Alan Arnold Griffith CBE FRS [1] (13 de junio de 1893 - 13 de octubre de 1963), fue un ingeniero inglés e hijo del escritor de ciencia ficción victoriano George Griffith . Entre muchas otras contribuciones, es más conocido por su trabajo sobre el estrés y la fractura en metales que ahora se conoce como fatiga del metal , además de ser uno de los primeros en desarrollar una base teórica sólida para el motor a reacción . Los diseños avanzados de turborreactores de flujo axial de Griffith fueron fundamentales en la creación del primer motor turborreactor de flujo axial operativo de Gran Bretaña, el Metropolitan-Vickers F.2 , que funcionó con éxito por primera vez en 1941. Griffith, sin embargo, tuvo poca participación directa en la producción real del motor, después de que en 1939 pasara de dirigir el departamento de motores en el Royal Aircraft Establishment a comenzar a trabajar en Rolls-Royce .
AA Griffith se licenció en ingeniería mecánica, luego obtuvo un máster y un doctorado en la Universidad de Liverpool . En 1915, fue aceptado en la Royal Aircraft Factory como aprendiz, antes de incorporarse al Departamento de Física e Instrumentación al año siguiente en lo que pronto pasó a llamarse Royal Aircraft Establishment (o RAE).
Algunos de los primeros trabajos de Griffith siguen utilizándose ampliamente en la actualidad. En 1917, él y GI Taylor sugirieron el uso de películas de jabón como una forma de estudiar los problemas de estrés. Utilizando este método, se estira una burbuja de jabón entre varias cuerdas que representan los bordes del objeto en estudio, y la coloración de la película muestra los patrones de estrés. Este método, y otros similares, se utilizaron hasta bien entrada la década de 1990, cuando el modelado por ordenador tomó el relevo.
Griffith es más famoso por un estudio teórico sobre la naturaleza de la tensión y el fallo debido a la propagación de grietas en materiales frágiles como el vidrio. Su criterio de propagación de grietas también se aplica a los materiales elásticos. [2] En ese momento, generalmente se consideraba que la resistencia de un material era E/10, donde E era el módulo de Young para ese material. Sin embargo, era bien sabido que esos materiales a menudo fallaban con solo una milésima parte de este valor previsto. Griffith descubrió que había muchas grietas microscópicas en cada material y planteó la hipótesis de que estas grietas reducían la resistencia general del material. Esto se debía a que cualquier vacío en un sólido o rasguño en la superficie concentra la tensión, un hecho que ya conocían bien los maquinistas de la época. Esta concentración permitiría que la tensión alcanzara E/10 en la punta de la grieta mucho antes de lo que parecería para el material en su conjunto.
A partir de este trabajo, Griffith formuló su propia teoría de la fractura frágil , utilizando conceptos de energía de deformación elástica . Su teoría describió el comportamiento de la propagación de grietas de naturaleza elíptica considerando la energía involucrada. Griffith describió la propagación de grietas en términos de la energía interna del sistema en relación con el aumento de la longitud de la grieta descrito por la ecuación
donde U e representa la energía elástica del material, U s representa el área superficial de la grieta, W representa el trabajo aplicado a la muestra y dc representa el aumento en la longitud de la grieta. [3]
Esta relación se utilizó para establecer el criterio de Griffith , que establece que cuando una grieta es capaz de propagarse lo suficiente como para fracturar un material, la ganancia en la energía superficial es igual a la pérdida de energía de deformación, y se considera que es la ecuación principal para describir la fractura frágil. Debido a que la energía de deformación liberada es directamente proporcional al cuadrado de la longitud de la grieta, solo cuando la grieta es relativamente corta, su requerimiento de energía para la propagación excede la energía de deformación disponible para ella. Más allá de la longitud crítica de la grieta de Griffith, la grieta se vuelve peligrosa.
El trabajo, publicado en 1920 ("El fenómeno de la ruptura y el flujo en sólidos"), [4] dio lugar a una nueva conciencia en muchas industrias. El "endurecimiento" de los materiales debido a procesos como el laminado en frío ya no era un misterio. Los diseñadores de aeronaves eran más capaces de entender por qué sus diseños habían fallado a pesar de que se habían construido mucho más resistentes de lo que se creía necesario en ese momento, y pronto recurrieron al pulido de sus metales para eliminar las grietas. Este trabajo fue generalizado más tarde por GR Irwin y por RS Rivlin y AG Thomas , [5] [6] en la década de 1950, aplicándolo a casi todos los materiales, no solo a los frágiles.
