CON FUNDAMENTO
39
RESUMEN
CORTOCIRCUITOS ELÉCTRICOS
COMO FUENTE DE IGNICIÓN
EFICAZ EN MATERIALES
SÓLIDOS COMBUSTIBLES
Palabras clave:
cortocircuito, fuente de ignición efcaz,
transferencia de calor, pirólisis, materiales sólidos
combustibles.
Keywords:
short circuit, efective ignition source, heat
transfer, pyrolysis, combustible solid materials.
En condiciones controladas se generaron cortocircuitos
en conductores de cobre con tensión de 117 a 122 Volts
C.A., sobre 10 materiales sólidos combustibles de baja
densidad más comunes encontrados en muebles y
equipos en domicilios particulares y ofcinas con el fn de
observar si originaban un incendio. Cabe mencionar que,
se utilizan estos conductores por ser los más utilizados en
instalaciones eléctricas residenciales y comerciales. Se
documentaron los ensayos y se consideró una serie de
variables clave. Las pruebas consistieron en aproximar dos
conductores de cobre energizados con las puntas
enrolladas, colocando por debajo 10 sendos materiales
sólidos combustibles a distancias de 2.5 y 1.0 cm. Lo que
produjo calor radiante, fama y partículas incandescentes
de cobre fundido. Se registró: 1) distancia de proyección
de partículas incandescentes, 2) radio de las partículas
incandescentes (0.3910 ± 0.1803 mm), 3) tipo de daño en
el material, 4) radio del daño en la muestra por fama, y 5)
generación de fuego. Además de videograbar a alta
velocidad los ensayos a 2.5 cm. Después de desarrollar un
modelo fsicomatemático elemental, por medio de
método Montecarlo se calculó el tiempo de fundición de
los glóbulos de cobre (2.86 ms), el tiempo de
desplazamiento de las partículas expulsadas (60.67 ms
para una altura de un 1 cm, y 94.93 ms para 2.5 cm) y la
constante de enfriamiento (26.9 s-1). Los resultados
muestran que solo en un caso se produjo una combustión
autosostenida en la espuma de poliuretano que muy
probablemente causaría un incendio. Sin contradicción,
los resultados muestran que los cortocircuitos son
inefcaces para producir fuego autosostenido en
materiales sólidos combustibles a separaciones mayores
de 1 cm, a excepción de la espuma de poliuretano que
muy probablemente causaría un incendio.
Los incendios intencionales o accidentales son una causa
de pérdidas materiales y vidas, por lo cual es un tema
forense relevante. La investigación sobre causas de
generación de fuego implica un examen tanto de
muestras en laboratorio como la revisión del lugar de los
hechos (Kaur et al., 2022). No obstante, son más los
artículos que tratan el estudio de indicios en laboratorio
que en el lugar de investigación (Staufer, 2020). Aunque
existe literatura que aborda adecuadamente el trabajo de
campo, sigue siendo un tema de entrecruce de
especialidades como puede ser la ingeniería de
materiales, la química de la ignición de sustancias o la
distribución de calor en circuitos eléctricos (Staufer,
2020).
De acuerdo con estadísticas de la
National Fire Protection
Association
-NFPA, por sus siglas en ingles- realizadas en
Estados Unidos de América EE. UU., entre 2015-2019, se
tiene conocimiento que en viviendas familiares se
generan incendios con un 19 % en cocinas o área de
cocción de alimentos, 12 % en recámaras y 10 % en techos
o áticos y 6 % en montajes en muros y espacios ocultos
(
National Fire Protection Association
-NFPA-, 2024). En lo
referente a los incendios de casas de habitación causados
por fallas eléctricas o mal funcionamiento de algún
electrodoméstico, el 49 % de estos incendios se debió a la
instalación de distribución eléctrica y equipo de
iluminación, 15 % a instrumentos de cocina, 9 % en
aparatos de calefacción y 12% en otros dispositivos. En
consecuencia, las instalaciones de distribución eléctrica
son causantes potenciales de los incendios domésticos,
por fallas como sobrecalentamiento, arcos eléctricos y
cortocircuitos. De acuerdo con la NFPA 921 un
cortocircuito, es “Una conexión anormal de impedancia
relativamente baja, entre dos o más puntos de diferente
potencial.” (
National Fire Protection Association
-NFPA-,
2024). Cuando este efecto ocurre la corriente eléctrica se
transfere de un conductor a otro (fase-neutro)
produciendo una fusión en el punto de contacto entre
ambos conductores, lo que puede generar una muesca y
un glóbulo de cobre fundido, al unir los conductores se
produce una fama instantánea y la proyección radial de
partículas incandescentes de cobre fundido.
Hoy en día, sigue arraigada la idea errónea de localizar el
famoso “perlado” (glóbulo formado por la fusión del
cobre) y determinar al cortocircuito como iniciador del
fuego. El problema radica en dejar de considerar otras
fallas eléctricas como el sobrecalentamiento eléctrico por
carga de corriente o tensión excesiva en conductores
eléctricos, arcos eléctricos generados al cerrar o abrir un
circuito, en conexiones defcientes entre partes metálicas
CON FUNDAMENTO
Vicente Torres, José Bañuelos y Francisco Piliado / Revista Científca Diálogo Forense / Núm. 10, Vol. 5 / julio-diciembre 2024/ pp.
