octubre 18, 2021

Por qué afeitarse desafila incluso las navajas más afiladas

El cabello humano es 50 veces más suave que el acero, pero puede rasgar el filo de una navaja, muestra un nuevo estudio.

Las maquinillas de afeitar, los bisturís y los cuchillos suelen estar hechos de acero inoxidable, pulidos hasta tener un borde afilado y recubiertos con materiales aún más duros, como el carbono similar al diamante. Sin embargo, los cuchillos requieren un afilado regular, mientras que las navajas se reemplazan de forma rutinaria después de cortar materiales mucho más suaves que las propias hojas.

Ahora, los ingenieros del MIT han estudiado el simple acto de afeitarse de cerca, observando cómo se puede dañar una hoja de afeitar al cortar cabello humano, un material que es 50 veces más suave que la propia hoja. Descubrieron que afeitarse el cabello deforma una cuchilla de una manera que es más compleja que simplemente desgastar el borde con el tiempo. De hecho, una sola hebra de cabello puede hacer que el borde de una cuchilla se astille en condiciones específicas. Una vez que se forma una grieta inicial, la hoja es vulnerable a astillarse más. A medida que se acumulan más grietas alrededor de la viruta inicial, el filo de la navaja puede desafilarse rápidamente.

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Afeitarse desafila las navajas: estructura microscópica no uniforme

La estructura microscópica de la hoja juega un papel clave, descubrió el equipo. La hoja es más propensa a astillarse si la microestructura del acero no es uniforme. El ángulo de aproximación de la hoja a un mechón de cabello y la presencia de defectos en la estructura microscópica del acero también juegan un papel en la iniciación de grietas.

Los hallazgos del equipo también pueden ofrecer pistas sobre cómo preservar el filo de una hoja. Por ejemplo, al cortar verduras, un chef podría considerar cortar hacia abajo, en lugar de hacerlo en ángulo. Y al diseñar hojas más duraderas y resistentes a las astillas, los fabricantes podrían considerar la posibilidad de fabricar cuchillos con materiales más homogéneos.

“Nuestro principal objetivo era comprender un problema del que más o menos todos son conscientes: por qué las hojas se vuelven inútiles cuando interactúan con material mucho más blando”, dice C. Cem Tasan, profesor asociado de metalurgia Thomas B. King en el MIT. «Encontramos los ingredientes principales del fallo, lo que nos permitió determinar una nueva ruta de procesamiento para fabricar hojas que puedan durar más».

Un misterio metalúrgico

El grupo de Tasan en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT explora la microestructura de los metales para diseñar nuevos materiales con una resistencia excepcional al daño.

Para identificar los mecanismos por los cuales las hojas de afeitar fallan al afeitarse el cabello humano, Roscioli primero llevó a cabo algunos experimentos preliminares, utilizando cuchillas desechables para afeitarse el propio vello facial. Después de cada afeitado, tomó imágenes del filo de la navaja con un microscopio electrónico de barrido (SEM) para rastrear cómo se desgastaba la cuchilla con el tiempo.

Sorprendentemente, los experimentos revelaron muy poco desgaste o redondeo del borde afilado con el tiempo. En cambio, notó que se formaban astillas a lo largo de ciertas regiones del filo de la navaja.

«Esto creó otro misterio: vimos astillado, pero no vimos astillado en todas partes, solo en ciertos lugares», dice Tasan. «Y queríamos entender, ¿en qué condiciones se produce este desconchado y cuáles son los ingredientes del fracaso?»

¿Como se desafila la hoja?

Para responder a esta pregunta, Roscioli construyó un pequeño aparato micromecánico para realizar experimentos de afeitado más controlados. Usó hojas de afeitadoras comerciales, que colocó en varios ángulos y profundidades de corte para imitar el acto de afeitarse.

El aparato está diseñado para caber dentro de un microscopio electrónico de barrido, donde Roscioli pudo tomar imágenes de alta resolución tanto del cabello como de la cuchilla mientras realizaba múltiples experimentos de corte. Usó su propio cabello, así como muestras de cabello de varios de sus compañeros de laboratorio, que en general representan una amplia gama de diámetros de cabello.

Independientemente del grosor del cabello, Roscioli observó el mismo mecanismo por el cual el cabello daña una cuchilla. Al igual que en sus experimentos iniciales de afeitado, Roscioli descubrió que el cabello hacía que el filo de la cuchilla se astillara, pero solo en ciertos puntos.

Cuando analizó las imágenes SEM y las películas tomadas durante los experimentos de corte, descubrió que no se producían astillas cuando el cabello se cortaba perpendicularmente a la cuchilla. Sin embargo, cuando el cabello estaba libre de doblarse, era más probable que se produjeran astillas. Estas astillas se formaron más comúnmente en lugares donde el borde de la hoja se unía a los lados de los mechones de cabello.

Simulando el afeitado

Para ver qué condiciones probablemente estaban causando la formación de estas astillas, el equipo realizó simulaciones computacionales en las que modelaron una hoja de acero que cortaba un solo cabello. Al simular cada afeitado, alteraron ciertas condiciones, como el ángulo de corte, la dirección de la fuerza aplicada en el corte y, lo más importante, la composición del acero de la hoja.

Descubrieron que las simulaciones predijeron fallas en tres condiciones: cuando la hoja se acercaba al cabello en ángulo, cuando el acero de la hoja tenía una composición heterogénea y cuando el borde de una hebra de cabello se encontraba con la hoja en un punto débil de su estructura heterogénea.

Tasan dice que estas condiciones ilustran un mecanismo conocido como intensificación de la tensión, en el que el efecto de una tensión aplicada a un material se intensifica si la estructura del material tiene microfisuras. Una vez que se forma una microgrieta inicial, la estructura heterogénea del material permitió que estas grietas se convirtieran fácilmente en astillas.

Nuestras simulaciones explican cómo la heterogeneidad en un material puede aumentar la tensión en ese material, de modo que puede crecer una grieta, aunque la tensión sea impuesta por un material blando como el cabello”, dice Tasan.

Los investigadores han presentado una patente provisional sobre un proceso para manipular el acero en una forma más homogénea, con el fin de hacer hojas más duraderas y resistentes a las astillas.

“La idea básica es reducir esta heterogeneidad, mientras mantenemos la alta dureza”, dice Roscioli. «Hemos aprendido a fabricar mejores hojas y ahora queremos hacerlo».

Fuente

https://news.mit.edu/2020/why-shaving-dulls-razors-0806

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