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Estabilidad de los buques a vela - CAP I -


IonAguirre

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Las curvas dibujadas arriba son las famosas PANTOCARENAS. Por si no se vé claro como se leen, os explico.

 

Se dibuja una curva, donde para una escora constante, se hace variar el Desplazamiento.

 

En el eje vertical, se representan los valores de KN.

En el eje horizontal se representan los valores del desplazamiento.

Si se toma el buque con una escora dada, y vamos cambiando el desplazamiento, obtendremos la curva KN correspondiente.

 

¿Y como se estudian los brazos KN (recordad, son los brazos del par de estabilidad, medidos desde la quilla), para las condiciones de servicio del Navio ?

 

 

NOTA: Todos los datos corresponden a valores reales del Navio Montañes de 74 cañones.

 

 

Supongamos que despues de sumar -> El peso propio del Navio, pertrechos, suministros y carga, resulta un peso total de 2350 Toneladas.

Por el Princpio de Arquimedes, sabemos que Desplazamiento = Peso total. Asi que el Desplazamiento del Navio en estas condiciones es de 2350 Toneladas métricas.

 

Nos vamos a las PANTOCARENAS, y en el eje horizontal, buscamos el Desplazamiento correspondiente. Desde este punto, levantamos una linea vertical (en rojo) que corte a todas las curvas.

 

Los puntos de corte son A, B, C, D, F.

 

Por estos puntos, trazamos horizontales hasta cortar el eje vertical (a la derecha o a la izquierda, dá igual), y obtenemos los puntos a, b, c, d, e, f.

 

Obtendremos un valor diferente para cada punto de corte, que corresponderá al valor de KN, para el Desplazamiento actual, en cada angulo de escora.

 

KN2_zpsrhdfmol4.jpg

 

Ahora, dibujamos una nueva curva:

 

En el eje horizontal, colocamos las escoras, y en el vertical, los valores obtenidos arriba para KN.

GZ_zpsjpandwb9.jpg

 

Obtendremos la curva en negro, que representa el valor de KN para cada angulo de escora, en las condiciones actuales del Navio.

 

NOTA: De la curva en rojo, hablaremos más adelante, si hay interes.

 

¿Que vemos en la curva ?

 

El brazo KN es=0 cuando no hay escora. Obvio, ademas no es necesario ningun par de estabilidad si el barco ya es estable.

 

El brazo KN aumenta con la escora. A más escora, más estabilidad.

 

Esto se traduce en que a medida que el Navio escora, cuesta más trabajo escorarlo más. Cuanto más escorado está, mas se opone a seguir escorando. Esto define un buen casco, con buenas condiciones de estabilidad.

 

La experiencia de muchos años, ¡ siglos ! nos ha llevado a establecer unos CRITERIOS para evaluar las condiciones de un navio.

 

Sabemos por siglos de experiencia, por cálculos y por pruebas de canal, la forma y los valores minimos que debe tener esta curva. Comparando la de nuestro buque con estos valores conocidos, podremos evaluar de forma segura en qué condiciones de seguridad, aguante al viento, oleaje, etc .... emprenderemos la travesia, o en caso de no cumplir, cambiar los pesos y aparejo para asegurar el viaje antes de emprenderlo.

 

Todavia, estamos dibujando una curva KN. Recordad que en esta curva, no se tienen en cuenta los factores exteriores (reparto de pesos, viento ...), sino solamente el valor total del Desplazamiento. Pero ..... a partir de esta, aprenderemos a dibujar la correspondiente a cualquier condicion de carga-viento-mar que nos encontremos.

 

-Fin por ahora -

 

NOTA: Antes de seguir .... agradeceria algun comentario. Es conveniente saber si se siguen los razonamientos antes de iniciar uno nuevo.

 

Saludos

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Haría falta una demostración práctica. Todos al laguito que hay cerca de Madrid para que "Maese Aguirre" nos obsequie con una demostración de cómo un barco cargado de alumnos, todos en la misma banda, cambia su centro de gravedad escorando hacia esa banda y sus consecuencias sobre la navegación y rendimiento en maniobras.

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  • 1 month later...
  • 1 month later...

Hola de Nuevo señores:

Lo primero FELIZ 2016 a todos. No tengo mucho tiempo libre ultimamente, por eso no me veis por el juego desde hace tiempo. Pero, que sepais que mi intencion es volver en cuanto pueda.

 

Mientras ..... al menos, continuaré con esta explicacion sobre "Teoria del Buque", aunque solo sea por redondearla un poco. Sé que las matematicas y la fisica, se le atragantan a algunos, Como decia desde el principio, intento usar las menos posibles, pero ... algunas veces, es inevitable.

 

Bueno; vamos allá.

 

De todo lo escrito hasta ahora, la idea basica a extraer, es que no solo es importante que un buque sea estable, y saberlo de antemano, sino averiguar "como de estable" será en unas determinadas condiciones de navegacion (carga, viento, mar ....)

 

La estabilidad viene dada por un PAR DE FUERZAS (Peso - Flotacion), que ejercen un "MOMENTO" que se opone a la escora. El brazo de este PAR (BRAZO DE ESTABILIDAD o BRAZO ADRIZANTE), no es constante, su longitud variará con la escora, dependiendo de manera fundamental, de la forma del casco.

 

Para "cuantificar" la Estabilidad, se calculan y estudian los valores de este brazo para cada escora.

 

 

 

- EL VIENTO -

 

Desde tiempo inmemorial, el viento ha sido el medio de propulsion principal de los Navios.

