Aerodinámica
Miguel Anxo Lareo Sánchez
Índice del artículo
1. Teoría de la Vela. Aerodinámica
2. La circulación de velocidad
3. La circulación de velocidad y el timoneo
4. Centro de empuje y centro de resistencia lateral
5. Notas aclaratorias para ulteriores croquis
6. Estudio y descomposición del empuje vélico I
7. Porte y Arrastre. Perfiles delgados. Perfiles gruesos. Borde de ataque
8. Ángulo de incidencia. Flujo laminar-turbulento-ruptura
9. Empuje máximo. Empuje óptimo
10. Papel del alargamiento
Generación de la fuerza de sustentación
La fuerza de sustentación es el parámetro básico de la mecánica de fluidos de un velero. Se genera por la diferencia de presión existente entre las dos cara de las velas, debido fundamentalmente a un fenómeno poco conocido que se denomina "circulación de velocidad".
La fuerza de sustentación
Las velas de los veleros, de igual modo que las alas de los aviones, generan una fuerza de sustentación que es debida a las diferencias de presión entre las caras opuestas de sus perfiles aerodinámicos.
Esta fuerza de sustentación es la que mantiene, en efecto, a los aviones en el aire y hace avanzar a los veleros contra el viento.
En la figura se puede ver como el empuje vélico de una vela navegando contra el viento se genera en una dirección más o menos perpendicular a la sección del perfil y, de este modo se puede descomponer en una componente perpendicular al flujo, la sustentación, y en otra en su misma dirección, la resistencia
El arte del trimado de un velero en ceñida consiste, desde un punto de vista aerodinámico, en obtener en todo momento la máxima sustentación y la mínima resistencia, puesto que esto es lo más rentable para la obtención de la máxima fuerza propulsiva y el mínimo abatimiento La descomposición vectorial del empuje vélico en sustentación y resistencia explica que el objetivo de un velero que navega en ceñida sea maximizar la primera y minimizar la segunda para lograr la máxima fuerza propulsiva hacia proa y el mínimo abatimiento.
2. La circulación de velocidad.
Durante muchos años se creía que la sustentación se generaba solamente por la desviación del flujo de aire en contacto con la vela y no se tiene en cuenta un parámetro igualmente fundamental que es el denominado "circulación de velocidad".
Es difícil comprender intuitivamente el concepto de circulación de velocidad, pues es imposible verlo a simple vista en un barco y es un concepto de origen matemático antes que empírico. Durante las primeras décadas de este siglo, en pleno desarrollo del aparejo Marconi y la consiguiente carrera para ceñir cada vez más, los navegantes intentaron comprender la generación de la codiciada sustentación mediante la única acción del flujo lineal de aire sobre la vela: es decir, el viento aparente, el que se "ve" y se siente, cuya dirección y velocidad se puede medir.
Sin embargo, gracias al desarrollo de la aeronáutica y con ella la aparición de los laboratorios basados en los túneles de viento se demostró algo que los matemáticos ya sabían: que el flujo lineal del aire, por sí mismo es incapaz de generar sustentación y que existía otro flujo, no lineal sino circular, alrededor de la vela, que denominaron "circulación de velocidad" o "flujo de circulación".
Si imaginamos una vela flameando (figura 2a) que se caza y empieza a portar interponiéndose al flujo del viento, las partículas de éste se ven obligadas a contornearla dividiéndose a partir de la línea del palo: unas van hacia la cara de sotavento y otras hacia barlovento (figura 2b).
Debido a la viscosidad del aire, las partículas se ven incapaces de sortear la vela de una forma ordenada y simétrica sin alterar su dirección ya que las que están en contacto con la vela rozan con ella y se frenan. De este modo, al llegar a la baluma se produce un torbellino, originado por las partículas que giran sobre sí mismas para intentar llenar el "hueco" dejado por las que se han retrasado debido al rozamiento con la vela.
Este remolino que se forma se denomina turbulencia de arranque (o inicial). Una vez se ha formado, éste es arrastrado por el flujo de aire que tiende a restituir el flujo lineal a ambas caras de la vela. Para ello, debe "llenarse" el vacío generado en la cara de sotavento y el aire que sale por la baluma es incapaz de hacerlo.
Esta “necesidad” de aire en esta zona es cubierta por parte del flujo que hubiera debido circular por la cara de barlovento; este aire se desvía para pasar por delante del palo e ir hacia la cara de sotavento. De este modo, en la baluma, las líneas de flujo discurren paralelas y a la misma velocidad, lo que significa que a ambas caras de barlovento y sotavento están a la misma presión.
Se ve así como, para que la cara de sotavento tenga más volumen de aire, se produce una desviación del flujo a barlovento del grátil. El viento alarga en esta zona, de forma que, si se observa una representación gráfica de las líneas de flujo, parece como si el viento "viera" la llegada de la vela desviándose previamente. Si se analiza el fenómeno en términos de conservación de la energía, se puede decir que el torbellino de arranque que se ha originado al portar la vela genera otro "torbellino" mucho más grande que tiende a girar alredor de toda la vela y que es la causa de que se desvíe el flujo antes del grátil.
Este movimiento circular, que se denomina circulación de velocidad o flujo de circulación, es en el sentido de las agujas del reloj; es decir, en barlovento tiene la dirección opuesta al flujo y en sotavento la misma. Esto quiere decir que, al sobreponerse ambos flujos, en la cara de barlovento sus acciones se restan, mientras que en la sotavento se suman. De este modo, en la cara de barlovento la presión aumenta y disminuye la velocidad y en la de sotavento ocurre lo contrario: la presión disminuye y la velocidad aumenta.
Este efecto incrementa enormemente el gradiente de presiones que es lo que origina la fuerza de sustentación. Esto explica porque los aviones con alas curvas en su cara superior pueden volar en posición invertida y porque una superficie totalmente plana puede generar sustentación (los aviones de papel son un ejemplo válido al respecto). También ésta es la explicación del "efecto" que adquieren las pelotas: si se lanzan girando sobre sí mismas, se genera circulación de velocidad que al combinarse con el flujo lineal del aire al desplazarse, generan la sustentación que las desvía; si se lanza una pelota sin giro - sólo existiendo entonces flujo lineal debido al desplazamiento -, ésta se desplaza recta, sin desviarse, como saben muy bien los lanzadores de béisbol. En resumen: es la superposición del flujo lineal normal del viento y el de circulación genera la diferencia de presiones necesaria para generar sustentación.
De este modo, la turbulencia de arranque ha inicializado la circulación de velocidad de un modo análogo al que dos ruedas dentadas giran entre sí formando un engranaje (ver figura 2d). De este modo, cada vez que se genere un nuevo torbellino se va a alterar la circulación de velocidad. Lo que les interesa a los trimers y a la caña es mantener ésta en su valor máximo para lograr la máxima sustentación.
Esto requiere tiempo, de 2 a
12 segundos en función del tamaño de la vela y de la fuerza del viento: cuanto más grande es una vela más circulación de velocidad puede generar pero más tiempo necesitará para llegar al valor máximo.
Esto explica la razón por la que los barcos de vela ligera y, en general, las velas altas y estrechas logran alcanzar más rápidamente la máxima circulación de velocidad y por tanto "responden" mejor.
Por lo tanto, cada vez que se alteran las condiciones del flujo - rolada, cambio de rumbo, balanceo, cazado o amollado de escotas, etc. - la circulación de velocidad caerá ya que un "nuevo" flujo recorrerá la superficie de la vela y, cranque que incializará la formación de un flujo de circulación alredor de la vela que irá acelerando su velocidad de giro hasta llegar de nuevo a su velocidad máxima en la que se establecerá.
Se comprende de este modo la base física con la que trabajan los buenos trimadores y cañas y lo difícil de su trabajo. Se comprende también la importancia que adquiere con poco viento moverse de puntillas por el barco y mover lo menos posible el timón.
Algunos datos de laboratorio dan una idea del problema. Si se considera un barco de aproximadamente 12 metros de eslora, cuya vela tenga una sección media aproximada de unos 7 metros, con un viento de 20 nudos, la experiencia de laboratorio muestra que si se caza la vela hasta establer un ángulo de ataq de 20º, se establecerá un 85 % de la circulación de velocidad máxima al cabo de unos 6 segundos aproximadamente. Este valor aumenta hasta los 20 segundos si la velocidad del viento es de tan sólo 6 nudos y hasta 30 segundos si es de 4 nudos. Esto explica la difícil labor de trimado de una velero de regatas cuando hace poco viento: la tripulación debe "esperar" del orden de medio minuto antes de sacar provecho a un reglaje de las velas determinado.