1-12
Diálogo Forense
Núm. 10 , Vol. 5, 2024
ISSN: 2789-8458
Vicente Torres Zúñiga
Escuela Nacional de Ciencias
Forenses -ENaCiF-
Universidad Nacional Autónoma
de México –UNAM-
vicentetorres@enacif.unam.mx
José Guadalupe Bañuelos Muñetón
Instituto de Ciencias Aplicadas y
Tecnología –ICAT-
Universidad Nacional Autónoma de
México –UNAM-
guadalupe.banuelos@icat.unam.mx
Francisco Javier Piliado Velasco
Escuela Nacional de Ciencias Forenses
-ENaCiF-
Asociación Nacional de Investigadores
Forenses en Incendios, Explosiones y
Explosivos S.C. –ANIFIEE-
francisco.piliado@anifee.com.mx
Recibido: 18/09/2024
Aceptado: 19/11/2024
o puestas a tierra, lámparas incandescentes cerca de
materiales combustibles y aparatos generadores de calor
como hornos, motores, o balastros (Yan et al., 2021; Svare
y Hanke, 2023; Korinek, 2022). Si bien se cuenta con
publicaciones de análisis metalúrgicos (Riyanto y Ferdian,
2023), termoestructurales (Yu et al., 2020), e incluso por
análisis de imágenes por inteligencia artifcial (Wang et al.,
2022), es escasa la literatura especializada que cuestione
la idea de la localización de glóbulos en las puntas de
conductores de cobre que implique directamente que la
causa de incendio comenzó por un cortocircuito.
Esta investigación tuvo como objetivos medir la distancia
de propagación de partículas incandescentes producto
de un corto circuito, calcular el tiempo de formación y de
desplazamiento de las partículas incandescentes
derivados de los cortos circuitos y posteriormente
registrar los resultados de los ensayos con cortos circuitos
y materiales solidos combustibles. Para confrmar o
descartar si los cortos circuitos generados en
instalaciones eléctricas de 110 a 117 volts pueden generar
una combustión autosostenida en materiales sólidos
combustibles de baja densidad más comunes localizados
en viviendas, ofcinas y en pequeños negocios.
El documento presenta una serie de demostraciones de la
producción de partículas incandescentes producidas por
cortocircuitos y sus efectos en materiales infamables
ubicados a corta distancia de la fuente. Se presentan
modelos de tiempo en donde se produce el glóbulo de
cobre a alta temperatura. Además, estimamos el tiempo
de desplazamiento de estas partículas, variable que
relacionamos con la ley de enfriamiento de Newton para
obtener el parámetro de enfriamiento. Mediante método
Montecarlo se calculan los valores representativos y sus
intervalos de incertidumbre. Tanto con los datos
cualitativos como con los cuantitativos observamos las
limitaciones de este mecanismo para iniciar un incendio.
Esperamos que esta información sea útil para realizar
investigaciones forenses más exactas.
CON FUNDAMENTO
40
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
Los incendios intencionales o accidentales son una causa
de pérdidas materiales y vidas, por lo cual es un tema
forense relevante. La investigación sobre causas de
generación de fuego implica un examen tanto de
muestras en laboratorio como la revisión del lugar de los
hechos (Kaur et al., 2022). No obstante, son más los
artículos que tratan el estudio de indicios en laboratorio
que en el lugar de investigación (Staufer, 2020). Aunque
existe literatura que aborda adecuadamente el trabajo de
campo, sigue siendo un tema de entrecruce de
especialidades como puede ser la ingeniería de
materiales, la química de la ignición de sustancias o la
distribución de calor en circuitos eléctricos (Staufer,
2020).
De acuerdo con estadísticas de la
National Fire Protection
Association
-NFPA, por sus siglas en ingles- realizadas en
Estados Unidos de América EE. UU., entre 2015-2019, se
tiene conocimiento que en viviendas familiares se
generan incendios con un 19 % en cocinas o área de
cocción de alimentos, 12 % en recámaras y 10 % en techos
o áticos y 6 % en montajes en muros y espacios ocultos
(
National Fire Protection Association
-NFPA-, 2024). En lo
referente a los incendios de casas de habitación causados
por fallas eléctricas o mal funcionamiento de algún
electrodoméstico, el 49 % de estos incendios se debió a la
instalación de distribución eléctrica y equipo de
iluminación, 15 % a instrumentos de cocina, 9 % en
aparatos de calefacción y 12% en otros dispositivos. En
consecuencia, las instalaciones de distribución eléctrica
son causantes potenciales de los incendios domésticos,
por fallas como sobrecalentamiento, arcos eléctricos y
cortocircuitos. De acuerdo con la NFPA 921 un
cortocircuito, es “Una conexión anormal de impedancia
relativamente baja, entre dos o más puntos de diferente
potencial.” (
National Fire Protection Association
-NFPA-,
2024). Cuando este efecto ocurre la corriente eléctrica se
transfere de un conductor a otro (fase-neutro)
produciendo una fusión en el punto de contacto entre
ambos conductores, lo que puede generar una muesca y
un glóbulo de cobre fundido, al unir los conductores se
produce una fama instantánea y la proyección radial de
partículas incandescentes de cobre fundido.
Hoy en día, sigue arraigada la idea errónea de localizar el
famoso “perlado” (glóbulo formado por la fusión del
cobre) y determinar al cortocircuito como iniciador del
fuego. El problema radica en dejar de considerar otras
fallas eléctricas como el sobrecalentamiento eléctrico por
carga de corriente o tensión excesiva en conductores
eléctricos, arcos eléctricos generados al cerrar o abrir un
circuito, en conexiones defcientes entre partes metálicas
Vicente Torres, José Bañuelos y Francisco Piliado / Revista Científca Diálogo Forense / Núm. 10, Vol. 5 / julio-diciembre 2024/ pp.