No sabemos a ciencia cierta cuando empezaron a utilizarse las primeras velas, pero si sabemos que ya en tiempos de las civilizaciones Mesopotamicas y del antiguo Ejipto, la navegacion a vela era una cuestion rutinaria. Sabemos que la primera navegacion comercial documentada alrededor del continente Africano se hizo a vela durante el reinado de la Reina Maatkara Hatshepsut (1490–1468 a. C).

 

Los grandes Navios del XVIII y XIX fueron la culminacion tecnologica de miles de años de ensayos, pruebas y evolucion, llegandose a un grado de conplejidad tecnologica y perfeccion, que hoy dia nos siguen admirando.

 

Los Navios de helice aun no llevan un siglo surcando los Oceanos ¿Imaginais como podrian llegar a ser despues de milenios de evolucion ?

 

Cuando observamos un gran Navio a vela y lo comparamos con una Galeon (Navios del XVI), una Nao (Siglo XV) o un barco largo vikingo ( Siglo X), vemos esas velas cuadradas aparejadas en sus vergas y nos parecen basicamente iguales.

Nada mas lejos de la realidad, todos estos buques usan el viento, pero el rendimiento, seguridad y diseño son tan diferentes como pueden serlo un barco de vapor a ruedas de paletas y un portaaviones nuclear.

 

¿Como funcionan la velas ?

Precisamente hasta el Siglo XVIII no se empezo a entender como actua el viento sobre las velas, cuanta fuerza se produce o como se generan.

Sir Isaac Newton y Jakob Bernoulli sentaron las bases de lo que más tarde se conoceria como Aerodinamica e Hidrodinamica. La mecanica de los fuidos comenzo su andadura en esta epoca. Otro gran conocido, Leonhard Paul Euler, sento las bases de gran parte de las matematicas asociadas ....

Nuestro gran sabio D. Jorge Juan y Santacilla, fue el primero en aplicar los principios teoricos, establecidos en su epoca, a la construccion Naval. Entre muchisimas otras cosas (Calculo de la Estabilidad, Calculo estructural ....) ,aportó el estudio de las deformaciones de una vela cuando se somente a diferentes vientos, dedujo la ecuacion de la curva "velaria", estudió la resistencia que la mar opone al avance de los Navios, y por lo tanto el valor de la fuerza necesaria para impulsarlos a una velocidad dada ....... es decir, practicamente, inventó la Ingenieria Naval como "proceso cientifico".

 

 

MECANICA DE LOS FLUIDOS

Por supuesto será una explicacion sencilla. La Mecanica de Fluidos, esta entre las disciplinas más "matematicamente complejas" dentro de las ciencias y la ingenieria.

 

Veamos .... leed de nuevo los capitulos anteriores relativos a la Fuerza de Inercia, Energia, Potencia .....

 

Para que un fluido en reposo, empieze a moverse, es evidente que es necesario empujarlo de alguna manera. Puesto que dicho fluido tiene masa, hay que ejercer una fuerza (Principio de Inercia).

 

1- ) Una masa en movimiento, contiene Energia (Energia Cinetica), resultado de todas las fuerzas que se le estan aplicando.

 

2- ) Recordemos tambien, que segun el mismo Principio de Inercia, no habra cambio de direccion del movimiento a no ser, que otra fuerza de sentido "lateral" actue.

 

Imaginad ahora un deposito, colocado en alto, lleno de agua. Tiene una valvula sobre un lateral, cerca del fondo, por medio de la cual abastecemos, digamos una casa. Pero, quitemos la tuberia y dejemos solo la valvula.

 

¿Que pasará si abrimos la valvula ? ¡ Claro ! Saldrá un chorro de agua, formando un arco hasta el suelo. Pero ....... si el agua se mueve, es que se le esta aplicando una fuerza que la empuja, y si ademas, la forma del chorro es una curva, se le debe estar aplicando otra de sentido lateral.

¿No se comporta el deposito de agua como un muelle ? ¿Como si tuviesemos un muelle comprimido y poco a poco lo liberasemos ? Un muelle comprimido, podriamos decir que "contiene" energia, que se devuelve al liberarlo ¿No? Tiene Energia Potencial, o el Potencial de devolver una energia "almacenada" de alguna forma.

 

Al igual que el muelle, el deposito de agua tambien "contiene" energia, y tambien nos la devuelve al "liberarla" abriendo la valvula. ¿Cuanta energia contiene el deposito ? Pues ..... todos podemos intuir, aunque solo sea por experiencia, que cuanto más alto sea el nivel de agua dentro del deposito, con mas "fuerza" saldra el agua de la valvula. Es decir, cuanto más alto el nivel, más energia contenida y más "velocidad" tendra el agua al salir por la valvula.

 

Todos conocemos el enunciado "La energia ni se crea, ni se destruye, solo se transforma" (Antoine Lavoisier 1785). Dicho de otra manera, la cantidad total de energia en un "sistema" no varia.

 

En nuestro caso, el "sistema" lo forman el deposito, el agua, la valvula y el suelo.

 

a- ) Si la valvula esta cerrada, toda la energia del sistema esta "retenida" dentro del deposito.

b- ) Si la valvula está abierta, parte de la energia Potencial del deposito, se "libera" y el agua adquiere velocidad saliendo en forma de chorro.

 

Pero .... el TOTAL del sistema no ha variado, asi que la energia Potencial, contenida en el deposito, tiene que disminuir, puesto que se ha transformado en movimiento del chorro.

En este ejemplo, resulta evidente. Como habiamos dicho al comenzar, la energia "contenida" depende de la altura o nivel del agua del deposito. A medida que el agua sale por la valvula, el nivel baja, y por lo tanto la Energia Potencial Tambien.

