Underwriters Laboratories realizó investigaciones básicas en el campo de la seguridad y publicó los resultados de esas investigaciones en una serie de «Boletines de Investigación». Se publicaron al menos 58 boletines relacionados con el fuego, las explosiones y las descargas eléctricas. Uno de esos boletines, «Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence», es un documento clásico en el campo de la seguridad de los productos. La investigación fue realizada entre 1936 y 1939 por Baron Whitaker, un ingeniero eléctrico asistente de UL. Whitaker ascendió finalmente a la presidencia de UL.
La investigación de Whitaker sigue vigente hoy en día. Aunque se han realizado investigaciones similares en apoyo de las publicaciones modernas de la CEI, dichas investigaciones suelen publicarse únicamente en los documentos de los comités de la CEI y suelen estar muy enfocadas hacia la norma o el informe específico que la CEI está intentando redactar.
Este Boletín de Investigación de UL sobre el cercado eléctrico contiene mucha información que se aplica a mucho más que al cercado eléctrico. Por eso es una obra clásica.
INTRODUCCIÓN
Whitaker introduce su investigación describiendo el cercado eléctrico: «Una de las aplicaciones más recientes y novedosas de la electricidad en las zonas rurales hoy en día es el cercado eléctrico. Físicamente, la cerca eléctrica difiere del tipo convencional de alambre de púas o de alambre tejido en que es de construcción más simple (normalmente tiene un solo alambre) y no requiere la fuerza mecánica o la estabilidad de los tipos más antiguos. Funcionalmente, es diferente en el sentido de que controla a los animales por medio del miedo y no por la fuerza o por causar dolor. La valla eléctrica se compone de dos partes distintas, a saber, el alambre de la valla y el controlador eléctrico que suministra la energía eléctrica al alambre de la valla»
Finalidad y condiciones
Whitaker estudió los informes de accidentes de vallas eléctricas que implicaban tanto lesiones por descargas eléctricas como muertes causadas por descargas eléctricas. Basándose en su estudio, delimitó su investigación afirmando que el cercado eléctrico debería ser seguro para un niño de dos años, «…descalzo, de pie en un charco de agua o barro, y cayendo a través o agarrando el cable con las dos manos mojadas o sudorosas, siendo el cable, hasta donde el niño sabe, un cable de cercado ordinario no electrificado.»
(¡Anecdóticamente, un colega, cuya casa es una granja y utiliza cercas eléctricas, informó que estas fueron las condiciones en las que su esposa rescató a su hija!)
En estas condiciones, Whitaker quería determinar el valor máximo de la corriente, tanto para ac como para dc, la frecuencia y la duración que «puede considerarse que no es peligrosa para la vida humana.»
Whitaker se comprometió a determinar los valores de:
- Resistencia eléctrica del cuerpo
- Tensión de circuito abierto segura
- Efectos de la corriente continua, corriente continua interrumpida, corriente alterna, y la frecuencia de la corriente alterna
- La corriente y la duración máximas que no causan lesiones corporales
- El tiempo mínimo de desconexión
LA NATURALEZA DEL CHOQUE ELÉCTRICO
Whitaker investigó las distintas causas de muerte por energía eléctrica. Encontró cinco causas diferentes:
- Parálisis de los músculos respiratorios, produciendo la muerte por asfixia
- Hemorragia, producida por el aumento de la presión sanguínea durante el paso de la corriente eléctrica
- Insuficiencia cardíaca, producida por fibrilación ventricular
- Insuficiencia respiratoria, producida por inhibiciones nerviosas o por daños reales en el sistema nervioso
- Quemaduras en la piel y en la carne, con las consiguientes complicaciones
Las investigaciones de Whitaker estaban orientadas a la prevención de una o varias de estas lesiones. No se ocupaba de la prevención de la sensación o de la prevención de la acción reflexiva, como hacemos con los productos actuales. Además, los fabricantes de vallas eléctricas afirmaban que una valla eficaz debía proporcionar una corriente suficiente para provocar una contracción muscular, y que el periodo de «desconexión» debía ser lo más corto posible.