2-12
Under controlled conditions, short circuits with voltages from 117 to 122 Volts were generated on ten low-density
combustible solid materials most common found in furniture and equipment in private homes and ofces to observe
whether they caused a fre. It is worth mentioning that these conductors are used because they are the most used in
residential and commercial electrical installations.
The tests were documented, and a series of key variables were considered. The tests comprised joining the energized
copper conductors with the coiled ends, placing 10 solid combustible materials underneath at distances of 2.5 and 1.0
cm. Radiant heat, fame and incandescent particles of molten copper were produced. The following recorded: 1)
projection distance of incandescent particles, 2) radius of incandescent particles (0.3910 ± 0.1803 mm), 3) type of
damage to the material, 4) radius of damage to the sample by fame, and 5) fre generation. In addition, high-speed
videotaping of the tests at 2.5 cm is presented. After developing an elementary physical-mathematical model, the
melting time of the copper globules (2.86 ms), the fight time of the ejected particles (60.67 ms for a height of 1 cm, and
94.93 ms for 2.5 cm) and the cooling constant (26.9 s-1) were calculated using the Monte Carlo method. The results show
that only in one case did self-sustaining combustion occurs in the polyurethane foam, which would most probable cause
a fre. Without contradiction, the results show short circuits are inefective in producing self-sustaining fre in
combustible solid materials at distances greater than 1 cm, except for polyurethane foam, which would most probable
cause a fre.
o puestas a tierra, lámparas incandescentes cerca de
materiales combustibles y aparatos generadores de calor
como hornos, motores, o balastros (Yan et al., 2021; Svare
y Hanke, 2023; Korinek, 2022). Si bien se cuenta con
publicaciones de análisis metalúrgicos (Riyanto y Ferdian,
2023), termoestructurales (Yu et al., 2020), e incluso por
análisis de imágenes por inteligencia artifcial (Wang et al.,
2022), es escasa la literatura especializada que cuestione
la idea de la localización de glóbulos en las puntas de
conductores de cobre que implique directamente que la
causa de incendio comenzó por un cortocircuito.
Esta investigación tuvo como objetivos medir la distancia
de propagación de partículas incandescentes producto
de un corto circuito, calcular el tiempo de formación y de
desplazamiento de las partículas incandescentes
derivados de los cortos circuitos y posteriormente
registrar los resultados de los ensayos con cortos circuitos
y materiales solidos combustibles. Para confrmar o
descartar si los cortos circuitos generados en
instalaciones eléctricas de 110 a 117 volts pueden generar
una combustión autosostenida en materiales sólidos
combustibles de baja densidad más comunes localizados
en viviendas, ofcinas y en pequeños negocios.
El documento presenta una serie de demostraciones de la
producción de partículas incandescentes producidas por
cortocircuitos y sus efectos en materiales infamables
ubicados a corta distancia de la fuente. Se presentan
modelos de tiempo en donde se produce el glóbulo de
cobre a alta temperatura. Además, estimamos el tiempo
de desplazamiento de estas partículas, variable que
relacionamos con la ley de enfriamiento de Newton para
obtener el parámetro de enfriamiento. Mediante método
Montecarlo se calculan los valores representativos y sus
intervalos de incertidumbre. Tanto con los datos
cualitativos como con los cuantitativos observamos las
limitaciones de este mecanismo para iniciar un incendio.
Esperamos que esta información sea útil para realizar
investigaciones forenses más exactas.
CON FUNDAMENTO
41
El domingo 6 de marzo de 2016, un artefacto explotó en
el interior de un autobús del transporte público en la
zona 4, de San José Pinula, Guatemala, el cual dejó dos
personas muertas y 17 heridas. Fue en el Laboratorio de
Fisicoquímica del Instituto Nacional de Ciencias Forenses
de Guatemala -INACIF- en donde se descubrió que la
carga explosiva utilizada fue
fash powder,
de baja
potencia, pero peligrosa; también se detectó el
combustible empleado. De esa manera se contribuyó al
esclarecimiento del caso y a la deducción de las
responsabilidades penales y civiles.
Ese es uno de los muchos casos en los que el Laboratorio
de Fisicoquímica ha intervenido por orden de autoridad
competente, cuya historia se remonta al origen del
INACIF en 2007. Empezó a operar con un equipo de
absorción atómica y ahora cuenta con más tecnología
moderna, como el microscopio electrónico de barrido
con detector de energía dispersiva de rayos X, con el cual
se realizan diversos análisis de elementos de la Tabla
Periódica.
La licenciada Brenda Jeanette Tello, jefa del laboratorio,
explica que la metodología de análisis de residuos de
fulminantes en manos de personas sospechosas de haber
disparado un arma de fuego tiene acreditaciones de
calidad iguales a los de 71 países, incluyendo a Estados
Unidos, así como de Europa. “La norma pide que la
unidad de detección de una partícula sea de un
micrómetro y este año cumplimos con 0.4 micrómetros,
mucho más pequeño de lo establecido en la norma”,
precisa Tello.
El laboratorio tiene un Espectrofotómetro
Ultravioleta/Visible, que detecta herbicidas de la familia
bipiridilo: Paraquat y Diquat. También dispone de En las
En las terminales de los cables utilizados en los
cortocircuitos, observados en la fgura 5, se puede notar
que presentan fusión de cobre con formas de muescas o
huecos producidos por la transferencia de material del
primer conductor y glóbulos generados por el aporte de
material sobre el segundo conductor, en ambos casos
debidos al impacto al paso de la corriente eléctrica.