 

¿Podriamos medir el nivel de agua en el deposito sin verla ? Evidentemente SI, de hecho, es la forma usual de hacerlo. Lo "normal" es medir la presion del agua al nivel de la valvula. A mas altura de agua, mas presion.

 

Generalizando, podemos decir que la PRESION del agua, se convertirá total o parcialmente en VELOCIDAD del chorro segun cuanto abramos la valvula de salida.

 

Si el chorro de agua chocara con, digamos una "rueda de paletas", la haria girar. Es decir, el chorro en movimiento, TRANSPORTA energia, que proviene inicialmente de la PRESION inicial.

 

A la Energia POTENCIAL, se asocia la Energia CINETICA, es decir, la Energia del Movimiento, y el total, es siempre CONSTANTE.

 

 

Generalizando aun más:

La energia Potencial (presion), se transforma en Energia Cinetica (movimiento). La suma de ambas permanece constante.

Y la mas general de todas, en forma matemática:

 

Ep+Ec= K

 

 

PROXIMO CAPITULO: Cuerpos continuos .....

 

Nota para los "puristas".

Evidentemente, ningun sistema es perfecto. Existen fuerzas de rozamiento, pérdidas .... el Segundo Principio de la Termodinamica, etc ....

Aqui hablamos, por ahora, de sistemas "perfectos".

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Buenos días tenga vuestra merced, Sr. Aguirre. Pues será muy sencillo, se tratará de la nomenclatura de las diferentes partes del barco, el uso y la incidencia que tienen los distintos vientos sobre el velamen, la física del movimiento de los barcos y ya por último el uso de su fantástico programa.

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Continuamos con el Capitulo dedicado a los fluidos; en nuestro caso, el Viento y la Mar:

 

 

CUERPOS CONTINUOS y/o FUERZAS INTERNAS

 

Espero, que aquellos que hayan seguido estos capitulos, y que quienes ya tenian conocimientos sobre el tema, tengan claro a estas alturas, qué es una Fuerza y los efectos que produce en un cuerpo con masa.

 

La Energia, es más complicada de definir. Podemos decir que la Energia se relaciona con la capacidad para EJERCER UN TRABAJO.

  • El agua contenida en el deposito tiene la capacidad de adquirir velocidad si se lo permitimos.
  • El chorro de salida, podria mover una rueda de paletas, o una turbina.
  • El giro de la turbina podria generar electricidad
  • La electricidad podria usarse para encender una lampara
  • .... etc .....

Hemos ido conviriendo la Energia en diferentes tipos de Trabajo, que no tienen por qué generar lo que conocemos como Fuerza.

En todos los casos, en un sistema ideal, el total de energia es constante.

 

 

Vamos a proponer otro ejemplo, que aunque a primera vista, parece diferente, es basicamene parecido al anterior:

 

 

Supongamos, el ala de un avion en vuelo ...

El fluido, ahora es aire, y, en principio, es el avion quien se mueve y NO el aire.

 

¿Que esta ocurriendo ?

Lo primero y más importante, es que NO IMPORTA quien se mueve, sino el movimiento RELATIVO entre los elementos del sistema.

Lo mismo nos dá un avion parado dentro de un "TUNEL DE VIENTO", que un avion en vuelo dentro de una masa de aire estatica. Lo que importa es la velocidad del aire respecto al avion (Viento Relativo).

 

Ahora no tenemos un "nivel" de fluido dentro de un deposito, ni tenemos un chorro definido que podamos ver y medir. Tenemos una gran masa de aire (toda la atmosfera) con un objeto que se mueve dentro de ella. Lo unico que podemos hacer, es estudiar como este objeto "perturba" al aire que lo rodea.

 

Las presiones, velocidades, fuerzas y energias de este nuevo sistema, se generan DENTRO de la masa de aire. Si pudieramos aislar y observar una pequeña porcion de aire, veriamos que los cambios en su velocidad, presion, etc .... afectaran a TODO el volumen de aire que la rodea, y que a su vez, todas las variaciones del gran volumen total, afectan a la pequeña porcion que hemos tomado como punto de "muestreo".

Es decir, tenemos un sistema del tipo "HUEVO O GALLINA". ¿Quien afecta a quien? ¿Que fue primero ? ¿Quien es la causa y quien es el efecto ?

 

Francamente, la respuesta es todos a la vez, todos con todos.

 

Entonces ..... Para estudiar como se comporta el ala de nuestro avion, o las velas de nuestro Navio, ¿Hay que estudiar la Atmosfera completa ?

Afortunadamente, aunque teoricamente la respuesta es SI, en la practica no es asi.

 

Cuando un cuerpo "perturba" el seno de un fluido, el efecto de la perturbacion va disminuyendo a medida que nos alejamos del cuerpo, hasta un punto en que, a efectos practicos, podemos decir que la perturbacion es tan pequeña que podemos considerarla nula.

 

En un lenguaje tecnico, diriamos, que aunque el "campo de influencia" teorico es infinito, a efectos practicos podemos "acotarlo". Es decir, solo es necesario estudiar los cambios en el fluido, hasta una distancia determinada del objeto que se mueve dentro de él. Mas allá de esta distancia, la perturbacion del "medio", puede considerarse nula.

 

En un lenguaje matematico, diriamos que existe un "DOMINIO" alrededor del objeto, y que solamente dentro del Dominio, la presencia del objeto, ejerce influencia en el medio.

 

A titulo informativo, os comentaré que definir este Dominio, es una de las etapas clave, y mas complicadas. Pero .... para nosotros, ahora, suponemos que ya lo tenemos definido para poder centrarnos en lo que pasa dentro de él.

