Estudiante de secundaria simula el estrés del cuerpo de una mochila para los honores de la feria de ciencias

Mientras que la mayoría de los estudiantes de noveno grado estaban tratando de establecerse en la escuela secundaria el otoño pasado y aprender su horario, un estudiante de Proof School en California tenía otras preocupaciones.

Anish Sarkar comenzó su año escolar con una cosa en mente: el estrés corporal de la mochila, que considera “una epidemia silenciosa”.

Sarkar esperaba aliviar esta carga llena de libros y prevenir lesiones al comprender cómo llevar la carga de la manera más adecuada. Su investigación analizaría qué tipo de bolsa, por ejemplo, una mochila normal versus una bolsa estilo mensajero, proporcionó la menor cantidad de tensión en la espalda y los hombros mientras examinaba qué posiciones de la correa ofrecían el mayor apoyo.

Sarkar necesitaba una forma segura y precisa de explorar todos los escenarios y recurrió a la simulación de Ansys para realizar pruebas virtuales.

Su proyecto, titulado «Impacto de cargas pesadas en la columna vertebral humana», no solo concluyó la forma más segura de usar una mochila, sino que también lo llevó al segundo lugar en la Feria STEM Golden Gate 2022 en California, que da la bienvenida a la ciencia, la tecnología y la ingeniería locales. y estudiantes de matemáticas (STEM) en los grados seis a doce.

La columna vertebral del proyecto

¿Cómo sabrías si la mochila que usabas a diario te estaba dañando la espalda? Esta fue la pregunta más apremiante de Sarkar y la inspiración para su proyecto. Primero, encuestó las preferencias de las personas con respecto a qué tipo de mochila usaban y cómo la usaban. Algunos eligieron un bolso de libros tradicional con ambas correas, otros prefirieron solo una correa, mientras que a otros les gustó una bolsa estilo mensajero, que lleva una sola correa cruzada. Con esta información, Sarkar conocía los escenarios que quería probar, pero necesitaba una forma práctica de probarlos.

Fue entonces cuando su padre le presentó la simulación y le explicó cómo podría ayudarlo a determinar la tensión de una mochila en el cuerpo, sin tener que probar físicamente todos los escenarios.

Sarkar accedió al software de Ansys a través del Programa Académico de Ansys, que proporciona a los estudiantes, universidades e investigadores software y recursos gratuitos para la investigación y el aprendizaje.

A través de la plataforma de integración de simulación Ansys Workbench, accedió al software de gestión de datos de materiales Ansys Granta MI Enterprise, al software de modelado de diseño asistido por computadora (CAD) 3D Ansys SpaceClaim y al software de análisis de elementos finitos estructurales (FEA) Ansys Mechanical.

“Me concentré en el modelado FEA como una solución para realizar simulaciones virtuales”, dice Sarkar. “No realicé pruebas físicas, como usar una mochila pesada y caminar una milla con ella, porque eso habría consumido demasiado tiempo e impreciso. Si bien Ansys Workbench es una herramienta compleja utilizada por ingenieros profesionales, decidí usarla porque es más rápida, precisa y versátil que las pruebas físicas”.

Usando los resultados de su encuesta, Sarkar simuló los efectos de usar una mochila tradicional y una bolsa de mensajero, incorporando variables para el peso de la mochila que van desde 10 a 30 libras. También agregó parámetros para la longitud de las correas de los hombros, si se usaban ambas o una, y para la mochila tradicional, examinó si estaban tiradas hacia abajo, a la mitad o sin nada. En otras palabras, cómo el usuario de la mochila tiró o colocó las correas con la mano o apretando los cinturones de las correas. Se refirió a estos tres niveles como correa alta, correa media y correa baja, respectivamente. Los niveles de las correas para los hombros representaban el lugar donde finalmente descansaba la mochila y aplicaba la mayor presión.

Sarkar usó tres modelos para sus simulaciones: un modelo básico de columna y caja torácica que creó con SpaceClaim y dos modelos que encontró en línea de un esqueleto y un modelo del cuerpo humano centrado en los músculos.

Después de reacondicionar los modelos en línea con SpaceClaim, generó una malla para cada uno de los tres modelos en Mechanical. Luego, agregó puntos de presión a cada modelo para indicar dónde estaba presente la presión y el peso de la mochila para cada escenario. La ubicación del punto de presión cambió para diferentes tipos de mochila y longitudes de correa, mientras que la cantidad de presión cambió para diferentes pesos de mochila. Usó Ansys Granta MI para configurar las propiedades del material orgánico para las simulaciones.

De vuelta en Mechanical, analizó la deformación general del modelo después de aplicar la presión. Esto se representó de dos maneras: numéricamente y en color. La representación numérica ayudó a Sarkar a determinar si el escenario era práctico o no.