En 1926, Griffith publicó el influyente artículo An Aerodynamic Theory of Turbine Design [7] ( Una teoría aerodinámica del diseño de turbinas) . Demostró que el pésimo rendimiento de las turbinas existentes se debía a un defecto en su diseño que hacía que las palas volaran "en pérdida" y propuso una forma aerodinámica moderna para las palas que mejoraría drásticamente su rendimiento. El artículo continuaba describiendo un motor que utilizaba un compresor axial y una turbina de dos etapas, la primera etapa impulsaba el compresor y la segunda un eje de toma de fuerza que impulsaría una hélice. Este diseño temprano fue un precursor del motor de turbohélice . Como resultado del artículo, el Comité de Investigación Aeronáutica apoyó un experimento a pequeña escala con un compresor axial de una sola etapa y una turbina axial de una sola etapa. El trabajo se completó en 1928 con un diseño probado y funcional, y a partir de él se construyó una serie de diseños para probar varios conceptos.
En esa época, Frank Whittle escribió su tesis sobre los motores de turbina, utilizando un compresor centrífugo y una turbina de una sola etapa, y la energía sobrante del escape se utilizaba para impulsar el avión. Whittle envió su trabajo al Ministerio del Aire en 1930, que se lo pasó a Griffith para que hiciera comentarios. Después de señalar un error en los cálculos de Whittle, afirmó que el gran tamaño frontal del compresor lo haría poco práctico para su uso en aviones y que el escape en sí mismo proporcionaría poco empuje. El Ministerio del Aire respondió a Whittle diciendo que no estaban interesados en el diseño. Whittle estaba desanimado, pero sus amigos de la RAF lo convencieron de seguir adelante con la idea de todos modos. Whittle patentó su diseño en 1930 y pudo iniciar Power Jets en 1935 para desarrollarlo.
Griffith se convirtió en el principal oficial científico a cargo del nuevo Laboratorio del Ministerio del Aire en South Kensington. Fue allí donde inventó la turbina de gas de contraflujo , que utilizaba discos de compresor/turbina que rotaban alternativamente en direcciones opuestas. No se necesitaba un estator estacionario entre cada disco giratorio. Era difícil diseñar las palas para la cantidad correcta de remolino y difícil sellar el paso de flujo del compresor desde el paso de flujo de la turbina. En 1931 regresó a la RAE para hacerse cargo de la investigación de motores, pero no fue hasta 1938, cuando se convirtió en jefe del Departamento de Motores, que comenzó realmente el trabajo de desarrollo de un motor de flujo axial. Hayne Constant se unió al Departamento de Motores, que comenzó a trabajar en el diseño original sin contraflujo de Griffith, trabajando con el fabricante de turbinas de vapor Metropolitan-Vickers (Metrovick).
Después de un corto período, el trabajo de Whittle en Power Jets comenzó a hacer grandes progresos y Griffith se vio obligado a reevaluar su postura sobre el uso directo del jet para la propulsión. Un rápido rediseño a principios de 1940 dio como resultado el Metrovick F.2 , que funcionó por primera vez más tarde ese año. El F.2 estuvo listo para pruebas de vuelo en 1943 con un empuje de 2150 lbf, y voló como motores de reemplazo en un Gloster Meteor , el F.2/40 en noviembre. El motor más pequeño dio como resultado un diseño que se parecía considerablemente más al Me 262 y tenía un rendimiento mejorado. Sin embargo, el motor se consideró demasiado complejo y no se puso en producción.
Griffith se incorporó a Rolls-Royce en 1939, trabajando allí hasta 1960, cuando se jubiló de su puesto como científico jefe de la empresa. Propuso una disposición para un turborreactor simple , que utilizaba un compresor axial y una turbina de una sola etapa, llamado AJ.65 y rebautizado como Avon , el primer turborreactor axial de producción de la empresa. También propuso varios esquemas de derivación, algunos demasiado complejos mecánicamente, pero incluido uno que utilizaba 2 compresores en serie, la disposición utilizada posteriormente en el Conway . Griffith llevó a cabo estudios pioneros en tecnología de despegue y aterrizaje verticales (VTOL), como el control en vuelo estacionario mediante chorros de aire. Propuso utilizar baterías de turborreactores pequeños, simples y ligeros para elevar el avión en una actitud horizontal, un "ascensor plano". El control en vuelo estacionario se investigó utilizando el Rolls-Royce Thrust Measuring Rig pero utilizando motores convencionales con empuje desviado. Se utilizó una batería de cuatro motores de elevación en el Short SC.1 .
Griffith es conmemorado en la Medalla y Premio AA Griffith anual otorgado por el Instituto de Materiales, Minerales y Minería por sus contribuciones a la ciencia de los materiales . [8] El premio se suspendió en 2021.