 

 

DINAMICA DE FLUIDOS.

Evidentemente, si se trata de aire, la llamaremos Aerodinamica, si es agua, Hidrodinamica, pero, el nombre general, para cualquier fluido es el que titula este apartado.

 

 

Veiamos al princpio, que el agua contenida en el deposito, adquiere velocidad al abrir la valvula que la retiene. Tambien explicamos, que todo es una cuestion de Energia. La Energia Potencial, almacenada en el deposito, en forma de Presion, se transforma en Energia Cinetica, en forma de Movimiento, del chorro de salida.

 

Tambien dijimos, que la Energia, solo cambia de forma, y que el TOTAL es siempre constante.

 

Asi pues, cuanto con más velocidad salga el agua del chorro, más bajará la presion dentro del depósito. Dicho de otra forma, como el total de energia es constante, si la Cinetica aumenta, la P?otencial, no tiene mas remedio que bajar. ¿No es cierto ?

 

Pues bien, este principio, funciona en cualquier sistema, por ejemplo el de nuestro avion moviendose a traves del aire, o el de un barco a traves del agua y el aire (Ojo que un barco se mueve en DOS fluidos diferentes a la vez).

 

¿Que ocurre cuando el aire en movimiento, es obligado a rodear el ala de nuestro avion ?

 

Mirad la figura siguiente:

 

Se trata de un "corte" del ala del avion, que se mueve hacia la derecha. O lo que es igual, se trata de un ala, sometida a un viento que se mueve hacia la izquierda (Sentido del eje X)

Las lineas curvas en negro, alrededor del ala, son las "lineas de corriente" del flujo de aire. Si el ala, no estuviera, serian lineas horizontales y paralelas entre si, pero la presencia del ala, "perturba" el medio y desvia a la corriente "libre".

 

Tambien vemos, que cuanto mas lejos del ala, menor es la perturbacion.

 

Si este grafico, se hubiera calculado representando una mayor extension, es decir, poniendo los limites mas lejos del ala, veriamos que a partir de una distancia determinada, su la influencia, seria practicamente nula. Lo que es lo mismo, dentro del DOMINIO representado en este grafico, la perturbacion se deja notar.

 

 

Aerodyn2_zpsn97m5yxk.jpg

 

 

¿Que conceptos podemos aplicar ? Bueno, en principio se trata de un dibujo muy bonito y poco mas ..... Pero ya sabemos lo suficiente como para razonar algo sobre él.

 

Miremos los puntos marcados como E (entrada) y S (salida). Son los dos "bordes" del ala, el borde de ataque y el borde de salida. Por el primero, borde delantero, "entra" el aire y por el segundo, borde trasero, el aire "sale".

 

Tambien se han dibujado cuatro lineas en azul, marcadas como A, B, C y D. Basicamente se han dibujado para marcar de alguna manera las zonas de influencia del ala en el aire.

 

Entre las lineas A y B, (zona llamada EXTRADOS) encima del ala, la desviacion del aire es "distinta" de la que puede verse entre las lineas C y D, (llamada INTRADOS) bajo el ala.

 

Vamos a seguir un razonamiento, que aunque no describe la situacion exactamente, es sencillo de seguir....

 

En el borde de salida "S", no se aprecia turbulencia.

El aire que corre bajo el ala, no se da la vuelta para mezclarse con la zona de encima. Lo mismo ocurre en sentido inverso. El aire de la zona superior, no invade la zona inferior rodeando el borde de salida.

 

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RAZONAMIENTO 1

1- ) Si ambas zonas, no se entremezclan en el borde de salida, significa que, en las proximidades de este borde, hay la misma presion encima y debajo del ala. Si no fuera asi, el aire se moveria de la zona de mas presion a la de menos presion.

 

2- ) Recordando las ideas sobre la Energia ..... Si tienen la misma presion .... tendran tambien la misma velocidad.

 

 

CONCLUSION 1

Las corrientes superior e inferior que corren alrededor del ala, llegan al borde de salida con la misma velocidad y presion.

 

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RAZONAMIENTO 2

1- ) En el borde de ataque o borde de Entrada, es evidente que ambas, presion y velocidad deben ser iguales, porque ... la corriente, aun no ha llegado al ala.

 

 

2- ) Si la corriente superior llegase a la salida mas tarde que la inferior, "faltaria aire" entre las lineas A y B, y por lo tanto, habria menos presion en esta zona, cosa que no sucede. Si llegase antes, sobraria aire y la presion subiria, tampoco esto sucede.

 

3- ) Llegan a la vez y salen a la vez .......

 

CONCLUSION 2

El tiempo invertido por el viento en recorrer la cara superior del ala es igual al tiempo que tarda en recorrer la cara inferior.

 

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RAZONAMIENTO 3

Observemos las lineas de corriente en la cara superior del ala, entre las lineas A y B. El aire, obligado a rodear el ala, que en esta parte es muy concava, se ve obligado a recorrer lineas curvas.

Si miramos ahora las lineas de corriente bajo el ala, entre C y D, las lineas de corriente, se acercan un poco entre si, pero son practicamente lineas rectas.

 

¿Que recorrido es mas largo ? ¿El curvo sobre el ala o el recto bajo ella ?

Evidentemente, la curva es mas larga que la recta, pero ....... ¿No hemos dicho que ambas corrientes, una por debajo y otra por encima, tardan lo mismo en recorrer el ala?

 

1- ) Entonces .... la corriente que corre sobre el ala, TIENE QUE IR MAS RAPIDO que la que circula por debajo.