Los glóbulos o perlas de cobre fundido proyectados
durante los experimentos también se recolectaron para
observar sus características físicas mediante microscopia
estereoscópica, utilizando un equipo marca Leika, modelo
EZ4 (fgura 6). Es importante mencionar que y mediante
es uso de un Tracker-Physics se realizaron mediciones del
radio de la circunferencia ajustada a los contornos de los
glóbulos (fgura 7). El radio mínimo medido fue 0.1164
mm y el máximo de 0.9297 mm, en una distribución
asimétrica como puede observarse en la Figura 8, con un
valor promedio de 0.3910 ± 0.1803 mm. En cuanto a la
forma de la distribución como el tamaño de las partículas,
cabe resaltar que estas medidas son coherentes a las
reportadas por Riyanto y Ferdian (2023), Yu et al. (2020) y
Wang et al. (2022).
Como se mencionó, por medio de video se registraron las
distancias de proyección de las partículas incandescentes,
tomando como distancia de proyección su localización, ya
que las partículas impactan en la superfcie horizontal y
rebotan. También fue documentado el radio del daño
causado por los efectos del cortocircuito a los recuadros
Por último, fue registrada durante la experimentación, una
combustión autosostenida que progresó en la generación
de fuego en el material sólido combustible; resaltamos
que este efecto únicamente fue observado en la espuma
rígida de poliuretano que se encontraba a 1 cm de altura.
Los resultados se resumen en la tabla 1, en cuanto a las
temperaturas de ignición a las que se hacen referencia en
la tabla fueron obtenidas de la literatura (
National Fire
Protection Association
-NFPA-, 2024; NFPA, 2009).
Los incendios intencionales o accidentales son una causa
de pérdidas materiales y vidas, por lo cual es un tema
forense relevante. La investigación sobre causas de
generación de fuego implica un examen tanto de
muestras en laboratorio como la revisión del lugar de los
hechos (Kaur et al., 2022). No obstante, son más los
artículos que tratan el estudio de indicios en laboratorio
que en el lugar de investigación (Staufer, 2020). Aunque
existe literatura que aborda adecuadamente el trabajo de
campo, sigue siendo un tema de entrecruce de
especialidades como puede ser la ingeniería de
materiales, la química de la ignición de sustancias o la
distribución de calor en circuitos eléctricos (Staufer,
2020).
De acuerdo con estadísticas de la
National Fire Protection
Association
-NFPA, por sus siglas en ingles- realizadas en
Estados Unidos de América EE. UU., entre 2015-2019, se
tiene conocimiento que en viviendas familiares se
generan incendios con un 19 % en cocinas o área de
cocción de alimentos, 12 % en recámaras y 10 % en techos
o áticos y 6 % en montajes en muros y espacios ocultos
(
National Fire Protection Association
-NFPA-, 2024). En lo
referente a los incendios de casas de habitación causados
por fallas eléctricas o mal funcionamiento de algún
electrodoméstico, el 49 % de estos incendios se debió a la
instalación de distribución eléctrica y equipo de
iluminación, 15 % a instrumentos de cocina, 9 % en
aparatos de calefacción y 12% en otros dispositivos. En
consecuencia, las instalaciones de distribución eléctrica
son causantes potenciales de los incendios domésticos,
por fallas como sobrecalentamiento, arcos eléctricos y
cortocircuitos. De acuerdo con la NFPA 921 un
cortocircuito, es “Una conexión anormal de impedancia
relativamente baja, entre dos o más puntos de diferente
potencial.” (
National Fire Protection Association
-NFPA-,
2024). Cuando este efecto ocurre la corriente eléctrica se
transfere de un conductor a otro (fase-neutro)
produciendo una fusión en el punto de contacto entre
ambos conductores, lo que puede generar una muesca y
un glóbulo de cobre fundido, al unir los conductores se
produce una fama instantánea y la proyección radial de
partículas incandescentes de cobre fundido.
Hoy en día, sigue arraigada la idea errónea de localizar el
famoso “perlado” (glóbulo formado por la fusión del
cobre) y determinar al cortocircuito como iniciador del
fuego. El problema radica en dejar de considerar otras
fallas eléctricas como el sobrecalentamiento eléctrico por
carga de corriente o tensión excesiva en conductores
eléctricos, arcos eléctricos generados al cerrar o abrir un
circuito, en conexiones defcientes entre partes metálicas
o puestas a tierra, lámparas incandescentes cerca de
materiales combustibles y aparatos generadores de calor
como hornos, motores, o balastros (Yan et al., 2021; Svare
y Hanke, 2023; Korinek, 2022). Si bien se cuenta con
publicaciones de análisis metalúrgicos (Riyanto y Ferdian,
2023), termoestructurales (Yu et al., 2020), e incluso por
análisis de imágenes por inteligencia artifcial (Wang et al.,
2022), es escasa la literatura especializada que cuestione
la idea de la localización de glóbulos en las puntas de
conductores de cobre que implique directamente que la
causa de incendio comenzó por un cortocircuito.
Esta investigación tuvo como objetivos medir la distancia
de propagación de partículas incandescentes producto
de un corto circuito, calcular el tiempo de formación y de
desplazamiento de las partículas incandescentes
derivados de los cortos circuitos y posteriormente
registrar los resultados de los ensayos con cortos circuitos
y materiales solidos combustibles. Para confrmar o
descartar si los cortos circuitos generados en
instalaciones eléctricas de 110 a 117 volts pueden generar
una combustión autosostenida en materiales sólidos
combustibles de baja densidad más comunes localizados
en viviendas, ofcinas y en pequeños negocios.
