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Fuerza de extraccion

La fuerza de extracción puede definirse como la fuerza de resistencia que ejerce el tapón al descorche. Como veremos a continuación, se necesita rozamiento para mantener un tapón en la botella, pero no tanto como para impedir la fácil extracción del mismo, por lo que es necesario emplear tratamientos de superficie, los cuales están formados por materiales que reducen el rozamiento para conseguir una fuerza de extracción adecuada.

La fuerza de extracción puede definirse como la fuerza de resistencia que ejerce el tapón al descorche. Como veremos a continuación, se necesita rozamiento para mantener un tapón en la botella, pero no tanto como para impedir la fácil extracción del mismo, por lo que es necesario emplear tratamientos de superficie, los cuales están formados por materiales que reducen el rozamiento para conseguir una fuerza de extracción adecuada. El control de la fuerza de extracción de los tapones de corcho no tiene otro fin que garantizar un fácil descorche manual. Para ello es suficiente que el valor de la fuerza de extracción sea inferior a 45 daN. Por debajo de 15 daN existe el riesgo de hundimiento del tapón, que gira en el gollete.

La normativa UNE 56921 especifica que el intervalo de fuerzas de extracción se situará entre 20 y 40 daN, medida en unas condiciones determinadas por la misma, tales como velocidad de desplazamiento de 30 cm/min , el empleo de un sacacorchos normalizado y botellas de vidrio de acuerdo con norma UNE-EN 12726. Este parámetro de calidad de tapón se expresa en decaNewton (daN). 1 daN equivale a 10 N o 1.02 Kg-fuerza o Kilopondio. No existe relación entre Fuerza de extracción del tapón y hermeticidad del taponado. A menudo suelen identificarse, pero se trata de propiedades diferentes, aunque ambos dependan estrechamente de las propiedades elásticas del tapón y del tratamiento de superficie aplicado al mismo. Es más, el tratamiento de superficie debe garantizar la hermeticidad, y proporcionar unas características superficiales que aseguren una buena fuerza de extracción. Y al revés, un tratamiento que consiga una fuerza de extracción óptima, no debe comprometer la correcta hermeticidad del tapón. La presión o fuerza de relajación - la presión que el tapón de corcho ejerce sobre las paredes de vidrio en el cuello de la botella - aunque está directamente relacionada con la fuerza de extracción, no es medida casi nunca de manera directa.

La medida de esta presión se realiza de manera indirecta a través de la medición de la fuerza de extracción del tapón introducido en la botella. En este caso, para que sea posible la determinación de la presión que el tapón ejerce sobre la botella, es necesario conocer además el coeficiente de rozamiento del deslizamiento (μ) del corcho sobre el vidrio, cuando se está extrayendo de la botella.

En la siguiente figura se encuentran esquematizadas todas estas fuerzas: Fext, fuerza de extracción; Fa, fuerza de recuperación elástica; σa, presión de relajación, presión de apriete o presión que ejerce el tapón de corcho contra la pared del cuello de la botella.

En este diagrama del sistema aislado se representan de manera esquemática los distintos vectores fuerza involucrados excepto el peso, Py= mg, del tapón, porque su valor promedio de 0.04 N (0.004 daN) puede considerarse despreciable a efectos de cálculo. Sea H la altura del tapón y 2 π RB ( o también π DB) la circunferencia del tapón dentro del cuello. Su producto, el área lateral, S, correspondiente a la superficie de contacto del tapón con el cuello interno de la botella de diámetro, DB, es dada por: S = 2 π RB H = π DB H (ec.1) La Fuerza de recuperación elástica, Fa, viene dada por la expresión: Fa = S σa (ec.2) Siendo σa la presión media (en Pascales, Pa) que ejerce el tapón, después de la relajación dentro del cuello de la botella. Este valor de la presión de recuperación del tapón de corcho, P o σa es igual, para un tapón de 44 x 24 mm, a aproximadamente: σa = Fa/ S ≈ 0,3 Mpa (ec.3) Algunos autores (Amaral, 2004; Gibbson, 1997) han estimado esta presión que ejerce el corcho sobre la pared de vidrio en 0.6 Mpa, pero entendemos que por los datos experimentales de que disponemos su valor está muy sobreestimado.

En efecto, sea un tapón de corcho de 44 x 24 mm, introducido en una botella con un cuello de diámetro interno de 18 mm. Si tenemos en cuenta que experimentalmente el valor de la Fuerza de recuperación elástica dentro del cuello de la botella es del orden de 40-70 daN , dependiendo del diámetro de compresión de las mordazas y del diámetro hasta el que se permite recuperar el tapón y de las distintas calidades de tapón, podemos calcular un valor promedio aproximado de la presión que ejerce el tapón sobre el vidrio: S=πDBH= π x 18 mm x 44 mm = 2488 mm2. Dado que la Presión, Pa o σa es igual a Fuerza / Superficie , empleando unidades del Sistema Internacional y tomando como valor medio de fuerza de recuperación elástica experimental un valor de 65 daN, se obtiene : σa = Fa/ S = 650 N / 2,488 x 10-3 m2 = 0,6 x 106 Pa ≈ 0,3 Mpa que es el valor estimado. Cuando aplicamos una fuerza para extraer un tapón inserto en una botella, el tapón no se mueve debido a la fuerza de rozamiento estático, FRe, ejercida por la superficie del vidrio sobre el corcho, equilibrando así la fuerza que estamos aplicando. La fuerza de extracción máxima, Fext máx, es la que debemos aplicar al tapón para que éste comience a extraerse, y es igual al coeficiente de rozamiento estático μe entre el tapón y el vidrio.