RESISTENCIA ELÉCTRICA DEL CUERPO
Whitaker comienza su consideración de la resistencia del cuerpo con la declaración, «Necesario para el establecimiento de las características de funcionamiento seguro de los controladores de cercas eléctricas es una consideración del cuerpo humano como un conductor de electricidad.»
Whitaker inició una serie de pruebas en UL para medir la resistencia del cuerpo. Whitaker afirma que «la piel exterior… ofrece la mayor resistencia…» y que el alto voltaje de un controlador de vallas rompe la resistencia de la piel. Pero Whitaker no podía aplicar un alto voltaje, con una corriente ilimitada, a sus sujetos para «romper» la resistencia de la piel. Por lo tanto, los experimentos de Whitaker incluían mojar las manos y los pies de sus sujetos con una solución de cloruro de sodio al 20%.
Con un área constante, una presión constante y las manos mojadas, Whitaker descubrió que la resistencia del cuerpo era independiente de la corriente, cuando ésta se encontraba en el rango de 1 a 15 miliamperios.
El montaje de prueba de Whitaker estaba compuesto por una fuente de corriente continua de 12 voltios (pilas secas), un potenciómetro, un voltímetro y un amperímetro. Los electrodos de mano eran cables AWG del número 10. El electrodo de pie era una placa de cobre cuadrada de 14 pulgadas. El potenciómetro se ajustó a 5 miliamperios para los adultos y a 1 miliamperio para los niños. Se midió la tensión a través del sujeto y se calculó la resistencia.
Whitaker midió a 40 adultos y 47 niños (de 3 a 15 años). Descubrió que, en el caso de los adultos, «no hay tendencias ni relaciones entre la resistencia corporal de los individuos y su sexo, edad, altura o peso.» He proporcionado histogramas de las diversas mediciones de Whitaker en las Figuras 1 y 2.
Figura 1
Figura 2
A partir de estos datos, llegó a la conclusión de que «la resistencia corporal más baja con la que se podría contar en relación con la aplicación del cercado eléctrico no sería inferior a 500 ohmios.»
(En un Boletín de Investigación posterior, estos mismos datos son utilizados por Karl Geiges para desarrollar el infame medidor de corriente de fuga. Revisaré el trabajo de Geiges en un próximo número.)
VOLTAJE
Whitaker necesitaba determinar dos factores con respecto al voltaje:
- Si la corriente de salida está limitada, ¿es necesario controlar el voltaje de circuito abierto?
- Si la corriente de salida no está limitada, ¿cuál es el máximo voltaje de circuito abierto?
Whitaker determinó que la tensión máxima segura (de una fuente de tensión en la que la corriente de salida no está limitada) sería aquella que no causara lesiones corporales y permitiera al individuo liberarse de la valla.
Whitaker informa de una serie de pruebas, realizadas con personal de UL durante 1930, en las que, por cierto, se registró la tensión que un individuo podía soportar y seguir teniendo un control voluntario de sus músculos. A partir de estos datos, la tensión mínima era de 20 voltios rms.
Whitaker también informa de pruebas realizadas por International Harvester Co. en las que la tensión se conectaba a un cubo lleno de agua y a un electrodo de mano sostenido por el sujeto. Luego se le pedía al sujeto que recuperara un objeto sumergido en el cubo. International Harvester descubrió que la tensión máxima para recuperar el objeto era de 12 a 20 voltios.
Whitaker llegó a la conclusión de que «no es necesario limitar la tensión de circuito abierto siempre que el dispositivo incorpore características inherentes de limitación de corriente».