2- ) Recordando las ideas sobre la Energia expuestas al hablar del deposito y el chorro de agua ..........

 

3- ) Si el aire sobre el ala se mueve a mayor velocidad .... entonces la presion debe ser menor sobre el ala que debajo de esta. A mas velocidad, menor presion ....

 

CONCLUSION 3

Si sobre el ala hay menos presion que debajo, entonces .... la diferencia de presiones generará una fuerza hacia arriba(de mas a menos presion), la Fuerza de Sustentacion, que EMPUJARA el ala, tambien hacia arriba.

 

Como resultado, nuestro avion se sostendra en el aire.

 

NOTAS:

Extrictamente no es asi como sucede, aunque el razonamiento es valido, un calculo basado solamente en estos conceptos, arrojaria como resultado una fuerza menor que la observada en la realidad. Es decir, la Fuerza de sustentacion es MAYOR que la que obtendriamos por el "camino" anterior.

Por otra parte, este razonamiento no es valido para explicar algunos fenomenos que veremos más tarde. Aun asi, la relacion de las Enegias cinetica y potencial (Velocidad-Presion) CONSERVA SU VALIDEZ.

 

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En el proximo capitulo hablaremos de las fuerzas de Resistencia y de la aplicacion de todo esto a la Propulsion a Vela.

 

 

Saludos :-)

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Buenos días tenga vuestra merced, Sr. Aguirre. Pues será muy sencillo, se tratará de la nomenclatura de las diferentes partes del barco, el uso y la incidencia que tienen los distintos vientos sobre el velamen, la física del movimiento de los barcos y ya por último el uso de su fantástico programa.

Tenga V.E a bien explicarme cuando y como. No termino de entender eso de "Sita en la Isla de la Mona"

 

Ruego perdone mi torpeza, quedo a su disposicion y siempre a las ordenes de V.E

 

 

- Ion A. -

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Me explicaré con más extensión que en los mensajes anteriormente publicados.

Vuestra Merced tendrá que poner proa a la isla de La Mona (situada entre La Española y Puerto Rico), pues en dicho puerto, ahora ciudad libre, no pirata como antes, se instalará provisionalmente la base para los caballeros guardiamarinas y cadetes. Una vez atracado en dicho puerto, comunique al mando de la flota su presencia en dicho puerto para comenzar con las clases.

 

Buena proa y buen viento tenga V. M.

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Pidiendo disculpas de antemano por mi "cortedad" de entendederas .....

 

Pongo en su conocimiento mi intencion de zarpar esta tarde con rumbo a La Mona.

 

Por otra parte, ruego a VE y/o al mando de la flota, que una vez en dicho puerto tengan a bien ponerme al dia sobre los cambios que haya podido haber durante mi "baja temporal".

 

Como siempre, quedo a la orden de VE

 

Attm:

 

- Ion A. -

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FUERZAS DE RESISTENCIA AERO/HIDRODINAMICAS

Tanto el aire, como el agua, o cualquier otro fluido, como ya imagino que sabemos todos, tienen masa. Por razones obvias, a diferencia de los solidos rigidos(Una mesa, una pelota, un cuerpo humano, .....) no podemos utilizar la masa total del objeto.

Los fluidos, como ya vimos en el Capitulo anterior, no tienen frontera definida, o son tan grandes, que, en el contexto que nos ocupa, no tiene sentido practico utilizar la masa total. ¿Nos sirve para algo conocer la masa total del Oceano o de la Atmosfera? Pues, para el caso que estamos estudiando, NO.

Sin embargo, necesitamos conocer las Fuerzas, Energias, etc ..... que actuan en el fluido y la forma en que se transfieren, transforman y trabajan.

Para poder hacerlo, un dato necesario es la masa del fluido.

En lugar de utilizar TODA la masa, utilizaremos un concepto diferente, la densidad.

Se define la densidad como la masa de la unidad de volumen. Es decir, ¿Cuanta masa tiene un metro cubico (1 m³ = 1000 litros) de fluido ?

Pues ....

1 m³ de aire, tiene 1.12 Kilos

1 m³ de agua dulce, tiene 1000 Kilos

1 m³ de agua de mar, tiene 1025 Kilos

O, introduciendo el concepto de densidad ...

Densidad del aire= 1.12 Kg/m³ (Leido como ... 1.12 kilos por metro cubico)

Densidad agua dulce= 1000 Kg/m³

Densidad agua de mar= 1025 Kg/m³

Los fluidos, no se comportan como los solidos rigidos (un solido rigido es cualquier objeto). Sus propiedades varian mucho al cambiar las condiciones ambientales. Los cambios de temperatura y de presion, los afectan mucho, de forma que la densidad varia al cambiar dichas condiciones.

Por eso, al dar el dato de la densidad, se utilizan unas "condiciones estandard".

El aire, a presion atmosferica estandard (1013.25 hPa) Y A 20ºC de temperatura, tiene una densidad de 1.12 Kg/m³
NOTA (hPa es la abreviatura de Hecto-Pascal, unidad de presion estandard para medir la presion Atmosferica)

La densidad del agua, esta dada a una temperatura de 15ºC. Ya veremos que la presion, le afecta poco o nada.

La del agua de mar es la estandard para el Calculo de buques, que corresponde a las condiciones del Atlantico Norte en Invierno, segun la IMO (International Maritime Organization)

 

 

FUERZAS
Puesto que el fluido (sea el que sea) tiene masa, tambien tendra inercia. Es decir, opone resistencia a moverse.