Los buenos trimers y cañas tienen en cuenta la circulación de la velocidad cada vez que se alteran las condiciones de viento o velocidad del barco.
4. Centro de empuje y centro de resistencia lateral.
El velamen y el plano de resistencia lateral realizan un trabajo similar.
El aire al pasar sobre las velas crea un empuje cuya dirección forma un ángulo variable con el eje Pr-Pp del barco.
Digamos que va dirigido hacia Pr. del través
El agua al pasar sobre el plano de resistencia lateral crea un empuje del mismo tipo .
La diferencia en el trabajo de ambas superficies reside en que, para el velamen, el flujo de aire puede provenir de todas las direcciones posibles; dicho de otro modo: el ángulo de incidencia podrá tener cualquier valor entre un mínimo de 25º-30º y los 90º que corresponden al viento en popa; por el contrario, el plano de resistencia lateral siempre trabajará bajo un pequeño ángulo de incidencia, por lo que puede muy bien compararse a una ala de avión; no sucederá así con la vela, que sólo se podrá semejar al ala de un avión en la ceñida y en menor grado.
El funcionamiento del plano de resistencia lateral se traducirá por una deriva del barco con respecto a su eje Pr-Pp y a su rumbo teórico El valor de este ángulo de deriva será determinado por el rendimiento del plano de resistencia lateral, sus características y las condiciones de trabajo.
Para el estudio del funcionamiento del velamen, supondremos que el ángulo de deriva no variara.
Centro de empuje y centro de resistencia lateral
Las física autoriza a considerar el empuje desarrollado por un plano velico o un plano de deriva como si estuviera aplicado en un solo punto que denominaremos, según el caso, centro de empuje o centro de resistencia lateral.
Para trazar los esquemas explicativos colocaremos estos puntos aproximadamente en el centro de gravedad de los citados planos.
En la practica no sucede así, ya que la presión no está repartida por igual sobre el plano y además es variable, al igual que el resto de elementos en juego.
El ángulo de deriva variara sin cesar, no solamente de un barco a otro, sino de un momento a otro en el mismo barco.
Para simplificar, se le atribuye generalmente un valor medio y constante.
En los esquemas tradicionales, tendremos entonces la silueta del barco, el eje de desplazamiento y los vectores que tienen su origen en los centros de empuje o de resistencia lateral, respectivamente, y que representan linealmente la magnitud y dirección de las fuerzas actuantes. El centro de empuje velico sé situará en altura a medio palo; el plano vélico longitudinal, estará a una cierta distancia del eje longitudinal, distancia que varía según la escora y la manera como están orientadas las velas. Únicamente el spinnaker tendrá el centro de empuje casi sobre el eje longitudinal. Mencionaremos igualmente para recordarlo ya que para simplificar lo despreciaremos, el desplazamiento del centro de empuje en función de las condiciones de trabajo del plano velico: nos conformaremos con indicar que en los rumbos de ceñida estará cerca del palo, a causa del predominio de las zonas cercanas al borde de ataque cuando el ángulo de incidencia es pequeño; a rumbos más abiertos tenderá a confundirse con el centro de gravedad del plano vélico, lo cual lo distanciará aún más del eje del barco.
El centro de resistencia lateral se desplaza de dos maneras: cuando la velocidad aumenta sensiblemente y el ángulo de deriva disminuye, como ocurre con viento de través, las zonas próximas al borde de ataque desarrollan un papel primordial y el centro de resistencia lateral avanza, hasta el punto de que esto causa problemas a menudo por volverse el barco demasiado ardiente (tendencia a orzar); es especialmente patente en los barcos de orza, que serian casi ingobernables si no levantaran ésta. Sin embargo, en el estudio de la ceñida generalmente despreciaremos este desplazamiento longitudinal del centro de resistencia lateral. Además, cuando el barco escora, el centro de resistencia lateral se desplaza en cierto modo hacia el exterior de ]as nuevas líneas de agua. Cuando el empuje velico actúa sobre el eje del barco, por ejemplo con mayor y foque atangonado, o con el spinnaker, no existe ya componente lateral y el casco se desplaza sin deriva. Entonces parece más lógico hablar de "centro de resistencia dinámica".
Este planteamiento un poco largo tiene como fin el dejar sentado que los centros de empuje y de resistencia lateral estarán situados a una cierta distancia uno de otro, variable según las condiciones de utilización.
Ateniéndonos al croquis, veremos que para que el barco progrese en línea recta sin solicitar corrección con la caña se necesita:
1º que las fuerzas R y D sean iguales.
2º que están situadas sobre el mismo eje .
Con una carena bien diseñada y una escora moderada, en la ceñida ambas condiciones pueden cumplirse Los últimos toques son dados por los tripulantes, que procuran situar el palo y ajustar las escotas de forma que tengan un barco bien equilibrado. Pero para cualquier modificación de las fuerzas actuantes o de la posición de uno de los centros hará falta para que el barco siga equilibrado, un desplazamiento simétrico e inverso del otro. Si el empuje velico aumenta bruscamente, el plano de resistencia a la deriva se ajusta, hasta un cierto límite, al esfuerzo solicitado por modificación del ángulo de deriva. Si el centro de empuje avanza, es necesario que el centro de resistencia lateral retroceda, resultado que se obtiene levantando parcialmente la orza en los barcos dotados de orza basculante. (La búsqueda del equilibrio longitudinal es una de las razones que han llevado a disponer dos orzas, una detrás de otra, en algunos yates americanos de grandes dimensiones. Por el contrario, si el centro de gravedad se desplaza hacia el exterior, es imposible desplazar en sentido inverso el centro de resistencia lateral, o hacerlo retroceder lo necesario. Se crea entonces un par evolutivo importante que solo puede compensarse con la acción del timón. En los yates de regata, la lucha por reducir la superficie mojada y la reducción de la parte trasera del plano de deriva que suele acompañarla, conduce a la creación de barcos que, aunque están bien equilibrados en ceñida, tienen muchas veces un comportamiento errático a rumbos abiertos, agravado por la posición muy avanzada del timón, que dificulta la lucha contra las guiñadas. Naturalmente, el aprovechamiento de las velas de proa será muy ventajoso a estos rumbos, porque tienden a desplazar hacia delante el centro de empuje. El spinnaker goza de la ventaja adicional de tener su propio centro de empuje en las inmediaciones del eje de desplazamiento. De esta manera, con viento en popa, el tangón de spinnaker bien fuera de la borda, los centros de empuje y de resistencia dinámica estará prácticamente sobre el mismo eje. Existirá un par que tenderá a hundir la proa del barco, pero no habrá par evolutivo.
De todas maneras, si por cualquier causa el barco da un fuerte balanceo se creará, aunque el barco continúe viento en
popa, un par evolutivo o incluso una sucesión de pares opuestos.
El gráfico representa una vista en planta del barco navegando. Podemos apreciar que, a causa de la escora, el punto de aplicación del empuje velico está netamente fuera del casco, al igual que por la misma causa el centro de resistencia lateral está desplazado en el sentido opuesto con respecto al eje longitudinal. El viento aparente, muy mal denominado, representa el viento que realmente incide sobre el barco y es, a causa de la velocidad de éste, distinto del viento que percibirá un espectador inmóvil.
Una vez definidos los puntos de aplicación de las fuerzas actuantes, veamos como se descomponen éstas para un barco que navegue ciñendo éste es el croquis tipo que vamos a ver repetidamente bajo formas más o menos completas, para ilustrar las fuerzas actuantes y su interacción recíproca. De hecho, esta interacción es constante, y se lo podemos considerar este croquis como instantáneo, válido únicamente para un momento dado. El rumbo del barco forma con la dirección del viento real, un ángulo y que no puede reducirse más que hasta un cierto valor, y cada uno de sus componentes ilustra un aspecto diferente del problema. Puntualicemos en primer lugar que el único elemento válido de comparación y de apreciación del progreso del barco contra el viento es el Vmg, medido directamente sobre el eje del viento, lo que ilustra con claridad el hecho de que una buena ce-ida no consiste solamente en la máxima reducción del ángulo Y, que llevará consigo un excesivo aumento de las resistencias al avance.
El velamen y el plano de resistencia lateral realizan un trabajo similar.
El aire al pasar sobre las velas crea un empuje cuya dirección forma un ángulo variable con el eje Pr-Pp del barco.
Digamos que va dirigido hacia Pr. del través
El agua al pasar sobre el plano de resistencia lateral crea un empuje del mismo tipo .