Sin embargo, «cuando no se incorporan características inherentes de limitación de corriente en el dispositivo, la tensión máxima de seguridad… no debe superar los 12″. Esto se basa en la teoría de que un potencial de 12 voltios o menos rara vez, si es que alguna vez, causará una ruptura de la resistencia de la piel suficiente para permitir un flujo de corriente a través del cuerpo de tal intensidad como para causar la falta de control muscular o lesiones físicas a la persona.»
FREQUENCIA
Whitaker informa de que «la principal diferencia en el efecto físico de la corriente continua, en contraposición a la corriente alterna, es que la corriente continua no provoca la contracción de los músculos en la medida asociada a la corriente alterna»
Whitaker también señala que Kouwenhoven y d’Arsonval descubrieron que a medida que aumenta la frecuencia, la corriente también debe aumentar para tener el mismo efecto fisiológico.
Sin embargo, Whitaker concluye que «no hay ninguna justificación actual para permitir valores mayores de corriente… independientemente de la frecuencia empleada».
CORRIENTE
A partir de los mismos datos en los que Whitaker determinó el voltaje máximo y de otros datos, Whitaker determinó que los valores mínimo y máximo a los que los individuos conservan el control voluntario de los músculos eran de unos 6 miliamperios y 20 miliamperios, respectivamente.
Whitaker también estudió los resultados de las pruebas de corriente de fibrilación en perros y ovejas, ya que se consideraba que los corazones de estos animales tenían la misma respuesta al estímulo que los humanos. A partir de las pruebas en ovejas y dado que las ovejas tienen pesos corporales y cardíacos similares a los de los humanos, Whitaker determinó que la corriente de fibrilación mínima es directamente proporcional al peso corporal y al peso del corazón.
Un estudio más detallado de los datos de las pruebas en ovejas mostró que la fibrilación era una función de la fase del ciclo cardíaco en el momento en que se producía la descarga, y una función de la duración de la misma. Whitaker descubrió que la fibrilación para una descarga de 0,1 segundos de duración requería 10 veces la corriente que para una descarga de 3 segundos de duración.
Whitaker trazó entonces las corrientes de fibrilación de 3 segundos para diferentes animales adultos en función del peso corporal y del peso del corazón. Whitaker asumió entonces que el valor mínimo de dicha curva representaba al hombre. Whitaker asumió además que la corriente de fibrilación mínima para diferentes pesos corporales y cardíacos es una relación constante, siempre que la duración de la descarga sea el mismo porcentaje del ciclo cardíaco, y que la descarga se inicie en el mismo punto del ciclo cardíaco.
Usando estas suposiciones y datos, Whitaker determinó que la corriente de fibrilación mínima de 3 segundos para un peso corporal de 125 libras es de 126 miliamperios, y para un peso corporal de 20 libras es de 31 miliamperios. (Se considera que 20 libras es el peso medio de un niño de dos años.)
Usando estas cifras, Whitaker determinó la relación 31:126 para las corrientes de fibrilación mínimas para pesos corporales de 20 y 125 libras.
Usando esta relación, y teniendo en cuenta el porcentaje de tiempo para un latido completo, para el peso corporal y para el peso del corazón, Whitaker pudo construir una «Curva derivada del tiempo de contacto frente a la corriente de fibrilación mínima para un niño de dos años». Esta curva se aproximaba a una hipérbola rectangular. Véase el «Gráfico 3» de Whitaker en la Figura 3.
Figura 3
A continuación, Whitaker fijó arbitrariamente la corriente máxima en 65 miliamperios, la salida máxima en 4 miliamperios-segundo y el período máximo de «encendido» en 0,2 segundos. Esta curva de «tiempo de contacto frente a la corriente permitida» era un factor de 6 menos que la curva de corriente mínima de fibrilación. Véase el «Gráfico 4» de Whitaker en la Figura 4.
Figura 4
Whitaker concluyó que:
- la corriente continua máxima segura es de 5 miliamperios, y
- la duración máxima de cualquier corriente no debe exceder la curva de 4 miliamperios-segundo.
