueso que se introduce en un agujero para asegurar piezas” (RAE, 2024). En Balbike, este perno cumple la función de liberador de presión al ser desplazado por tracción. Su diseño permite contener el gas hasta el momento de activación, liberando de forma controlada en el instante crítico (Smith & Clarke, 2019).

Figura 4. Tomado de: Ganter Normteile. (s. f.). GN 617 Perno de retención acero pomo de plástico.

Cartucho de gas comprimido (CO₂)

El cartucho contiene dióxido de carbono a alta presión, un gas utilizado comúnmente en dispositivos de inflado por su rápida expansión y disponibilidad. Su uso permite el despliegue en milisegundos, lo que es vital en situaciones de impacto inmediato (Martínez & Pérez, 2020).

Figura 5. Tomado de: Zéfal. (s. f.). CO₂ cartuchos

Válvula de caucho nitrílico

La RAE define válvula como “pieza que abre o cierra el paso a través de un conducto” (RAE, 2024). El caucho nitrílico (NBR) es un elastómero sintético resistente al gas y al desgaste, ideal para controlar el flujo de aire comprimido con seguridad. Su elasticidad permite el cierre hermético en sistemas neumáticos (Ramírez & Gutiérrez, 2018).

Figura 6. Tomado de: Elite Line Industrial Corp. (s. f.). Caucho de nitrilo.

Cámara de expansión textil

Expansión, según la RAE, es la “acción de aumentar de volumen por efecto de la presión interna” (RAE, 2024). En Balbike, esta cámara está fabricada con tejidos técnicos de alta resistencia, que soportan la presión del gas sin romperse, formando un colchón protector alrededor del cuello (Ramírez & Gutiérrez, 2018).

Figura 7. Tomado de: Brave the Woods. (s. f.). The Hövding Invisible Bike Helmet.

Estructura neumática protectora

La palabra neumático proviene del griego pneuma (aire) y hace referencia a “todo aquello que funciona por medio del aire comprimido” (RAE, 2024). La estructura inflada de Balbike actúa como un amortiguador que disipa la energía del impacto y evita lesiones cervicales severas (Zhao & Chen, 2021).

Figura 8. Tomado de: El Confidencial. (2019, 11 de noviembre). Así es el airbag para ciclistas que sustituye al casco.

Cinemática de despliegue

La cinemática es la “parte de la mecánica que estudia el movimiento prescindiendo de las fuerzas que lo producen” (RAE, 2024). En Balbike, este concepto se refiere al tiempo y trayectoria del inflado desde que se acciona el perno hasta que la cámara alcanza su volumen de protección, lo que debe ocurrir en menos de 200 milisegundos (Zhao & Chen, 2021).

Figura 9. Tomado de: Wired. (2019, 21 de octubre). The insane physics of airbags.

Placa ESP32

La ESP32 es una placa de desarrollo con microcontrolador de bajo consumo y conectividad WiFi/Bluetooth integrada, ampliamente utilizada en sistemas embebidos por su versatilidad y costo accesible (Espressif Systems, 2016). Su papel en el ensamblaje es actuar como unidad central de procesamiento y control, ya que recibe la información de los sensores, ejecuta el código de respuesta y envía señales de activación a los actuadores. La inclusión de protocolos de comunicación inalámbrica permite ampliar las aplicaciones a entornos IoT, mejorando la integración y el monitoreo en tiempo real.

Figura 10: Tomada de: AranaCorp (2021, 23 de abril) Programacion de un ESP32 NodeMCU con el IDE de Arduino

Servomotor MG995 Este es un servomotor de alto par ampliamente usado en robótica y sistemas de control debido a su robustez y precisión angular. Funciona a partir de una señal PWM enviada desde la placa de control, lo que le permite posicionar su eje con gran exactitud (Gupta et al., 2018). En el ensamblaje, el MG995 cumple la función de accionar mecanismos que requieren movimientos controlados y rápidos, garantizando la respuesta física del sistema frente a las señales detectadas por los sensores.

Figura 11: Tomada de: MechatronicStore Servo motor Tower pro 13Kg MG995

Acelerómetro/Giroscopio MPU-6050

El MPU-6050 es un sensor MEMS que integra un acelerómetro de 3 ejes y un giróscopo de 3 ejes en un mismo chip, permitiendo medir aceleraciones lineales y rotacionales. 
Su uso en proyectos de seguridad y automatización es fundamental para detectar cambios bruscos de velocidad o inclinación (InvenSense, 2012).
En el ensamblaje cumple el rol de “sensor de impacto” al registrar variaciones que pueden asociarse a una colisión, enviando estos datos a la placa ESP32 para activar los mecanismos de protección.

Figura 12: Tomada de: Mactronica: electronica y tecnologia desde 2014 GIROSCOPIO ACELEROMETRO IMU MPU6050 GY-521

Pipetas de CO2 de 12gr

Las pipetas de 12gr son electroválvulas o dispositivos de activación neumática/eléctrica que permiten liberar o controlar el paso de fluidos o gases bajo una señal de voltaje. En este tipo de proyectos su aplicación se orienta a la liberación rápida de aire comprimido o a la activación de sistemas inflables de seguridad (Zhang et al., 2019). 

Durante el ensamblaje, se conectan directamente al sistema de control de la ESP32 y al sistema de inflado, siendo el componente encargado de ejecutar la acción mecánica final que garantiza el funcionamiento del dispositivo protector.

Figura 13: Warriors Colombia Pipeta 12gr co2 Airgun