La diferencia en el trabajo de ambas superficies reside en que, para el velamen, el flujo de aire puede provenir de todas las direcciones posibles; dicho de otro modo: el ángulo de incidencia podrá tener cualquier valor entre un mínimo de 25º-30º y los 90º que corresponden al viento en popa; por el contrario, el plano de resistencia lateral siempre trabajará bajo un pequeño ángulo de incidencia, por lo que puede muy bien compararse a una ala de avión; no sucederá así con la vela, que sólo se podrá semejar al ala de un avión en la ceñida y en menor grado.
El funcionamiento del plano de resistencia lateral se traducirá por una deriva del barco con respecto a su eje Pr-Pp y a su rumbo teórico El valor de este ángulo de deriva será determinado por el rendimiento del plano de resistencia lateral, sus características y las condiciones de trabajo.
Para el estudio del funcionamiento del velamen, supondremos que el ángulo de deriva no variara.
Centro de empuje y centro de resistencia lateral
Las física autoriza a considerar el empuje desarrollado por un plano velico o un plano de deriva como si estuviera aplicado en un solo punto que denominaremos, según el caso, centro de empuje o centro de resistencia lateral.
Para trazar los esquemas explicativos colocaremos estos puntos aproximadamente en el centro de gravedad de los citados planos.
En la práctica no sucede así, ya que la presión no está repartida por igual sobre el plano y además es variable, al igual que el resto de elementos en juego.
El ángulo de deriva variara sin cesar, no solamente de un barco a otro, sino de un momento a otro en el mismo barco.
Para simplificar, se le atribuye generalmente un valor medio y constante.
En los esquemas tradicionales, tendremos entonces la silueta del barco, el eje de desplazamiento y los vectores que tienen su origen en los centros de empuje o de resistencia lateral, respectivamente, y que representan linealmente la magnitud y dirección de las fuerzas actuantes. El centro de empuje velico sé situará en altura a medio palo; el plano vélico longitudinal, estará a una cierta distancia del eje longitudinal, distancia que varía según la escora y la manera como están orientadas las velas. Únicamente el spinnaker tendrá el centro de empuje casi sobre el eje longitudinal. Mencionaremos igualmente para recordarlo ya que para simplificar lo despreciaremos, el desplazamiento del centro de empuje en función de las condiciones de trabajo del plano velico: nos conformaremos con indicar que en los rumbos de ceñida estará cerca del palo, a causa del predominio de las zonas cercanas al borde de ataque cuando el ángulo de incidencia es pequeño; a rumbos más abiertos tenderá a confundirse con el centro de gravedad del plano vélico, lo cual lo distanciará aún más del eje del barco.
El centro de resistencia lateral se desplaza de dos maneras: cuando la velocidad aumenta sensiblemente y el ángulo de deriva disminuye, como ocurre con viento de través, las zonas próximas al borde de ataque desarrollan un papel primordial y el centro de resistencia lateral avanza, hasta el punto de que esto causa problemas a menudo por volverse el barco demasiado ardiente (tendencia a orzar); es especialmente patente en los barcos de orza, que serian casi ingobernables si no levantaran ésta. Sin embargo, en el estudio de la ceñida generalmente despreciaremos este desplazamiento longitudinal del centro de resistencia lateral. Además, cuando el barco escora, el centro de resistencia lateral se desplaza en cierto modo hacia el exterior de ]as nuevas líneas de agua. Cuando el empuje velico actúa sobre el eje del barco, por ejemplo con mayor y foque atangonado, o con el spinnaker, no existe ya componente lateral y el casco se desplaza sin deriva. Entonces parece más lógico hablar de "centro de resistencia dinámica".
Este planteamiento un poco largo tiene como fin el dejar sentado que los centros de empuje y de resistencia lateral estarán situados a una cierta distancia uno de otro, variable según las condiciones de utilización.
Ateniéndonos al croquis, veremos que para que el barco progrese en línea recta sin solicitar corrección con la caña se necesita:
1º que las fuerzas R y D sean iguales.
2º que están situadas sobre el mismo eje.
Con una carena bien diseñada y una escora moderada, en la ceñida ambas condiciones pueden cumplirse Los últimos toques son dados por los tripulantes, que procuran situar el palo y ajustar las escotas de forma que tengan un barco bien equilibrado. Pero para cualquier modificación de las fuerzas actuantes o de la posición de uno de los centros hará falta para que el barco siga equilibrado, un desplazamiento simétrico e inverso del otro. Si el empuje velico aumenta bruscamente, el plano de resistencia a la deriva se ajusta, hasta un cierto límite, al esfuerzo solicitado por modificación del ángulo de deriva. Si el centro de empuje avanza, es necesario que el centro de resistencia lateral retroceda, resultado que se obtiene levantando parcialmente la orza en los barcos dotados de orza basculante. (La búsqueda del equilibrio longitudinal es una de las razones que han llevado a disponer dos orzas, una detrás de otra, en algunos yates americanos de grandes dimensiones. Por el contrario, si el centro de gravedad se desplaza hacia el exterior, es imposible desplazar en sentido inverso el centro de resistencia lateral, o hacerlo retroceder lo necesario. Se crea entonces un par evolutivo importante que solo puede compensarse con la acción del timón. En los yates de regata, la lucha por reducir la superficie mojada y la reducción de la parte trasera del plano de deriva que suele acompañarla, conduce a la creación de barcos que, aunque están bien equilibrados en ceñida, tienen muchas veces un comportamiento errático a rumbos abiertos, agravado por la posición muy avanzada del timón, que dificulta la lucha contra las guiñadas. Naturalmente, el aprovechamiento de las velas de proa será muy ventajoso a estos rumbos, porque tienden a desplazar hacia delante el centro de empuje. El spinnaker goza de la ventaja adicional de tener su propio centro de empuje en las inmediaciones del eje de desplazamiento. De esta manera, con viento en popa, el tangón de spinnaker bien fuera de la borda, los centros de empuje y de resistencia dinámica estará prácticamente sobre el mismo eje. Existirá un par que tenderá a hundir la proa del barco, pero no habrá par evolutivo.
De todas maneras, si por cualquier causa el barco da un fuerte balanceo se creará, aunque el barco continúe viento en popa, un par evolutivo o incluso una sucesión de pares opuestos.
El gráfico representa una vista en planta del barco navegando. Podemos apreciar que, a causa de la escora, el punto de aplicación del empuje velico está netamente fuera del casco, al igual que por la misma causa el centro de resistencia lateral está desplazado en el sentido opuesto con respecto al eje longitudinal. El viento aparente, muy mal denominado, representa el viento que realmente incide sobre el barco y es, a causa de la velocidad de éste, distinto del viento que percibirá un espectador inmóvil.
Una vez definidos los puntos de aplicación de las fuerzas actuantes, veamos como se descomponen éstas para un barco que navegue ciñendo éste es el croquis tipo que vamos a ver repetidamente bajo formas más o menos completas, para ilustrar las fuerzas actuantes y su interacción recíproca. De hecho, esta interacción es constante, y se lo podemos considerar este croquis como instantáneo, válido únicamente para un momento dado. El rumbo del barco forma con la dirección del viento real, un ángulo y que no puede reducirse más que hasta un cierto valor, y cada uno de sus componentes ilustra un aspecto diferente del problema. Puntualicemos en primer lugar que el único elemento válido de comparación y de apreciación del progreso del barco contra el viento es el Vmg, medido directamente sobre el eje del viento, lo que ilustra con claridad el hecho de que una buena ce-ida no consiste solamente en la máxima reducción del ángulo Y, que llevará consigo un excesivo aumento de las resistencias al avance.
El ángulo plano vélico - eje del barco (ángulo delta)Es el que conviene al ajuste de las escotas. Para un rumbo dado del barco se buscará un ángulo delta que permite mantener a alfa en su valor óptimo.
La dirección del empuje vélico, constante con respecto al palno promedio del velamen se irá separando cada vez más del eje del barco a medida que el plano de velamen se vaya acercando y así en la ceñida encontraremos uno de los límites del ángulo delta que será el momento en que la dirección del empuje vélico comporte una componente lateral excesiva. El otro límite extremo lo tendremos cuando la botavara se apoye en los obenques o cuando el puño de escota del foque se encuentre a la altura de la roda.
Ángulo eje del barco - Rumbo real o ángulo de deriva. El valor de este ángulo será considerado más que por su valor absoluto, en función de las resistencias al avnce que aumentan en demasía cuando el ángulo de deriva tiene unos pocos grados. Siempre procuraremos mantener un ángulo de deriva mínimo.
6.Estudio y descomposición del empuje vélico I.