El documento presenta una serie de demostraciones de la
producción de partículas incandescentes producidas por
cortocircuitos y sus efectos en materiales infamables
ubicados a corta distancia de la fuente. Se presentan
modelos de tiempo en donde se produce el glóbulo de
cobre a alta temperatura. Además, estimamos el tiempo
de desplazamiento de estas partículas, variable que
relacionamos con la ley de enfriamiento de Newton para
obtener el parámetro de enfriamiento. Mediante método
Montecarlo se calculan los valores representativos y sus
intervalos de incertidumbre. Tanto con los datos
cualitativos como con los cuantitativos observamos las
limitaciones de este mecanismo para iniciar un incendio.
Esperamos que esta información sea útil para realizar
investigaciones forenses más exactas.
Fundamentos y modelos temporales de fuego por
cortocircuito
Por consenso, consideramos que el origen es el lugar
físico donde se genera o inicia el fuego y la causa son las
circunstancias, y condiciones que favorecen la interacción
de un combustible, un comburente y calor como fuente
de ignición efcaz, resultando en la generación de fuego
que posteriormente sin un control adecuado se convertirá
en un incendio (Quintiere, 2006). En este sentido de ideas,
metodológicamente no es posible determinar una causa,
si no existe la primicia sobre el origen del fuego.
Tiempo de formación del glóbulo de cobre
El tiempo necesario para fundir un glóbulo de cobre lo
modelamos mediante consideraciones esenciales de
física. La corriente eléctrica I que fuye en un cable
conductor aumenta su temperatura a causa de la
resistencia eléctrica R del material (Riveros, 1998).
Teniendo la potencia que disipa el cable (energía por
unidad de tiempo) P debida al efecto Joule se puede
expresar cómo una función de la resistencia eléctrica R
(Riveros, 1998):
Por su parte, las condiciones del caso implican que la
resistencia tiene un comportamiento de acuerdo con la
ley de Ohm, pues consideramos al material como óhmico
hasta el punto de la fundición (Matula, 1979), y la
frecuencia de transmisión de la corriente alterna no es
alta. De modo que la energía térmica neta Q que se disipa
en un tiempo t es (Callen, 1985; Quintiere, 2006):
Donde σ es la resistividad del cobre, L es la longitud del
elemento de masa utilizado y A el área transversal del
cable. Por otro lado, el calor necesario para fundir una
masa m de cobre incluye la energía sufciente para elevar
la temperatura del cobre hasta su punto de fusión, más el
calor latente de fusión para cambiar de fase de sólida a
líquida. Lo que se puede escribir como (Callen, 1985;
Quintiere, 2006):
METODOLOGÍA
2
Δ
Vicente Torres, José Bañuelos y Francisco Piliado / Revista Científca Diálogo Forense / Núm. 10, Vol. 5 / julio-diciembre 2024/ pp.
3-12
CON FUNDAMENTO
42
Donde c es el calor específco del cobre, ΔT es el cambio de
temperatura de ambiente hasta su fusión, m es la masa del
elemento de cobre y K
f
es el calor latente de fusión del
cobre. Por ser pequeño el glóbulo, la tensión superfcial
obliga a la masa fundida metálica a adquirir la forma
esférica (Aqra y Ayyad, 2011). Su masa se puede escribir en
términos de su radio r y su densidad ρ como: m=ρ(4/3 πr3).
De acuerdo con esto calor generado al fuir de la corriente
eléctrica en el cable es igual al calor necesario para derretir
el cobre. Así, igualamos las ecuaciones 2 y 3, y reescribimos
la masa en términos de la densidad. Obtenemos la
siguiente expresión:
El área transversal es un círculo y la longitud es el diámetro
de la esfera, es decir: L = 2r. Entonces, la relación de la
ecuación 4 la podemos simplifcar como:
El tiempo de fundición es la variable estimable de una
medición independiente para el cobre con los datos de σ,
ρ, c, K
f,
y la temperatura de fusión T
f
, pues han sido
reportadas en la literatura especializada (Lide, 2015),
mientras que la temperatura inicial es la temperatura
ambiente y r se puede obtener del promedio de las
dimensiones de los productos obtenidos en ensayos
controlados. Despejando t obtenemos:
Tiempo de desplazamiento de partículas
incandescentes
Del punto de la fuente las partículas incandescentes son
expulsadas sin una dirección preferencial, por lo que
podemos suponer una dispersión homogénea de los
fragmentos de cobre. Es decir, forma una esfera con centro
en la punta del cable. Así, el conjunto de trayectorias
proyecta un círculo en la superfcie horizontal e inferior a la
punta del cable. Si el punto (X, -Y) es parte de la
circunferencia, entonces la velocidad mínima de la
partícula proyectada según Walker y Syed (2008) es:
Pueden existir velocidades más altas que v
0 para
alcanzar el punto (X, -Y), por lo que sus trayectorias pueden
ser diversas. Por ejemplo, una partícula a alta velocidad
puede alcanzar (X, -Y) en trayectoria recta. Sin embargo,
vmin0 acota la velocidad mínima de las partículas para
formar el patrón observado.