Si llamamos μe al coeficiente de rozamiento estático (constante de proporcionalidad, adimensional), la Fuerza de extracción vendrá dada por la siguiente expresión: Fext máx = FRe = μe Fa (ec.4) Sustituyendo en esta expresión las ecuaciones (1) y (2), obtenemos: Fext máx = μe Fa = μe S σa = μe π DB H σa (ec.5) Si se aplica una fuerza suficiente de extracción, el tapón se desliza sobre la superficie del vidrio del interior del cuello de la botella. Al deslizarse, el vidrio ejerce una fuerza opuesta a la fuerza de extracción, la fuerza de rozamiento cinético, FRc, que se opone al sentido del movimiento: Fext = FRc=F μc Fa (ec.6) El coeficiente de rozamiento cinético, μc , que al igual que μe depende de la naturaleza de las superficies de contacto del corcho y del propio vidrio, experimentalmente se cumple que μc < μe . Ahora bien, en las condiciones de ensayo normalizadas por UNE-EN 56921, la velocidad de extracción especificada es de 30 cm/min. Dado que el valor de μc es aproximadamente constante en el intervalo entre 1 cm/s a 3m/s, cabe pensar que el coeficiente de rozamiento dinámico presentará un valor muy cercano al coeficiente de rozamiento estático (μc ≈ μe) y además puede ser variable durante el periodo de descorche, con las consecuencias que esto puede tener en la determinación correcta de la fuerza de extracción del tapón. Estas ecuaciones (ec.1 a ec. 5) nos permiten prever el efecto de las dimensiones y otras propiedades físicas del tapón de corcho en la Fuerza de extracción, así como el efecto determinante que, a través del valor del coeficiente de rozamiento, van a suponer los diferentes tratamientos de superficie a los que puede ser sometido el tapón de corcho.

De acuerdo con la ecuación (ec.5), es fácil comprender que si disminuye el valor del coeficiente de rozamiento, disminuirá la fuerza de extracción. De igual modo podemos razonar que la Fuerza de Extracción aumentará tanto si empleamos un tapón más largo (aumenta H y, por lo tanto, S) como si aumenta la presión que ejerce el corcho sobre la botella, σa. Conviene recalcar que, en todo caso, la Fuerza de extracción es proporcional a la altura, H, del tapón empleado para el mismo. Ahora bien, la reducción de H, disminuye la fuerza de extracción y, afortunadamente, no altera el poder de estanqueidad del tapón. Ambos conceptos no deben confundirse. Por supuesto, la física del tapón de corcho es mucho más compleja que lo aquí expuesto. No hemos entrado a valorar la variabilidad intrínseca del tapón de corcho como producto natural, los diferentes tipos de tapones, las diferentes relaciones diámetro de tapón /diámetro interno del gollete, el efecto de la tronco-conicidad de la botella y los diferentes perfiles existentes, el efecto de la humedad, la composición química de las paredes celulares y toda la serie de parámetros mecánicos del embotellado (tales como velocidad, diámetro de compresión, etc.).

Buscando siempre un enfoque práctico del tema que nos ocupa, y de acuerdo a datos experimentales obtenidos a partir de la Fuerza de Extracción de tapones de corcho de calidades y dimensiones diversas, con distintos tratamientos de superficie e introducidos en cuellos de botellas tipo bordelesa, podemos aventurar las siguientes generalizaciones: -Cuando aumenta el contenido de humedad del tapón, disminuye la fuerza de extracción. Esto es debido tanto a la disminución de σa como de μe,c -La fuerza de extracción es prácticamente independiente de la calidad visual del tapón, aunque guarda una correlación más significativa con la densidad del tapón. La correlación más perfecta se da con la fuerza de recuperación elástica del tapón (Fa) o con σa, siempre que el coeficiente de rozamiento permanezca constante durante la extracción del tapón o los tratamientos de superficie sean homogéneos en toda la superficie del mismo. Tabla1. Test de recuperación diametral y su relación con la fuerzas de compresión, la fuerza de relajación, densidad y humedad del tapón. Los tapones son comprimidos a un 66% de su diámetro inicial. Los resultados son obtenidos empleando una máquina de ensayos físicos MLER-2000. - Cuando aumenta la longitud del tapón, la fuerza de extracción tiende a aumentar. No se trata de una relación perfectamente lineal, debido a la tronco-conicidad del cuello de la botella. -

El efecto del diámetro del tapón en la Fuerza de extracción es importante, sobre todo en valores de humedad bajos: al aumentar el diámetro del tapón, aumenta la fuerza de extracción. - El tratamiento de superficie del tapón es el factor más determinante para disminuir la Fuerza de Extracción del tapón. Experimentalmente un tapón sin tratamiento puede alcanzar fuerzas del orden de 75 daN e incluso superiores, haciendo muy difícil su extracción de la botella. Gracias al empleo parafinas y elastómeros de silicona, se consigue una disminución del coeficiente de rozamiento entre un 40 y 50 %, hasta alcanzar los valores normalizados de 20-40 daN de fuerza de extracción. Todas estas generalidades, tal como se observa en los resultados de la tabla 1 y de la figura 1, son orientativas y no pueden ser tomadas de manera aislada, puesto que la fuerza de extracción es el resultado de la combinación de un gran número de variables de naturaleza físico-química. La tendencia en los últimos años de observar cómo en algunos protocolos de compra de tapones suelen exigirse diferentes intervalos de fuerza de extracción viene desmentida por el hecho de que no pueden encontrarse diferencias estadísticamente significativas entre distintas calidades visuales de tapón con respecto a las fuerzas de compresión, recuperación diametral o relajación y fuerzas de extracción.

Juan Beorlegui

Técnico Laboratorio Ebrocork.