Período de apagado
En la época de la investigación de Whitaker, los controladores de la valla suministraban descargas sucesivas a intervalos de aproximadamente 1 segundo. Whitaker necesitaba determinar el periodo mínimo de «desconexión» que permitiría a un individuo liberarse de la valla.
UL realizó pruebas en las que se imprimía repentinamente un voltaje a un individuo y se registraba el tiempo de liberación. Esta prueba se consideró una reacción «involuntaria». Whitaker observó que el tiempo para percibir la sensación es inversamente proporcional a la intensidad del estímulo.
Whitaker también estudió otras pruebas de tiempo de reacción. La mayoría de los datos de estas otras pruebas se referían a la reacción «voluntaria» a estímulos como los táctiles, visuales o auditivos. Whitaker también observó que la contracción muscular asociada a la cc tendía a arrojar a la víctima del conductor, mientras que la contracción muscular asociada a la ca tendía a ser imposible de soltar.
Por lo tanto, Whitaker llegó a la conclusión de que el período de «desconexión» para los controladores de ca debería ser de 090 segundos, y para los controladores de c.c. debería ser de 0,75 segundos.
Susto
Whitaker también investigó si el susto generado por el contacto inadvertido con una valla «segura» podría afectar negativamente al corazón o desencadenar una fibrilación. Las autoridades médicas a las que consultó fueron incapaces de predecir tal evento. Una autoridad incluso llegó a decir que una descarga tan débil no era capaz de causar ni susto ni sorpresa.
Sugiero que hay algunas lecciones que aprender del trabajo de Whitaker. En primer lugar, Whitaker se centró en las diversas lesiones causadas por las descargas eléctricas y no en el cumplimiento de las normas. Por supuesto, en aquella época no había normas. Hoy en día, cuando analizamos una nueva situación de seguridad, parece que lo hacemos con referencia a una norma y no a la lesión.
Segundo, Whitaker realizó muchas mediciones, pero sólo utilizó los valores mínimos, los del peor caso, encontrados. Este tipo de pesimismo es realmente necesario en el campo de la seguridad. Creo que con demasiada frecuencia tendemos a utilizar la probabilidad y las distribuciones normales en lugar de los valores del peor caso.
Tercero, Whitaker hace muchas suposiciones y decisiones arbitrarias, especialmente en lo que respecta a los animales que representan a los seres humanos. Sugiero que debemos tener en cuenta que los valores presentados por Whitaker no son precisos. Muchos otros de los valores que utilizamos en el campo de la seguridad son igualmente imprecisos, pero los tratamos como si fueran precisos.
Por último, me parece que ya no hacemos este tipo de investigaciones. Un colega, J. F. Kalbach, acuñó un término, BOGSAT, que significa «Bunch Of Guys Sitting Around Talking» (montón de tíos sentados hablando) para describir cómo se desarrolló en su día una determinada curva. No había ninguna base física o de ingeniería para la curva. Era puramente arbitraria. Yo sugeriría que nuestras normas de seguridad contienen demasiados requisitos del proceso BOGSAT.
AGRADECIMIENTOS
Jim Pierce, de ETL Testing Laboratories, dejó una copia de este Boletín de UL en mi escritorio, preguntando si lo había leído. Había visto y leído el Boletín hace muchos años, así que la copia permaneció en mi escritorio durante muchos meses. Finalmente, lo cogí y empecé a leerlo. Me impresionó la obra y pensé en reseñarla para ustedes.
También quiero agradecer a Henry Jones, consultor de seguridad de productos, sus comentarios sobre las vallas eléctricas. Gracias también a Tim Kramer, de Hewlett-Packard Company, por preparar los histogramas de resistencia corporal.
Richard Nute es un consultor de seguridad de productos que se dedica al diseño de seguridad, la fabricación de seguridad, la certificación de seguridad, las normas de seguridad y las investigaciones forenses.
Foto de Tomás Fano 