Por ejemplo, si el valor de deformación fuera grande, entonces el escenario de la vida real causaría dolor de espalda a la persona. La representación de color era para visualizar la deformación en el modelo.

A partir de los resultados de la simulación de Sarkar, quedó claro que llevar una mochila tradicional en un hombro presentaba la mayor deformación. Asimismo, concluyó que usar una bolsa de mensajero pesada tampoco es saludable a menos que la bolsa sea liviana.

Para usar una mochila tradicional con ambas correas, Sarkar concluyó que tirar de las correas hacia abajo por completo (lo que él consideró como el nivel de «correa alta») produjo la peor deformación en el cuerpo, ya que al hacerlo, la presión se acumula en la parte superior del cuerpo. . Esta presión puede hacer que una persona se incline hacia adelante y, si una persona lo hace constantemente, con el tiempo puede inclinarse hacia adelante incluso sin sus mochilas debido a la «memoria muscular», lo que puede causar efectos a largo plazo.

Sarkar determinó que la opción más saludable es usar una mochila en ambos hombros en el «nivel bajo de la correa», es decir, sin tirar, colocar o apretar las correas de los hombros hacia abajo para que la presión y el peso de la mochila queden sueltos en la parte inferior de la espalda. de la parte superior o media de la espalda.

Además, Sarkar concluyó que el peso de la mochila debe estar entre 10 y 20 libras, dependiendo del peso corporal, para aplicar el menor estrés, ya que la deformación aumenta significativamente cuando el peso supera las 20 libras.

El análisis de elementos finitos obtiene resultados

Sarkar experimentó algunos inconvenientes durante sus análisis. Sin embargo, estos desafíos le dieron experiencia del mundo real sobre cómo resolver problemas de FEA, como seleccionar mejores configuraciones de malla y refinar el tamaño de los elementos.

Una vez que se completó su proyecto, Sarkar lo presentó a la feria Golden Gate STEM y ganó el segundo lugar. Como ganador de alto rango, también participó en la Feria de Ciencias e Ingeniería de California.

El uso de la simulación, dice Sarkar, no solo aceleró el proyecto, sino que lo permitió.

“Para este proyecto, sin simulación, no sería capaz de entender si la tensión y la presión están solo en la superficie, si van más adentro del cuerpo o si la postura está siendo alterada”, dice. “Tendría que pasar semanas y meses para realizar pruebas físicas y luego más tiempo para comprender si hubo efectos duraderos, lo que definitivamente tensaría mi cuerpo y ejercería presión sobre mí mismo. Las pruebas virtuales mediante simulación hacen que las cosas sean posibles y más seguras”.

Si bien la simulación de Ansys es conocida por su velocidad y precisión, lo que más llamó la atención de Sarkar fueron las interfaces fáciles de usar, dice. En Workbench, agradeció que las funciones de simulación se presentaran en una lista, lo que requería solo un clic para acceder y navegar por los siguientes pasos. También encontró Mechanical fácil de usar y le gustaron especialmente las animaciones detalladas en los resultados posteriores, que podía observar en movimiento.

“No he usado otros paquetes de software de simulación, pero definitivamente me gustó cómo la simulación de Ansys tiene muchas funciones, pero es bastante sencilla para un principiante como yo”, dice.

Para llevar su aprendizaje aún más lejos, Sarkar se puso en contacto con la oficina de Ansys en Pune, India, este verano mientras viajaba.

Discutió FEA en más detalle con los ingenieros y también exploró el Centro de aprendizaje de Ansys y los Cursos de innovación de Ansys. Introducción a Python, un curso de innovación sobre secuencias de comandos, despertó tanto su interés que le gustaría aprender a crear una aplicación para monitorear hábitos saludables de mochila utilizando datos de simulación exportados.

“Los cursos son bastante detallados y pude obtener muchos consejos de los ingenieros y hacerles preguntas, lo que es realmente útil para obtener sus puntos de vista”, dice. “También pude hablar con ingenieros que trabajaron con diferentes paquetes de software y preguntarles cómo funciona el software, dónde están los beneficios y qué hacen”.

Un futuro de estatura

Mirando hacia la universidad y una carrera profesional, Sarkar está más interesado en el campo biomédico de la ingeniería debido a sus intereses académicos combinados con sus experiencias personales.

“He usado audífonos todos los días desde el jardín de infantes y, a lo largo de los años, he usado algunos audífonos bastante antiguos que tenían problemas o que realmente no ayudaban, pero algunos han llegado bastante lejos e incluso ahora tienen Bluetooth”, dice. “Entonces, si tuviera que mirar hacia el futuro, definitivamente me gustaría centrarme en fabricar productos biomédicos que puedan ayudar a otros aprendiendo cómo se prueban los productos para que tengan una calidad específica y qué se puede hacer para mejorarlos. La simulación es definitivamente muy útil para entender esto”.