Hay que aplicar una fuerza para que se mueva, para que cambie de velocidad y para que se desvie de una trayectoria recta (Principio de Inercia)

Pero a diferencia de un solido rigido, el fluido, se mueve "DENTRO DE SI MISMO". En el ejemplo del avion, las corrientes de aire que corren por encima y por debajo del ala, se mueven dentro de la Atmosfera, es decir dentro del mismo aire.

Fijémonos en un vaso de agua. Se ve muy claramente donde empieza y donde termina el liquido, forma un "cuerpo liquido", hay un nivel de agua, un volumen, que podemos medir. Si inclinamos el vaso y derramamos el agua dentro de otro vaso, esta se vierte, formando un chorro, continuo o roto, segun como la derramemos, y termina en el segundo vaso formando tambien un "cuerpo liquido" visible y medible.

Existe "algo" que hace que el agua se una a si misma, y que termine formando de nuevo un cuerpo continuo. Son las Fuerzas de Cohesion Interna. Los elementos que forman nuestro volumen de agua, tienden a unirse entre si, para crear un cuerpo unico otra vez.

Si pudiesemos "ver" qué pasa cuando una parte del fluido se mueve dentro de sí mismo, esta fuerza de cohesion, se opone al movimiento. Digamos que la porcion de fluido que intenta moverse, es frenada por todas las zonas del propio liquido o gás que estan en contacto con ella.
Parece como si nuestro fluido "rozase" consigo mismo. En realidad no se trata de un rozamiento, sino de una especie de "atraccion" de todas las porciones del fluido entre si.

Imaginemos un liquido. Cuanto mayor sea esta fuerza de cohesion, mas dificil será hacerlo fluir, puesto que mas dificil será que una zona del fluido se mueva respecto del resto.
Esta fuerza de "oposicion" que los fluidos oponen a fluir, o a que unas partes se muevan respecto de otras, es lo que llamamos "VISCOSIDAD"

Es comun confundir la Densidad(Masa) con la Viscosidad(Cohesion interna). Muchas veces, cuando manejamos aceite, se oye decir que es "muy denso", refiriendonos a su forma de fluir.
En realidad, el aceite es "muy VISCOSO", pero en cuanto a densidad, es muy ligero (tiene poca densidad), por eso flota en el agua.


Ya tenemos las dos fuerzas principales que juegan en el movimiento de un fluido, la Inercia por un lado, que depende de la masa (densidad), y la Viscosidad, que depende de las fuerzas de Cohesion interna.

Si un cuerpo, en movimiento y sumergido en un fluido, obliga a este, al fluido, a moverse, variando velocidades y direcciones del movimiento;

 

1- ) Debido a la Inercia, a su masa, no "querra" cambiar ninguna de las dos cosas

 

2- ) Por viscosidad, cualquier intento de hacerlo, encontrara la oposicion de esa fuerza de Cohesion interna que no "quiere" que existan movimientos en el seno del fluido.

 

El cuerpo en movimiento, NO tendar otro remedio que vencer a las Fuerzas de Inercia y a las de Viscosidad, que se oponen a esos cambios. De otra manera, nuestro avion, buque, etc ..... no llegará a moverse.

 

En conclusion, para que un objeto pueda moverse dentro de un fluido, o para que un fluido pueda moverse alrededor de un objeto (Ya vimos que dá igual una cosa o la otra) tiene que "empujar" con una fuerza mayor que la Resistencia.

Dando la vuelta a la idea:
Si hay movimiento relativo entre un objeto y un fluido, existe una fuerza de Resistencia que esta siendo equilibrada por otra, que impulsa el objeto o al fluido.


En las fuerzas de resistencia aero/hidrodinamicas, intervienen varias componentes. Tanto la Inercia, como la Viscosidad son dos de las más importantes.

La proporcion en que interviene cada una de ellas, depende del fluido, de las dimensiones del cuerpo en movimiento, de su forma y de la velocidad a la que se mueve.


Este apartado es importante que esté claro antes de seguir.


Os doy unos dias de "elucubracion"


Saludos

 

 

NOTA: No confundir masa con peso.

La masa es una propiedad de los cuerpos, que mide la "CANTIDAD DE MATERIA QUE CONTIENEN"

El Peso, es la FUERZA con que la Tierra atrae a esa masa.

 

La MASA es constante, es siempre la misma, sin embargo un mismo cuerpo. no pesa igual en la Tierra y en la Luna. La Luna, atrae al cuerpo con menos fuerza, por lo tanto, en la Luna, pesará menos.

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  • 3 weeks later...

RESISTENCIA - I I -

 

Seguimos .....

Deciamos que, hay dos fuerzas principales jugando dentro del fluido; La Inercia y la Viscosidad.

 

La Inercia, deberiamos saber ya a estas alturas, que es la Fuerza que se OPONE a los cambios de velocidad y/o direccion, y que la Viscosidad es una fuerza de cohesion interna que actua en el seno del fluido.

 

La fuerza de Inercia será mayor cuanto más rapido queramos cambiar de velocidad o direccion. No es lo mismo pasar de 0 a 100 en 3 segundos, que hacerlo en 20.

Sin embargo, la Viscosidad puede considerarse constante (Una vez más, para los puristas .... solo en los fluidos Newtonianos)

 

Bien, si una de las fuerzas varia y la otra no, una de ellas tendra mas importancia que la otra dependiendo que como se mueva el fluido.

 

¿Y para que nos sirve saber esto ?

Vereis, esta relacion de fuerzas, nos dirá si se van a generar TURBULENCIAS o no.

 

Una Turbulencia, explicado de manera sencilla, es un Desorden de la corriente. Se enrosca se enreda ...... es decir, el fluido cambia bruscamente de direccion y velocidad.