Por otro lado, la trayectoria más corta en el patrón circular
es la que parte del punto de origen y desciende en caída
libre hasta la superfcie del material incandescente. La
ecuación general de caída libre según Serway y Jewett
(2019) es:
Considerando que la partícula parte del punto (0, 0) y
alcanza la coordenada (0, -Y), podemos escribir:
Es decir
Que es una ecuación cuadrática con la forma:
Donde
La solución general de
t
es (Lehmann, 1990):
El tiempo debe ser positivo, por lo que la única solución
coherente es:
Esta ecuación es congruente, pues depende de la
velocidad inicial y una contribución de la distancia vertical,
la cual es corregida. Es decir, el tiempo solo es cero cuando
Y = 0 y aumenta monótonamente siguiendo una ecuación
parabólica. Considerando la velocidad mínima de
lanzamiento de partículas (Ec. (7)). Podemos escribir:
Los incendios intencionales o accidentales son una causa
de pérdidas materiales y vidas, por lo cual es un tema
forense relevante. La investigación sobre causas de
generación de fuego implica un examen tanto de
muestras en laboratorio como la revisión del lugar de los
hechos (Kaur et al., 2022). No obstante, son más los
artículos que tratan el estudio de indicios en laboratorio
que en el lugar de investigación (Staufer, 2020). Aunque
existe literatura que aborda adecuadamente el trabajo de
campo, sigue siendo un tema de entrecruce de
especialidades como puede ser la ingeniería de
materiales, la química de la ignición de sustancias o la
distribución de calor en circuitos eléctricos (Staufer,
2020).
De acuerdo con estadísticas de la
National Fire Protection
Association
-NFPA, por sus siglas en ingles- realizadas en
Estados Unidos de América EE. UU., entre 2015-2019, se
tiene conocimiento que en viviendas familiares se
generan incendios con un 19 % en cocinas o área de
cocción de alimentos, 12 % en recámaras y 10 % en techos
o áticos y 6 % en montajes en muros y espacios ocultos
(
National Fire Protection Association
-NFPA-, 2024). En lo
referente a los incendios de casas de habitación causados
por fallas eléctricas o mal funcionamiento de algún
electrodoméstico, el 49 % de estos incendios se debió a la
instalación de distribución eléctrica y equipo de
iluminación, 15 % a instrumentos de cocina, 9 % en
aparatos de calefacción y 12% en otros dispositivos. En
consecuencia, las instalaciones de distribución eléctrica
son causantes potenciales de los incendios domésticos,
por fallas como sobrecalentamiento, arcos eléctricos y
cortocircuitos. De acuerdo con la NFPA 921 un
cortocircuito, es “Una conexión anormal de impedancia
relativamente baja, entre dos o más puntos de diferente
potencial.” (
National Fire Protection Association
-NFPA-,
2024). Cuando este efecto ocurre la corriente eléctrica se
transfere de un conductor a otro (fase-neutro)
produciendo una fusión en el punto de contacto entre
ambos conductores, lo que puede generar una muesca y
un glóbulo de cobre fundido, al unir los conductores se
produce una fama instantánea y la proyección radial de
partículas incandescentes de cobre fundido.
Hoy en día, sigue arraigada la idea errónea de localizar el
famoso “perlado” (glóbulo formado por la fusión del
cobre) y determinar al cortocircuito como iniciador del
fuego. El problema radica en dejar de considerar otras
fallas eléctricas como el sobrecalentamiento eléctrico por
carga de corriente o tensión excesiva en conductores
eléctricos, arcos eléctricos generados al cerrar o abrir un
circuito, en conexiones defcientes entre partes metálicas
o puestas a tierra, lámparas incandescentes cerca de
materiales combustibles y aparatos generadores de calor
como hornos, motores, o balastros (Yan et al., 2021; Svare
y Hanke, 2023; Korinek, 2022). Si bien se cuenta con
publicaciones de análisis metalúrgicos (Riyanto y Ferdian,
2023), termoestructurales (Yu et al., 2020), e incluso por
análisis de imágenes por inteligencia artifcial (Wang et al.,
2022), es escasa la literatura especializada que cuestione
la idea de la localización de glóbulos en las puntas de
conductores de cobre que implique directamente que la
causa de incendio comenzó por un cortocircuito.
Esta investigación tuvo como objetivos medir la distancia
de propagación de partículas incandescentes producto
de un corto circuito, calcular el tiempo de formación y de
desplazamiento de las partículas incandescentes
derivados de los cortos circuitos y posteriormente
registrar los resultados de los ensayos con cortos circuitos
y materiales solidos combustibles. Para confrmar o
descartar si los cortos circuitos generados en
instalaciones eléctricas de 110 a 117 volts pueden generar
una combustión autosostenida en materiales sólidos
combustibles de baja densidad más comunes localizados
en viviendas, ofcinas y en pequeños negocios.
El documento presenta una serie de demostraciones de la
producción de partículas incandescentes producidas por
cortocircuitos y sus efectos en materiales infamables
ubicados a corta distancia de la fuente. Se presentan
modelos de tiempo en donde se produce el glóbulo de
cobre a alta temperatura. Además, estimamos el tiempo
de desplazamiento de estas partículas, variable que
relacionamos con la ley de enfriamiento de Newton para
obtener el parámetro de enfriamiento. Mediante método
Montecarlo se calculan los valores representativos y sus
intervalos de incertidumbre. Tanto con los datos
cualitativos como con los cuantitativos observamos las
limitaciones de este mecanismo para iniciar un incendio.
Esperamos que esta información sea útil para realizar
investigaciones forenses más exactas.
Vicente Torres, José Bañuelos y Francisco Piliado / Revista Científca Diálogo Forense / Núm. 10, Vol. 5 / julio-diciembre 2024/ pp.
4-12
Simplifcando
Si consideramos R como el radio del círculo proyectado
por las partículas incandescentes, entonces podemos
simplifcar la ecuación a:
Este es el mayor tiempo en que viaja la partícula de la
punta del conductor a la base considerando que forma un
círculo de radio R. La raíz siempre existe, porque R ≥ Y. Si la
altura es cero, el tiempo es cero. Si X = 0, entonces el círculo
proyectado solo es un punto, en tal caso el tiempo es t=
√(2Y/g), que es un resultado conocido de las ecuaciones
de caída libre (Serway y Jewett, 2019). Durante el tiempo
de desplazamiento la temperatura de la partícula
disminuye de la temperatura de fundición a una inferior
que incluso puede ser menor a límite para que el material
comience la pirolisis. Completamos este tiempo de
desplazamiento con un modelo de disminución de
temperatura en función del tiempo.