El empuje vélico (como recordatorio) se descompone segun el paralelogramo de fuerzas:
Fuerza propulsora FP paralela al rumbo real (no al plano longitudinal pues tendremos en cuenta el ángulo de deriva) y una Fuerza lateral FL perpendicular al rumbo real.
Este vector FL constituye el problema fundamental de la marcha contra el viento. Las respectivas posiciones del centro de empuje vélico y del centro de resistencia lateral crean un par inclinante considerable. Esta fuerza de escora pone a prueba la estabilidad del barco, esta sea cual sea este tienes unos límites que se materializan en el vuelco o una inclinación que reduce sensiblemente el rendimiento del velamen así como la resistencia al avance.
El Empuje Vélico Creación
El fenómeno del empuje vélico es facil de comprobar de forma práctica. Está basado en el teorema de Bernoulli: En un punto dado, la suma de las presiones estáticas y dinámicas permanece constante. Así vemos que cuando el flujo de aire es desviado por un plano, los chorros de aire que pasan por barlovento, son frenados y una parte de la energía cinética de este, se emplea en crear una presión estática sobre la vela.
En sotavento, los chorros de aire sufren una aceleración que hace disminuir la presión estática y por lo tanto produce una succión.
Presiones y depresiones se suman para constituir el empuje aerodinámico o vélico.
Magnitud y dirección del empuje vélico.
Retomando el parrafo anterior, tienen igual importancia la fuerza que la dirección del empuje obtenido, ya que ambos desempeñan un papel similar en la formación de la fuerza propulsora.
Una serie de principios básicos van a jugar en cada punto de la vela:
Presión y depresión actuarán perpendicularmente a la vela. Si la vela fuera plana, el empuje sería perpendicular a ella. Por la curvatura, los empujes en los diferentes puntos estarán dispuestos en abanico.
Los empujes son sensiblemente más importantes en las inmediaciones del borde de ataque.
El empuje total, será la suma de las presiones y las depresiones ejercidas sobre la superficie de la vela. (Puede considerarse que están aplicadas en un solo punto: el centro de empuje.
La dirección del empuje al igual que su centro vienen determinados por la magnitud y dirección de los empujes en los diferentes puntos. Por el predominio de las cercanías al borde de ataque el empuje se dirigirá hacia delante de la cuerda media de la vela y el centro de empuje no estará en el centro de gravedad de la vela sino a proa de este.
Porte y Arrastre
A medida que el empuje vélico aumente de valor, veremos crecer una fuerza parásita dirigida en la dirección del flujo del aire.
Es el arrastre, una fuerza opuesta en ángulo recto a la fuerza útil desarrollada por la vela: porte que está orientado perpendicularmente al flujo del aire.
La relación Porte/Arrastre se llama finura. Un concepto de primordial importancia en la ceñida, ya que el arrastre tiende a separar la dirección del empuje vélico del eje de desplazamiento del barco y disminuye la parte del empuje transformada en fuerza propulsiva, para aumentar la fuerza lateral.
En otras tomas de viento, la finura pierde importancia e incluso en popas, el arrastre participa en la propulsión del barco.
Perfiles delgados. Perfiles gruesos. Borde de ataque
Las perturbaciones que produce el palo en el aire que incide sobre la vela, van muy ligadas al rendimiento de esta. En el gráfico representamos a una vela con curvatura del 10%. Primero su comportamiento sola (a), a continuación con un palo redondo con diámetro igual al 7% de la longitud de la vela (b) y de un 10% (c). Este último palo situado totalmente a barlovento de la vela (d), ejemplo de palo giratorio. Por último un palo separado de la vela (e) como ejemplo de una vela montada con garruchos.
Compruebese una caida de rendimiento en particular cuando el palo alcanza un diámetro relativo importante.
Visto los gráficos las conclusiones son:
El palo deberá tener una sección lo menor posible,
Deberá conservar las máximas cualidades de resistencias mecánica.
Su sección deberá presentar el mínimo de anchura al viento.
Que un palo perfilado solo es interesante si puede girar de forma que la vela quede como la continuación natural de su cara de sotavento.
Una ranura en el palo siempre es mejor que un carril y garruchos
El estudio del ángulo de incidencia es primordial, pues constituye el estudio del templado de las escotas.
Ciñendo al máximo con las escotas cazadas a tope, el caña hace variar el ángulo de incidencia, variando el rumbo, orzando o arribando. A medida que se va abriendo, el ángulo de incidencia se mantiene dentro del valor elegido, amollando escota hasta el momento de que la botavara se apoya en el obenque o el puño de escota del foque ya no pueda ir más afuera.
FLUJO LAMINAR - FLUJO TURBULENTO - RUPTURA
El porte en particular, y en general los valores importantes de empuje aerodinámico para un perfil dado, están ligados a que exista un deslizamiento laminar del flujo de aire. Los chorros de aire se deslizan paralelamente entre ellos en un flujo continuo. Este deslizamiento laminar solo es posible, con ángulos de incidencia apropiados y para valores del número de Reynolds, suficientemente pequeños. (Numero de reynolds: Valor que tiene en cuenta la velocidad del flujo del aire, la distancia a recorrer sobre el palo o el perfil y la densidad/viscosidad del fluido considerado.)
(Fig. superior)Los valores del porte y del arrastre en un perfil que defina el ángulo y el valor de la resultante R, varían en función del ángulo de incidencia.
La curva que une los puntos correspondientes a estos diferentes valores, se llama Polar. Por Ejemplo. Con un ángulo de incidencia de 40º vemos que Cz=0,95 y Cx=0,72 que Cr llevado a una de las escalas es igual a 1,2 y que la resultante R está situada 3º 30' más adelante que la normal a la cuerda del perfil.
En la práctica, incluso en condiciones óptimas, el flujo es turbulento sobre la mayor parte de la vela, siendo muy reducida la zona de flujo laminar.
Para nosotros es especialmente interesante saber que el número de Reynolds será mayor para un barco grande que para uno pequeño, suponiendo idéntico el coeficiente de alargamiento del plano vélico.
También podemos apreciar de que las velas tengan una superficie lo más lisa posible,
Es interesante estudiar detalladamente como se produce la ruptura que a menudo es confundida con el flujo turbulento.
Una vez que el flujo se ha roto, la vela sólo produce arrastre (empopadas), a partir de este momento, su forma importa poco, contando solamente la superficie expuesta al viento. A igualdad de superficie, los perfiles cóncavos son los que producen más arrastre. Es decir para dos velas de la misma superficie, la más bolsada será la que desarrolle mayor empuje.
9.Empuje máximo. Empuje óptimo.
Al estudiar el papel que desempeña el ángulo de incidencia volvemos a encontrar la eterna distinción entre la magnitud y la dirección del empuje aerodinámico.
A primera vista podría parecer que la cuestión está resuelta a causa de la forma de la polar, que para los ángulos compatibles, con un rumbo de ceñida, crece y decrece brutalmente a uno y otro lado del máximo.
Pero en primer lugar hay que tener en cuenta la transformación del empuje en fuerza propulsora y por lo tanto el ángulo entre la dirección del empuje y el camino del barco (beta). El valor del ángulo que proporciona más fuerza propulsiva es aquel en que la perpendicular al camino es tangente a la polar. Con viento de traves es conveniente conservar un ángulo tan reducido como en la ceñida. En la práctica muy pocos timoneles lo hacen, engañados por el flameo de la parte alta de la vela, que a su vez es causado por un excesivo alabeado.
Explicación de los gráficos:
1) Para un ángulo de viento aparente (beta) dado, el ángulo de incidencia que dará la fuerza de propulsión máxima es el correspondiente al punto de tangencia de la polar de la fuerza R con una perpendicular al rumbo real.
2) Más adelante, en otros capítulos (dedicado a la resistencia la avance) veremos que existe un ángulo de escora máximo por encima del cual la velocidad disminuye. A este ángulo de escora le corresponde una fuerza lateral L máxima que no hay que superar en ningún caso.
3) A medida que el ángulo beta aumenta, llega un momentoen que el ángulo de incidencia óptimo corresponde a una R máxima, que es entonces paralela al rumbo real y constituye por si misma, la única fuerza propulsiva sin qye se origine ninguna fuerza lateral.
4) En los rumbos cercanos al viento en popa, el ángulo de incidencia óptimo dará una R paralela al camino del barco. Considerar que al estar desplazada lateralmente del eje del barco, esta fuerza engendra un par que tiende a hacer perder el rumbo al barco con lo que el timonel tendrá que compensar mediante la acción del timón. Resistencias parásitas que provocan disminución en la velocidad. A veces puede ser interesante el llevar el ángulo de incidencia a 90º. La disminución de la fuerza propulsiva será compensada por la reducción de la resistencia parásita del timón. así como una mayor estabilidad del rumbo.