¿Y que pasa entonces ?

 

Pues ..... para "mover" el fluido de esa manera "caotica", hay que vencer a la Inercia y la viscosidad, es decir, es necesaria ENERGIA.

 

Nos movemos en un Navio, propulsado por el viento, la unica energia disponible es la que el viento nos entrega. El viento empuja al barco, y el barco a su vez, empuja al agua que tiene alrededor.

Al desplazar al agua, esta tiene que rodear el casco venciendo a la viscosidad y a la inercia. Para esto, necesita energia, que extrae de la unica fuente disponible, el Empuje del viento.

Es decir, parte de la Energia que el viento nos entrega, se está "desperdiciando" en mover el agua en lugar de usarse en mover el Barco, que es lo que queremos.

Si ademas, empezamos a generar turbulencias, se desperdiciará más energia aun.

 

Se intenta minimizar todo esto diseñando correctamente las formas del casco y cuidando la textura de la parte del buque en contacto con el agua.

 

 

Saludos

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RESISTENCIA - I I I -

 

Un barco, a diferencia de un avion, se mueve entre dos fluidos, agua y aire. Esto añade una complejidad más al estudio de las "alteraciones" que el movimiento del casco produce en los dos.

Recordemos que, cada vez que el fluido se mueve, la energia necesaria se está "robando" de la propulsion.

 

Resulta, que un Navio que se desplaza a traves del aire y el agua, no solo generará los movimientos internos que hemos visto antes en ambos fluidos, sino que ademas, obligará a moverse a la superficie de contacto que los separa, la superficie del agua.

 

El casco, produce un "tren de olas". Una serie de olas, se forma en la proa y se abren a ambas bandas, los "bigotes", otro se produce al empujar el agua hacia los lados, y otro se genera en la popa, dejando un rastro del paso del buque, "la estela".

Como antes, la energia para crear estas olas, tambien se extrae de la propulsion. Se trata de otra resistencia más que hay que añadir, la resistencia por "Formacion de Olas".

 

Aqui teneis el resultado de un calculo real, pero aproximado, del tren de olas generado por el Navio Montañes navegando a 9.25 nudos.

Conocer exactamente el valor de estas fuerzas es extremadamente complejo. Ademas de los calculos, al final, será necesario hacer pruebas en un canal de experiencias, con modelos del buque, a diferentes escalas.

 

bFvOesC.jpg

 

Asi que, en resumen tenemos:

Resistencia debida a las propiedades del fluido, Viscosidad e Inercia.

Resistencia debida a la forma y dimesiones del barco

La residual o inducida, debida a turbulencias y otros factores

Resistencia debida a la formacion de Olas

 

Todas ellas, dependen en mayor o menor grado de la velocidad del navio.

 

La suma de todas, la Resistencia Total, nos dará, cual es la resistencia al avance, y por lo tanto, que potencia es necesaria para alcanzar una velocidad determinada.

 

 

FUERZA DEL VIENTO:

Todos sabemos, porque lo vemos cada vez que entramos en el juego (bastante bien hecho por cierto), que el viento, no solo nos impulsa, sino que ademas, produce escora.

Para alcanzar una velocidad determinada, necesitaremos una Fuerza que venza a las resistencias. Pero, como hemmos dicho, el viento tiene dos efectos, "empujar" y "escorar". Asi que, al aumentar el empuje para correr más, casi seguro que tambien aumentará la escora.

 

Como vimos en los capitulos sobre ESTABILIDAD, si el PAR escorante es demasiado grande, el Navio escorará demasiado.

 

Tendremos dos escenarios posibles.

Uno:

El barco escorará demasiado, sumergiendo mucho un costado, mientras el otro apunta a "las nubes".

El agua barrerá las cubiertas y hará imposible cualquier trabajo en ellas.

Si la escora aumenta más, se perderá la estabilidad y el Navio zozobrará.

 

Dos:

El aparejo empezará a "faltar", que en lenguaje Nautico significa que se romperá.

Romperemos velas e incluso se llegarán a quebrar los palos.

 

Necesitamos la maxima propulsion con la minima escora, si no, no nos servirá de nada alcanzar una gran velocidad, porque el buque, no lo resistirá, volcará o se hara pedazos.

 

Es decir, la meta a alcanzar por nuestras velas será: MAXIMIZAR la fuerza avante, MINIMIZAR la fuerza lateral.

 

 

A partir del proximo capitulo, veremos como.

 

 

 