Modelo de enfriamiento de la esfera
Durante el desplazamiento la esfera se enfría, y mediante
la ley de enfriamiento de Newton describimos el cambio
de la temperatura en función del tiempo. Considerando
que h es el coefciente de transferencia de calor entre la
esfera y el medio, también conocida como constante de
enfriamiento. Escribimos la relación de la disminución de
la temperatura en el tiempo como (Davidzon, 2012):
Con las condiciones iniciales de T (0) = T
i
y por simplicidad
supondremos T∞ T
m
. Es decir, el equilibrio se alcanza a la
temperatura ambiente T
m
. Por lo que obtenemos:
Con los datos recabados podemos calcular
h
. Sea la
temperatura de fundición
T
f
, que disminuye hasta la
cantidad límite de ignición del material
T
2
. En un lapso de
t
1
a
t
2
. Podemos escribir:
El modelo es funcional y simple, pues no considera la
disminución de temperatura por otros medios, excepto la
interacción de la partícula viajando por el aire, formado
una corriente de convección de primer orden.
Demostración empírica
Realizamos una demostración clara y efectiva con 10
materiales sólidos combustibles, colocados a una distancia
de entre 2.5 cm y posteriormente a 1 cm, respecto a la
unión de los polos eléctricos de cables cortocircuitados
para generar partículas incandescentes y observar sus
efectos en los materiales. Como instalación se utilizó un
laboratorio de electromagnetismo para la enseñanza de la
física a nivel licenciatura, donde se eliminaron las
corrientes de aire cerrando ventanas y puertas, además se
conservó la temperatura ambiente promedio a 27°C
(300.15 K). Se utilizó una mesa de laboratorio con cubierta
de madera, donde se colocó un lienzo negro de tela
poliéster para contrastar con el fondo y mejorar la
observación de los efectos del cortocircuito. Sobre el
lienzo se instaló un soporte universal metálico para sujetar
una terminal del cable conductor, debajo de esta terminal,
con las puntas enrolladas se colocaron recuadros de 15×15
cm de las muestras de materiales combustibles,
respectivamente (fgura 1).
El circuito eléctrico se conformó de tres metros de cable
dúplex del calibre 14 AWG, en uno de los extremos se
colocó una clavija de baquelita para su conexión eléctrica
polarizada con un suministro de 122 V en corriente alterna,
respaldado por un interruptor termomagnético de 15 A en
su respectivo gabinete. En el otro extremo, el forro aislante
fue retirado dos cms en ambas terminales, para realizar la
unión de la fase y neutro. Además, fue colocado material
combustible debajo de ambos cables con las puntas
enrolladas, posteriormente, se energiza el circuito y se
realizaron los ensayos a 2.5 cm y a una distancia de 1 cm de
separación entre el cable y el material combustible. Los
conductores energizados fueron unidos y se generó el
cortocircuito. Así, se fueron producidas famas y partículas
incandescentes por la fundición de cobre, que contactaron
directamente con el material combustible, incluyendo el
lienzo negro de colocado al fondo. Este experimento se
realizó 2 veces con cada muestra (fgura 2).
El contacto eléctrico se videograbó con una cámara de alta
velocidad, Chronos, modelo 1.4.4, con una velocidad de
captura de 1,057 fps y una resolución de 1280 x 1024
píxeles. Se utilizó iluminación continua con una lámpara
de
led,
Godox
,
modelo SL200. Cabe mencionar, que no o se
utilizó una caja de Faraday para proteger a la cámara de los
pulsos electromagnéticos producidos por el cortocircuito,
por lo que la cámara no logro registrar algunos eventos
pese a estar desconectada de la toma de corriente del
laboratorio. Para futuros trabajos es conveniente
considerar la protección electromagnética de la cámara.
Los videos obtenidos se editaron en el programa
Tracker-Physics, que permite la selección precisa de
fotogramas. Así para ajustar el lapso del proceso, se
consideraron 20 fotogramas preliminares para marcar el
primer fotograma donde hacen contacto los cables y se
produce una iluminación intensa, el último fotograma se
consideró después de la producción de las famas y
partículas incandescentes que impactaron en las
muestras. Para observar mejor las imágenes, se utilizó un
fltro con brillo y contraste de 66 y 73 unidades del
programa, respectivamente.
Durante el desarrollo de los experimentos se observaron
los efectos físicos, los cuales fueron documentados
mediante videos, fotografías y mediciones. Se puede
consultar el video (con efectos de sonido) de 9 materiales
no se incluye el plástico para emplayar) que resume la
experiencia a 2.5 cm en la dirección electrónica
https://youtu.be/ii9PgRCKUn4.
En la fgura 3, se observan los daños ocasionados por la
fama y partículas incandescentes a los materiales sólidos
combustibles. En la fgura 4 podemos notar la forma en la
que se midió el daño a cada una de las muestras, lo que fue
documentado.
CON FUNDAMENTO
43
Los incendios intencionales o accidentales son una causa
de pérdidas materiales y vidas, por lo cual es un tema
forense relevante. La investigación sobre causas de
generación de fuego implica un examen tanto de
muestras en laboratorio como la revisión del lugar de los
hechos (Kaur et al., 2022). No obstante, son más los
artículos que tratan el estudio de indicios en laboratorio
que en el lugar de investigación (Staufer, 2020). Aunque
existe literatura que aborda adecuadamente el trabajo de
campo, sigue siendo un tema de entrecruce de
especialidades como puede ser la ingeniería de
materiales, la química de la ignición de sustancias o la
distribución de calor en circuitos eléctricos (Staufer,
2020).