(A= h2/S)
Para un rectángulo esto se convierte en H/1 pero para una vela triangular se alcanza un alargamiento de 6 con una relación H/1 de 3/1, valor corriente de una mayor clásica. Las tres curvas del gráfico para una vela con una curvatura del 7,5/100 muestran la rápida variación que se produce con la disminución del alargamiento.
El porte disminuye, el arrastre aumenta (tanto más rápido a medida que el alargamiento es menor). La zona de incertidumbre es más neta, pero se reduce a una variación muy pequeña del ángulo de incidencia (para un alargamiento 1 se sitúa sobre 1º) Sin embrago es notable ver como la resultante R alcanza un valor importante con un alargamiento 1 y un ángulo de incidencia relativamente grande.
La puesta en práctica de las conclusiones sobre el papel del alargamiento no es tan simple. Recordemos en primer lugar que un mayor alargamiento crea un problema de estabilidad en el barco y de resistencia del palo a los esfuerzos de compresión.
Cientos de discusiones, sistemas de medición, estudios en laboratorios etc. no tienen en cuenta lo que probablemente es el principal problema del aparejo moderno: El Recubrimiento.
Los entendidos en aerodinámica hace tiempo que preconizan que la eficacia máxima se obtiene con un plano único y la razón se la dan los catamaranes de altas prestaciones. Sin embargo en los barcos convencionales, el genoa toma cada vez más importancia sobre la mayo, hasta el punto de ser ella quien hace el papel de deflector.
Notas relacionadas:
Miguel Anxo Lareo Sánchez
Índice del artículo
1. Teoría de la Vela. Aerodinámica
2. La circulación de velocidad
3. La circulación de velocidad y el timoneo
4. Centro de empuje y centro de resistencia lateral
5. Notas aclaratorias para ulteriores croquis
6. Estudio y descomposición del empuje vélico I
7. Porte y Arrastre. Perfiles delgados. Perfiles gruesos. Borde de ataque
8. Ángulo de incidencia. Flujo laminar-turbulento-ruptura
9. Empuje máximo. Empuje óptimo
10. Papel del alargamiento
- 1. Teoría de la Vela. Aerodinámica.
Generación de la fuerza de sustentación
La fuerza de sustentación es el parámetro básico de la mecánica de fluidos de un velero. Se genera por la diferencia de presión existente entre las dos cara de las velas, debido fundamentalmente a un fenómeno poco conocido que se denomina "circulación de velocidad".
Las velas de los veleros, de igual modo que las alas de los aviones, generan una fuerza de sustentación que es debida a las diferencias de presión entre las caras opuestas de sus perfiles aerodinámicos.
Esta fuerza de sustentación es la que mantiene, en efecto, a los aviones en el aire y hace avanzar a los veleros contra el viento.
En la figura se puede ver como el empuje vélico de una vela navegando contra el viento se genera en una dirección más o menos perpendicular a la sección del perfil y, de este modo se puede descomponer en una componente perpendicular al flujo, la sustentación, y en otra en su misma dirección, la resistencia
El arte del trimado de un velero en ceñida consiste, desde un punto de vista aerodinámico, en obtener en todo momento la máxima sustentación y la mínima resistencia, puesto que esto es lo más rentable para la obtención de la máxima fuerza propulsiva y el mínimo abatimiento La descomposición vectorial del empuje vélico en sustentación y resistencia explica que el objetivo de un velero que navega en ceñida sea maximizar la primera y minimizar la segunda para lograr la máxima fuerza propulsiva hacia proa y el mínimo abatimiento.
2. La circulación de velocidad.
Durante muchos años se creía que la sustentación se generaba solamente por la desviación del flujo de aire en contacto con la vela y no se tiene en cuenta un parámetro igualmente fundamental que es el denominado "circulación de velocidad".
Es difícil comprender intuitivamente el concepto de circulación de velocidad, pues es imposible verlo a simple vista en un barco y es un concepto de origen matemático antes que empírico. Durante las primeras décadas de este siglo, en pleno desarrollo del aparejo Marconi y la consiguiente carrera para ceñir cada vez más, los navegantes intentaron comprender la generación de la codiciada sustentación mediante la única acción del flujo lineal de aire sobre la vela: es decir, el viento aparente, el que se "ve" y se siente, cuya dirección y velocidad se puede medir.
Sin embargo, gracias al desarrollo de la aeronáutica y con ella la aparición de los laboratorios basados en los túneles de viento se demostró algo que los matemáticos ya sabían: que el flujo lineal del aire, por sí mismo es incapaz de generar sustentación y que existía otro flujo, no lineal sino circular, alrededor de la vela, que denominaron "circulación de velocidad" o "flujo de circulación".
Si imaginamos una vela flameando (figura 2a) que se caza y empieza a portar interponiéndose al flujo del viento, las partículas de éste se ven obligadas a contornearla dividiéndose a partir de la línea del palo: unas van hacia la cara de sotavento y otras hacia barlovento (figura 2b).
Debido a la viscosidad del aire, las partículas se ven incapaces de sortear la vela de una forma ordenada y simétrica sin alterar su dirección ya que las que están en contacto con la vela rozan con ella y se frenan. De este modo, al llegar a la baluma se produce un torbellino, originado por las partículas que giran sobre sí mismas para intentar llenar el "hueco" dejado por las que se han retrasado debido al rozamiento con la vela.
Este remolino que se forma se denomina turbulencia de arranque (o inicial). Una vez se ha formado, éste es arrastrado por el flujo de aire que tiende a restituir el flujo lineal a ambas caras de la vela. Para ello, debe "llenarse" el vacío generado en la cara de sotavento y el aire que sale por la baluma es incapaz de hacerlo.
Esta “necesidad” de aire en esta zona es cubierta por parte del flujo que hubiera debido circular por la cara de barlovento; este aire se desvía para pasar por delante del palo e ir hacia la cara de sotavento. De este modo, en la baluma, las líneas de flujo discurren paralelas y a la misma velocidad, lo que significa que a ambas caras de barlovento y sotavento están a la misma presión.
Se ve así como, para que la cara de sotavento tenga más volumen de aire, se produce una desviación del flujo a barlovento del grátil. El viento alarga en esta zona, de forma que, si se observa una representación gráfica de las líneas de flujo, parece como si el viento "viera" la llegada de la vela desviándose previamente. Si se analiza el fenómeno en términos de conservación de la energía, se puede decir que el torbellino de arranque que se ha originado al portar la vela genera otro "torbellino" mucho más grande que tiende a girar alredor de toda la vela y que es la causa de que se desvíe el flujo antes del grátil.
Este movimiento circular, que se denomina circulación de velocidad o flujo de circulación, es en el sentido de las agujas del reloj; es decir, en barlovento tiene la dirección opuesta al flujo y en sotavento la misma. Esto quiere decir que, al sobreponerse ambos flujos, en la cara de barlovento sus acciones se restan, mientras que en la sotavento se suman. De este modo, en la cara de barlovento la presión aumenta y disminuye la velocidad y en la de sotavento ocurre lo contrario: la presión disminuye y la velocidad aumenta.
Este efecto incrementa enormemente el gradiente de presiones que es lo que origina la fuerza de sustentación. Esto explica porque los aviones con alas curvas en su cara superior pueden volar en posición invertida y porque una superficie totalmente plana puede generar sustentación (los aviones de papel son un ejemplo válido al respecto). También ésta es la explicación del "efecto" que adquieren las pelotas: si se lanzan girando sobre sí mismas, se genera circulación de velocidad que al combinarse con el flujo lineal del aire al desplazarse, generan la sustentación que las desvía; si se lanza una pelota sin giro - sólo existiendo entonces flujo lineal debido al desplazamiento -, ésta se desplaza recta, sin desviarse, como saben muy bien los lanzadores de béisbol. En resumen: es la superposición del flujo lineal normal del viento y el de circulación genera la diferencia de presiones necesaria para generar sustentación.
- 3. La circulación de velocidad y el timoneo.
De este modo, la turbulencia de arranque ha inicializado la circulación de velocidad de un modo análogo al que dos ruedas dentadas giran entre sí formando un engranaje (ver figura 2d). De este modo, cada vez que se genere un nuevo torbellino se va a alterar la circulación de velocidad. Lo que les interesa a los trimers y a la caña es mantener ésta en su valor máximo para lograr la máxima sustentación.Esto requiere tiempo, de 2 a
12 segundos en función del tamaño de la vela y de la fuerza del viento: cuanto más grande es una vela más circulación de velocidad puede generar pero más tiempo necesitará para llegar al valor máximo.