Saludos

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  • 3 weeks later...
FUERZA DEL VIENTO - I I -
Como vimos en el apartado sobre fluidos, la forma en que el aire circula alrededor de una vela, determinará las fuerzas que se generen.
Estas fuerzas dependerán, en lo que al viento se refiere de; La fuerza con que sople y el angulo con que incida en el "trapo".
En lo relativo a las velas, dependerá de la superficie de estas, la orientacion y la FORMA.
Asi que, las fuerzas generadas por el viento, dependeran de como este circula alrededor de las velas. Las presiones y velocidades en cada punto de la vela, marcan la fuerza generada, y esta, depende de la distribucion de las dos, Presion y Velocidad.
A diferencia de un ala de avion, las velas estan hechas de tejido (no discutamos aqui las velas rigidas que se investigan ultimamente), y por lo tanto, tienen una forma que varia cuando el viento las llena.
Lo que a primera vista puede parecer un inconveniente, es en realidad la gran ventaja de la vela. Por medio de los aparejos del Navio, no solo podemos orientarlas de la manera más conveniente, sino tambien variar su forma, para adaptarla y "optimizarla" a las condiciones de navegacion.
Cuando navegamos de Bolina (ciñendo contra el viento), las velas se bracean a tope, y por medio de otros aparejos, la forma del trapo se varia, adoptando un perfil, casi como el del ala de un avion. Lo mas plano posible, con el embolsamiento más acusado en la zona de proa y el "aplanamiento" en la de popa.
(En las figuras que siguen: Vista en planta. Viento en azul, perfil de la vela en rojo)
Vela ciñendo: Perfil aerodinamico. Mayor curvatura en el "borde de ataque".
e00c1f1a-2b6a-4998-8067-f9f8fe5e462f_zps
Sin embargo, cuando navegamos con vientos portantes (corriendo al viento a un Largo o en Popa), lo más conveniente es abrir las brazas y dar a la vela un perfil lo más embolsado posible, con forma de globo.
Barco en popa. Vela "redondeada" embolsamiento casi simetrico.
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Entre ambas situaciones extremas, todos los vientos son posibles. La correcta combinacion de angulos y tensiones en los aparejos del Navio, nos conducirá a la Maxima fuerza propulsiva con la minima componente lateral.
En el video siguiente, teneis como cambia el "flujo" de aire alrededor de una vela a medida que el angulo entre esta y el viento varia (angulo de ataque). Ojo, como hemos dicho arriba, el perfil tambien varia.
Las zonas azules, representan areas de BAJA PRESION, las anarajandas y rojas, de ALTA PRESION.
Fijaos como las presiones varian cuando el angulo de ataque cambia. Y recordad:
Que estas diferencias de presion a uno y otro lado de la vela, son las que generan las fuerzas que impulsaran nuestro Navio
Que la forma de las areas de alta y baja presion, determinará la direccion en que estas fuerzas "empujan".

 


En este otro video, teneis una vista en 3D de lo anterior. Esta vez, (de modo esquematico) se han incluido el barco y las fuerzas resultantes.
El vector de fuerza en rojo, representa la fuerza Lateral, mientras que el azul, representa a la fuerza de propulsion.
El valor y la direccion de ambas, varia al variar el viento.

 

Existen dos angulos importantes a tener en cuenta:
El ANGULO DE ATAQUE: Formado entre el viento y la vela. Lo ajustamos braceando las velas.
LA MARCACION DEL VIENTO: Entre el Navio y el viento. Lo ajustamos con el timon.
Imaginemos todo esto visto desde el barco. En realidad la direccion concreta a la que apunta cada fuerza, no nos interesa. Simplemente necesitamos saber cuanta fuerza nos empuja hacia adelante y cuanta hacia un lado segun el viento que tengamos.
Las fuerzas, pueden calcularse con una buena aproximacion. El/los procedimiento/s exceden con mucho el proposito de estos apuntillos. Aun asi, os incluyo el resultado de los calculos hechos para los ejemplos anteriores.
ValoresPolar_zpsbeydrs5l.jpg
En el eje vertical, los valores de la fuerza en Newtons.
En el eje horizontal la marcacion del viento en grados.
Las fuerzas lateral y propulsiva en curvas, azul y rojo respectivamente.
Mientras la fuerza de propulsion aumenta, la componente lateral lo hace solo hasta los 84º aproximadamente, para volver a disminuir.
Una marcacion de 0º significa un viento totalmente desde la proa, una de 180º viento en popa "cerrada" y una de 90º, un viento del través.
Como la forma de las velas varia, el maximo de fuerza trabajando de "traves" no coincide con la marcacion de 90º, sino con la de 84º.
Si representasemos lo anterior en coordendas "polares", obtendriamos una de las POLARES del NAVIO. Dato imprescindible para el estudio del comportamiento de un buque a vela.
Tomaos los graficos y los valores como datos "explicativos", que es lo que son. No he sido muy riguroso con el "modelo" aunque si que he buscado un equilibrio razonable entre realidad y simplicidad.
Un saludo
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Para que veais que estas cosas "sirven para algo".

 

No podemos construir un Navio de 74 cañones de verdad para ver como navegaban. Pero SI que podemos, gracias a todo lo anterior y alguna cosa mas, aproximarnos bastante al comportamiento de aquellos navios.

 

Os incluyo las curvas polares, calculadas por mi, de un navio español de 74 cañones, serie de los Ildefonsinos.

Para mayor claridad, las he superpuesto a un transportador.

 

¿Y por que firmo este dibujo y no los anteriores ? Pues ... porque este SI es un calculo real, que ha costado un trabajo considerable.

Polar_zpsdbqbnkup.jpg

 

Velocidades en nudos,

 

Condiciones de calculo:

Buque siempre a todo trapo.

NOTA: Los Navios no podian navegar a todo trapo con cualquier viento. Como hemos comentado, romperia o volcaria. Por lo tanto estas curvas polares corresponden solamente al rendimiento de las velas, sin tener en cuenta otros factores aparte de la resistencia hidrodinamica del Navio.

 

Se tiene en cuenta la interferencia entre velas.

 

 

 

Interpretacion:

Cada color corresponde a la curva de velocidades para un viento dado.

La velocidad del buque, se lee en la escala vertical, de 0 a 25 nudos, sobre el circulo correspondiente.

Las lineas radiales representan la marcacion del viento de 0 a 180º a babor y estribor,

Las areas sombreadas en rojo y verde, corresponden a los sectores "prohibidos". El Navio no puede ir avante con vientos provenientes de estas zonas.

 

Observese que para ningun viento, la velocidad maxima corresponde al viento en popa. En practicamente todos los veleros, clasicos y modernos, la maxima velocidad se obtiene navegando a un LARGO (vientos que entran por la aleta).

 

 

Saludos

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