De acuerdo con estadísticas de la
National Fire Protection
Association
-NFPA, por sus siglas en ingles- realizadas en
Estados Unidos de América EE. UU., entre 2015-2019, se
tiene conocimiento que en viviendas familiares se
generan incendios con un 19 % en cocinas o área de
cocción de alimentos, 12 % en recámaras y 10 % en techos
o áticos y 6 % en montajes en muros y espacios ocultos
(
National Fire Protection Association
-NFPA-, 2024). En lo
referente a los incendios de casas de habitación causados
por fallas eléctricas o mal funcionamiento de algún
electrodoméstico, el 49 % de estos incendios se debió a la
instalación de distribución eléctrica y equipo de
iluminación, 15 % a instrumentos de cocina, 9 % en
aparatos de calefacción y 12% en otros dispositivos. En
consecuencia, las instalaciones de distribución eléctrica
son causantes potenciales de los incendios domésticos,
por fallas como sobrecalentamiento, arcos eléctricos y
cortocircuitos. De acuerdo con la NFPA 921 un
cortocircuito, es “Una conexión anormal de impedancia
relativamente baja, entre dos o más puntos de diferente
potencial.” (
National Fire Protection Association
-NFPA-,
2024). Cuando este efecto ocurre la corriente eléctrica se
transfere de un conductor a otro (fase-neutro)
produciendo una fusión en el punto de contacto entre
ambos conductores, lo que puede generar una muesca y
un glóbulo de cobre fundido, al unir los conductores se
produce una fama instantánea y la proyección radial de
partículas incandescentes de cobre fundido.
Hoy en día, sigue arraigada la idea errónea de localizar el
famoso “perlado” (glóbulo formado por la fusión del
cobre) y determinar al cortocircuito como iniciador del
fuego. El problema radica en dejar de considerar otras
fallas eléctricas como el sobrecalentamiento eléctrico por
carga de corriente o tensión excesiva en conductores
eléctricos, arcos eléctricos generados al cerrar o abrir un
circuito, en conexiones defcientes entre partes metálicas
o puestas a tierra, lámparas incandescentes cerca de
materiales combustibles y aparatos generadores de calor
como hornos, motores, o balastros (Yan et al., 2021; Svare
y Hanke, 2023; Korinek, 2022). Si bien se cuenta con
publicaciones de análisis metalúrgicos (Riyanto y Ferdian,
2023), termoestructurales (Yu et al., 2020), e incluso por
análisis de imágenes por inteligencia artifcial (Wang et al.,
2022), es escasa la literatura especializada que cuestione
la idea de la localización de glóbulos en las puntas de
conductores de cobre que implique directamente que la
causa de incendio comenzó por un cortocircuito.
Esta investigación tuvo como objetivos medir la distancia
de propagación de partículas incandescentes producto
de un corto circuito, calcular el tiempo de formación y de
desplazamiento de las partículas incandescentes
derivados de los cortos circuitos y posteriormente
registrar los resultados de los ensayos con cortos circuitos
y materiales solidos combustibles. Para confrmar o
descartar si los cortos circuitos generados en
instalaciones eléctricas de 110 a 117 volts pueden generar
una combustión autosostenida en materiales sólidos
combustibles de baja densidad más comunes localizados
en viviendas, ofcinas y en pequeños negocios.
El documento presenta una serie de demostraciones de la
producción de partículas incandescentes producidas por
cortocircuitos y sus efectos en materiales infamables
ubicados a corta distancia de la fuente. Se presentan
modelos de tiempo en donde se produce el glóbulo de
cobre a alta temperatura. Además, estimamos el tiempo
de desplazamiento de estas partículas, variable que
relacionamos con la ley de enfriamiento de Newton para
obtener el parámetro de enfriamiento. Mediante método
Montecarlo se calculan los valores representativos y sus
intervalos de incertidumbre. Tanto con los datos
cualitativos como con los cuantitativos observamos las
limitaciones de este mecanismo para iniciar un incendio.
Esperamos que esta información sea útil para realizar
investigaciones forenses más exactas.
Figura 1.
Fotografía del área de experimentación de los cortocircuitos.
Vicente Torres, José Bañuelos y Francisco Piliado / Revista Científca Diálogo Forense / Núm. 10, Vol. 5 / julio-diciembre 2024/ pp.
5-12
Simplifcando
Si consideramos R como el radio del círculo proyectado
por las partículas incandescentes, entonces podemos
simplifcar la ecuación a:
Este es el mayor tiempo en que viaja la partícula de la
punta del conductor a la base considerando que forma un
círculo de radio R. La raíz siempre existe, porque R ≥ Y. Si la
altura es cero, el tiempo es cero. Si X = 0, entonces el círculo
proyectado solo es un punto, en tal caso el tiempo es t=
√(2Y/g), que es un resultado conocido de las ecuaciones
de caída libre (Serway y Jewett, 2019). Durante el tiempo
de desplazamiento la temperatura de la partícula
disminuye de la temperatura de fundición a una inferior
que incluso puede ser menor a límite para que el material
comience la pirolisis. Completamos este tiempo de
desplazamiento con un modelo de disminución de
temperatura en función del tiempo.
Modelo de enfriamiento de la esfera
Durante el desplazamiento la esfera se enfría, y mediante
la ley de enfriamiento de Newton describ