Esto explica la razón por la que los barcos de vela ligera y, en general, las velas altas y estrechas logran alcanzar más rápidamente la máxima circulación de velocidad y por tanto "responden" mejor.
Por lo tanto, cada vez que se alteran las condiciones del flujo - rolada, cambio de rumbo, balanceo, cazado o amollado de escotas, etc. - la circulación de velocidad caerá ya que un "nuevo" flujo recorrerá la superficie de la vela y, cranque que incializará la formación de un flujo de circulación alredor de la vela que irá acelerando su velocidad de giro hasta llegar de nuevo a su velocidad máxima en la que se establecerá.
Se comprende de este modo la base física con la que trabajan los buenos trimadores y cañas y lo difícil de su trabajo. Se comprende también la importancia que adquiere con poco viento moverse de puntillas por el barco y mover lo menos posible el timón.
Algunos datos de laboratorio dan una idea del problema. Si se considera un barco de aproximadamente 12 metros de eslora, cuya vela tenga una sección media aproximada de unos 7 metros, con un viento de 20 nudos, la experiencia de laboratorio muestra que si se caza la vela hasta establer un ángulo de ataq de 20º, se establecerá un 85 % de la circulación de velocidad máxima al cabo de unos 6 segundos aproximadamente. Este valor aumenta hasta los 20 segundos si la velocidad del viento es de tan sólo 6 nudos y hasta 30 segundos si es de 4 nudos. Esto explica la difícil labor de trimado de una velero de regatas cuando hace poco viento: la tripulación debe "esperar" del orden de medio minuto antes de sacar provecho a un reglaje de las velas determinado.
Los buenos trimers y cañas tienen en cuenta la circulación de la velocidad cada vez que se alteran las condiciones de viento o velocidad del barco.
4. Centro de empuje y centro de resistencia lateral.
El velamen y el plano de resistencia lateral realizan un trabajo similar.
El aire al pasar sobre las velas crea un empuje cuya dirección forma un ángulo variable con el eje Pr-Pp del barco.
Digamos que va dirigido hacia Pr. del través
El agua al pasar sobre el plano de resistencia lateral crea un empuje del mismo tipo .
La diferencia en el trabajo de ambas superficies reside en que, para el velamen, el flujo de aire puede provenir de todas las direcciones posibles; dicho de otro modo: el ángulo de incidencia podrá tener cualquier valor entre un mínimo de 25º-30º y los 90º que corresponden al viento en popa; por el contrario, el plano de resistencia lateral siempre trabajará bajo un pequeño ángulo de incidencia, por lo que puede muy bien compararse a una ala de avión; no sucederá así con la vela, que sólo se podrá semejar al ala de un avión en la ceñida y en menor grado.
El funcionamiento del plano de resistencia lateral se traducirá por una deriva del barco con respecto a su eje Pr-Pp y a su rumbo teórico El valor de este ángulo de deriva será determinado por el rendimiento del plano de resistencia lateral, sus características y las condiciones de trabajo.
Para el estudio del funcionamiento del velamen, supondremos que el ángulo de deriva no variara.
Centro de empuje y centro de resistencia lateral
Las física autoriza a considerar el empuje desarrollado por un plano velico o un plano de deriva como si estuviera aplicado en un solo punto que denominaremos, según el caso, centro de empuje o centro de resistencia lateral.
Para trazar los esquemas explicativos colocaremos estos puntos aproximadamente en el centro de gravedad de los citados planos.
En la practica no sucede así, ya que la presión no está repartida por igual sobre el plano y además es variable, al igual que el resto de elementos en juego.
El ángulo de deriva variara sin cesar, no solamente de un barco a otro, sino de un momento a otro en el mismo barco.
Para simplificar, se le atribuye generalmente un valor medio y constante.
En los esquemas tradicionales, tendremos entonces la silueta del barco, el eje de desplazamiento y los vectores que tienen su origen en los centros de empuje o de resistencia lateral, respectivamente, y que representan linealmente la magnitud y dirección de las fuerzas actuantes. El centro de empuje velico sé situará en altura a medio palo; el plano vélico longitudinal, estará a una cierta distancia del eje longitudinal, distancia que varía según la escora y la manera como están orientadas las velas. Únicamente el spinnaker tendrá el centro de empuje casi sobre el eje longitudinal. Mencionaremos igualmente para recordarlo ya que para simplificar lo despreciaremos, el desplazamiento del centro de empuje en función de las condiciones de trabajo del plano velico: nos conformaremos con indicar que en los rumbos de ceñida estará cerca del palo, a causa del predominio de las zonas cercanas al borde de ataque cuando el ángulo de incidencia es pequeño; a rumbos más abiertos tenderá a confundirse con el centro de gravedad del plano vélico, lo cual lo distanciará aún más del eje del barco.
El centro de resistencia lateral se desplaza de dos maneras: cuando la velocidad aumenta sensiblemente y el ángulo de deriva disminuye, como ocurre con viento de través, las zonas próximas al borde de ataque desarrollan un papel primordial y el centro de resistencia lateral avanza, hasta el punto de que esto causa problemas a menudo por volverse el barco demasiado ardiente (tendencia a orzar); es especialmente patente en los barcos de orza, que serian casi ingobernables si no levantaran ésta. Sin embargo, en el estudio de la ceñida generalmente despreciaremos este desplazamiento longitudinal del centro de resistencia lateral. Además, cuando el barco escora, el centro de resistencia lateral se desplaza en cierto modo hacia el exterior de ]as nuevas líneas de agua. Cuando el empuje velico actúa sobre el eje del barco, por ejemplo con mayor y foque atangonado, o con el spinnaker, no existe ya componente lateral y el casco se desplaza sin deriva. Entonces parece más lógico hablar de "centro de resistencia dinámica".
Este planteamiento un poco largo tiene como fin el dejar sentado que los centros de empuje y de resistencia lateral estarán situados a una cierta distancia uno de otro, variable según las condiciones de utilización.
Ateniéndonos al croquis, veremos que para que el barco progrese en línea recta sin solicitar corrección con la caña se necesita:
1º que las fuerzas R y D sean iguales.
2º que están situadas sobre el mismo eje .
Con una carena bien diseñada y una escora moderada, en la ceñida ambas condiciones pueden cumplirse Los últimos toques son dados por los tripulantes, que procuran situar el palo y ajustar las escotas de forma que tengan un barco bien equilibrado. Pero para cualquier modificación de las fuerzas actuantes o de la posición de uno de los centros hará falta para que el barco siga equilibrado, un desplazamiento simétrico e inverso del otro. Si el empuje velico aumenta bruscamente, el plano de resistencia a la deriva se ajusta, hasta un cierto límite, al esfuerzo solicitado por modificación del ángulo de deriva. Si el centro de empuje avanza, es necesario que el centro de resistencia lateral retroceda, resultado que se obtiene levantando parcialmente la orza en los barcos dotados de orza basculante. (La búsqueda del equilibrio longitudinal es una de las razones que han llevado a disponer dos orzas, una detrás de otra, en algunos yates americanos de grandes dimensiones. Por el contrario, si el centro de gravedad se desplaza hacia el exterior, es imposible desplazar en sentido inverso el centro de resistencia lateral, o hacerlo retroceder lo necesario. Se crea entonces un par evolutivo importante que solo puede compensarse con la acción del timón. En los yates de regata, la lucha por reducir la superficie mojada y la reducción de la parte trasera del plano de deriva que suele acompañarla, conduce a la creación de barcos que, aunque están bien equilibrados en ceñida, tienen muchas veces un comportamiento errático a rumbos abiertos, agravado por la posición muy avanzada del timón, que dificulta la lucha contra las guiñadas. Naturalmente, el aprovechamiento de las velas de proa será muy ventajoso a estos rumbos, porque tienden a desplazar hacia delante el centro de empuje. El spinnaker goza de la ventaja adicional de tener su propio centro de empuje en las inmediaciones del eje de desplazamiento. De esta manera, con viento en popa, el tangón de spinnaker bien fuera de la borda, los centros de empuje y de resistencia dinámica estará prácticamente sobre el mismo eje. Existirá un par que tenderá a hundir la proa del barco, pero no habrá par evolutivo.
De todas maneras, si por cualquier causa el barco da un fuerte balanceo se creará, aunque el barco continúe viento en
popa, un par evolutivo o incluso una sucesión de pares opuestos.
El gráfico representa una vista en planta del barco navegando. Podemos apreciar que, a causa de la escora, el punto de aplicación del empuje velico está netamente fuera del casco, al igual que por la misma causa el centro de resistencia lateral está desplazado en el sentido opuesto con respecto al eje longitudinal. El viento aparente, muy mal denominado, representa el viento que realmente incide sobre el barco y es, a causa de la velocidad de éste, distinto del viento que percibirá un espectador inmóvil.
Una vez definidos los puntos de aplicación de las fuerzas actuantes, veamos como se descomponen éstas para un barco que navegue ciñendo éste es el croquis tipo que vamos a ver repetidamente bajo formas más o menos completas, para ilustrar las fuerzas actuantes y su interacción recíproca. De hecho, esta interacción es constante, y se lo podemos considerar este croquis como instantáneo, válido únicamente para un momento dado. El rumbo del barco forma con la dirección del viento real, un ángulo y que no puede reducirse más que hasta un cierto valor, y cada uno de sus componentes ilustra un aspecto diferente del problema. Puntualicemos en primer lugar que el único elemento válido de comparación y de apreciación del progreso del barco contra el viento es el Vmg, medido directamente sobre el eje del viento, lo que ilustra con claridad el hecho de que una buena ce-ida no consiste solamente en la máxima reducción del ángulo Y, que llevará consigo un excesivo aumento de las resistencias al avance.
El velamen y el plano de resistencia lateral realizan un trabajo similar.
El aire al pasar sobre las velas crea un empuje cuya dirección forma un ángulo variable con el eje Pr-Pp del barco.
Digamos que va dirigido hacia Pr. del través
El agua al pasar sobre el plano de resistencia lateral crea un empuje del mismo tipo .
La diferencia en el trabajo de ambas superficies reside en que, para el velamen, el flujo de aire puede provenir de todas las direcciones posibles; dicho de otro modo: el ángulo de incidencia podrá tener cualquier valor entre un mínimo de 25º-30º y los 90º que corresponden al viento en popa; por el contrario, el plano de resistencia lateral siempre trabajará bajo un pequeño ángulo de incidencia, por lo que puede muy bien compararse a una ala de avión; no sucederá así con la vela, que sólo se podrá semejar al ala de un avión en la ceñida y en menor grado.
El funcionamiento del plano de resistencia lateral se traducirá por una deriva del barco con respecto a su eje Pr-Pp y a su rumbo teórico El valor de este ángulo de deriva será determinado por el rendimiento del plano de resistencia lateral, sus características y las condiciones de trabajo.
Para el estudio del funcionamiento del velamen, supondremos que el ángulo de deriva no variara.
Centro de empuje y centro de resistencia lateral
Las física autoriza a considerar el empuje desarrollado por un plano velico o un plano de deriva como si estuviera aplicado en un solo punto que denominaremos, según el caso, centro de empuje o centro de resistencia lateral.
Para trazar los esquemas explicativos colocaremos estos puntos aproximadamente en el centro de gravedad de los citados planos.
En la práctica no sucede así, ya que la presión no está repartida por igual sobre el plano y además es variable, al igual que el resto de elementos en juego.
El ángulo de deriva variara sin cesar, no solamente de un barco a otro, sino de un momento a otro en el mismo barco.
Para simplificar, se le atribuye generalmente un valor medio y constante.
En los esquemas tradicionales, tendremos entonces la silueta del barco, el eje de desplazamiento y los vectores que tienen su origen en los centros de empuje o de resistencia lateral, respectivamente, y que representan linealmente la magnitud y dirección de las fuerzas actuantes. El centro de empuje velico sé situará en altura a medio palo; el plano vélico longitudinal, estará a una cierta distancia del eje longitudinal, distancia que varía según la escora y la manera como están orientadas las velas. Únicamente el spinnaker tendrá el centro de empuje casi sobre el eje longitudinal. Mencionaremos igualmente para recordarlo ya que para simplificar lo despreciaremos, el desplazamiento del centro de empuje en función de las condiciones de trabajo del plano velico: nos conformaremos con indicar que en los rumbos de ceñida estará cerca del palo, a causa del predominio de las zonas cercanas al borde de ataque cuando el ángulo de incidencia es pequeño; a rumbos más abiertos tenderá a confundirse con el centro de gravedad del plano vélico, lo cual lo distanciará aún más del eje del barco.
El centro de resistencia lateral se desplaza de dos maneras: cuando la velocidad aumenta sensiblemente y el ángulo de deriva disminuye, como ocurre con viento de través, las zonas próximas al borde de ataque desarrollan un papel primordial y el centro de resistencia lateral avanza, hasta el punto de que esto causa problemas a menudo por volverse el barco demasiado ardiente (tendencia a orzar); es especialmente patente en los barcos de orza, que serian casi ingobernables si no levantaran ésta. Sin embargo, en el estudio de la ceñida generalmente despreciaremos este desplazamiento longitudinal del centro de resistencia lateral. Además, cuando el barco escora, el centro de resistencia lateral se desplaza en cierto modo hacia el exterior de ]as nuevas líneas de agua. Cuando el empuje velico actúa sobre el eje del barco, por ejemplo con mayor y foque atangonado, o con el spinnaker, no existe ya componente lateral y el casco se desplaza sin deriva. Entonces parece más lógico hablar de "centro de resistencia dinámica".
Este planteamiento un poco largo tiene como fin el dejar sentado que los centros de empuje y de resistencia lateral estarán situados a una cierta distancia uno de otro, variable según las condiciones de utilización.
Ateniéndonos al croquis, veremos que para que el barco progrese en línea recta sin solicitar corrección con la caña se necesita:
1º que las fuerzas R y D sean iguales.
2º que están situadas sobre el mismo eje.
Con una carena bien diseñada y una escora moderada, en la ceñida ambas condiciones pueden cumplirse Los últimos toques son dados por los tripulantes, que procuran situar el palo y ajustar las escotas de forma que tengan un barco bien equilibrado. Pero para cualquier modificación de las fuerzas actuantes o de la posición de uno de los centros hará falta para que el barco siga equilibrado, un desplazamiento simétrico e inverso del otro. Si el empuje velico aumenta bruscamente, el plano de resistencia a la deriva se ajusta, hasta un cierto límite, al esfuerzo solicitado por modificación del ángulo de deriva. Si el centro de empuje avanza, es necesario que el centro de resistencia lateral retroceda, resultado que se obtiene levantando parcialmente la orza en los barcos dotados de orza basculante. (La búsqueda del equilibrio longitudinal es una de las razones que han llevado a disponer dos orzas, una detrás de otra, en algunos yates americanos de grandes dimensiones. Por el contrario, si el centro de gravedad se desplaza hacia el exterior, es imposible desplazar en sentido inverso el centro de resistencia lateral, o hacerlo retroceder lo necesario. Se crea entonces un par evolutivo importante que solo puede compensarse con la acción del timón. En los yates de regata, la lucha por reducir la superficie mojada y la reducción de la parte trasera del plano de deriva que suele acompañarla, conduce a la creación de barcos que, aunque están bien equilibrados en ceñida, tienen muchas veces un comportamiento errático a rumbos abiertos, agravado por la posición muy avanzada del timón, que dificulta la lucha contra las guiñadas. Naturalmente, el aprovechamiento de las velas de proa será muy ventajoso a estos rumbos, porque tienden a desplazar hacia delante el centro de empuje. El spinnaker goza de la ventaja adicional de tener su propio centro de empuje en las inmediaciones del eje de desplazamiento. De esta manera, con viento en popa, el tangón de spinnaker bien fuera de la borda, los centros de empuje y de resistencia dinámica estará prácticamente sobre el mismo eje. Existirá un par que tenderá a hundir la proa del barco, pero no habrá par evolutivo.
De todas maneras, si por cualquier causa el barco da un fuerte balanceo se creará, aunque el barco continúe viento en popa, un par evolutivo o incluso una sucesión de pares opuestos.
El gráfico representa una vista en planta del barco navegando. Podemos apreciar que, a causa de la escora, el punto de aplicación del empuje velico está netamente fuera del casco, al igual que por la misma causa el centro de resistencia lateral está desplazado en el sentido opuesto con respecto al eje longitudinal. El viento aparente, muy mal denominado, representa el viento que realmente incide sobre el barco y es, a causa de la velocidad de éste, distinto del viento que percibirá un espectador inmóvil.
Una vez definidos los puntos de aplicación de las fuerzas actuantes, veamos como se descomponen éstas para un barco que navegue ciñendo éste es el croquis tipo que vamos a ver repetidamente bajo formas más o menos completas, para ilustrar las fuerzas actuantes y su interacción recíproca. De hecho, esta interacción es constante, y se lo podemos considerar este croquis como instantáneo, válido únicamente para un momento dado. El rumbo del barco forma con la dirección del viento real, un ángulo y que no puede reducirse más que hasta un cierto valor, y cada uno de sus componentes ilustra un aspecto diferente del problema. Puntualicemos en primer lugar que el único elemento válido de comparación y de apreciación del progreso del barco contra el viento es el Vmg, medido directamente sobre el eje del viento, lo que ilustra con claridad el hecho de que una buena ce-ida no consiste solamente en la máxima reducción del ángulo Y, que llevará consigo un excesivo aumento de las resistencias al avance.
- 5. Notas aclaratorias para ulteriores croquis.
- El ángulo viento real/viento aparente será abandonado en la mayoría de los siguientes croquis, siendo el viento aparente el único que nos interesará.
- Angulo Viento aparente - Rumbo Real: es el determinado simultáneamente por:
El ángulo plano vélico - eje del barco (ángulo delta)Es el que conviene al ajuste de las escotas. Para un rumbo dado del barco se buscará un ángulo delta que permite mantener a alfa en su valor óptimo.
La dirección del empuje vélico, constante con respecto al palno promedio del velamen se irá separando cada vez más del eje del barco a medida que el plano de velamen se vaya acercando y así en la ceñida encontraremos uno de los límites del ángulo delta que será el momento en que la dirección del empuje vélico comporte una componente lateral excesiva. El otro límite extremo lo tendremos cuando la botavara se apoye en los obenques o cuando el puño de escota del foque se encuentre a la altura de la roda.
Ángulo eje del barco - Rumbo real o ángulo de deriva. El valor de este ángulo será considerado más que por su valor absoluto, en función de las resistencias al avnce que aumentan en demasía cuando el ángulo de deriva tiene unos pocos grados. Siempre procuraremos mantener un ángulo de deriva mínimo.
6.Estudio y descomposición del empuje vélico I.
El empuje vélico (como recordatorio) se descompone segun el paralelogramo de fuerzas:
Fuerza propulsora FP paralela al rumbo real (no al plano longitudinal pues tendremos en cuenta el ángulo de deriva) y una Fuerza lateral FL perpendicular al rumbo real.
Este vector FL constituye el problema fundamental de la marcha contra el viento. Las respectivas posiciones del centro de empuje vélico y del centro de resistencia lateral crean un par inclinante considerable. Esta fuerza de escora pone a prueba la estabilidad del barco, esta sea cual sea este tienes unos límites que se materializan en el vuelco o una inclinación que reduce sensiblemente el rendimiento del velamen así como la resistencia al avance.
El Empuje Vélico Creación
El fenómeno del empuje vélico es facil de comprobar de forma práctica. Está basado en el teorema de Bernoulli: En un punto dado, la suma de las presiones estáticas y dinámicas permanece constante. Así vemos que cuando el flujo de aire es desviado por un plano, los chorros de aire que pasan por barlovento, son frenados y una parte de la energía cinética de este, se emplea en crear una presión estática sobre la vela.
En sotavento, los chorros de aire sufren una aceleración que hace disminuir la presión estática y por lo tanto produce una succión.
Presiones y depresiones se suman para constituir el empuje aerodinámico o vélico.
Magnitud y dirección del empuje vélico.
Retomando el parrafo anterior, tienen igual importancia la fuerza que la dirección del empuje obtenido, ya que ambos desempeñan un papel similar en la formación de la fuerza propulsora.
Una serie de principios básicos van a jugar en cada punto de la vela:
Presión y depresión actuarán perpendicularmente a la vela. Si la vela fuera plana, el empuje sería perpendicular a ella. Por la curvatura, los empujes en los diferentes puntos estarán dispuestos en abanico.
Los empujes son sensiblemente más importantes en las inmediaciones del borde de ataque.
El empuje total, será la suma de las presiones y las depresiones ejercidas sobre la superficie de la vela. (Puede considerarse que están aplicadas en un solo punto: el centro de empuje.
La dirección del empuje al igual que su centro vienen determinados por la magnitud y dirección de los empujes en los diferentes puntos. Por el predominio de las cercanías al borde de ataque el empuje se dirigirá hacia delante de la cuerda media de la vela y el centro de empuje no estará en el centro de gravedad de la vela sino a proa de este.
- 7. Porte y Arrastre. Perfiles delgados. Perfiles gruesos. Borde de ataque.
Porte y Arrastre
A medida que el empuje vélico aumente de valor, veremos crecer una fuerza parásita dirigida en la dirección del flujo del aire.
Es el arrastre, una fuerza opuesta en ángulo recto a la fuerza útil desarrollada por la vela: porte que está orientado perpendicularmente al flujo del aire.
La relación Porte/Arrastre se llama finura. Un concepto de primordial importancia en la ceñida, ya que el arrastre tiende a separar la dirección del empuje vélico del eje de desplazamiento del barco y disminuye la parte del empuje transformada en fuerza propulsiva, para aumentar la fuerza lateral.
En otras tomas de viento, la finura pierde importancia e incluso en popas, el arrastre participa en la propulsión del barco.
Perfiles delgados. Perfiles gruesos. Borde de ataque
Las perturbaciones que produce el palo en el aire que incide sobre la vela, van muy ligadas al rendimiento de esta. En el gráfico representamos a una vela con curvatura del 10%. Primero su comportamiento sola (a), a continuación con un palo redondo con diámetro igual al 7% de la longitud de la vela (b) y de un 10% (c). Este último palo situado totalmente a barlovento de la vela (d), ejemplo de palo giratorio. Por último un palo separado de la vela (e) como ejemplo de una vela montada con garruchos.
Compruebese una caida de rendimiento en particular cuando el palo alcanza un diámetro relativo importante.
Visto los gráficos las conclusiones son:
El palo deberá tener una sección lo menor posible,
Deberá conservar las máximas cualidades de resistencias mecánica.
Su sección deberá presentar el mínimo de anchura al viento.
Que un palo perfilado solo es interesante si puede girar de forma que la vela quede como la continuación natural de su cara de sotavento.
Una ranura en el palo siempre es mejor que un carril y garruchos
- 8. Ángulo de incidencia. Flujo laminar-turbulento-ruptura.
El estudio del ángulo de incidencia es primordial, pues constituye el estudio del templado de las escotas.
Ciñendo al máximo con las escotas cazadas a tope, el caña hace variar el ángulo de incidencia, variando el rumbo, orzando o arribando. A medida que se va abriendo, el ángulo de incidencia se mantiene dentro del valor elegido, amollando escota hasta el momento de que la botavara se apoya en el obenque o el puño de escota del foque ya no pueda ir más afuera.
FLUJO LAMINAR - FLUJO TURBULENTO - RUPTURA
El porte en particular, y en general los valores importantes de empuje aerodinámico para un perfil dado, están ligados a que exista un deslizamiento laminar del flujo de aire. Los chorros de aire se deslizan paralelamente entre ellos en un flujo continuo. Este deslizamiento laminar solo es posible, con ángulos de incidencia apropiados y para valores del número de Reynolds, suficientemente pequeños. (Numero de reynolds: Valor que tiene en cuenta la velocidad del flujo del aire, la distancia a recorrer sobre el palo o el perfil y la densidad/viscosidad del fluido considerado.)
(Fig. superior)Los valores del porte y del arrastre en un perfil que defina el ángulo y el valor de la resultante R, varían en función del ángulo de incidencia.
La curva que une los puntos correspondientes a estos diferentes valores, se llama Polar. Por Ejemplo. Con un ángulo de incidencia de 40º vemos que Cz=0,95 y Cx=0,72 que Cr llevado a una de las escalas es igual a 1,2 y que la resultante R está situada 3º 30' más adelante que la normal a la cuerda del perfil.
En la práctica, incluso en condiciones óptimas, el flujo es turbulento sobre la mayor parte de la vela, siendo muy reducida la zona de flujo laminar.
Para nosotros es especialmente interesante saber que el número de Reynolds será mayor para un barco grande que para uno pequeño, suponiendo idéntico el coeficiente de alargamiento del plano vélico.
También podemos apreciar de que las velas tengan una superficie lo más lisa posible,
Es interesante estudiar detalladamente como se produce la ruptura que a menudo es confundida con el flujo turbulento.
Una vez que el flujo se ha roto, la vela sólo produce arrastre (empopadas), a partir de este momento, su forma importa poco, contando solamente la superficie expuesta al viento. A igualdad de superficie, los perfiles cóncavos son los que producen más arrastre. Es decir para dos velas de la misma superficie, la más bolsada será la que desarrolle mayor empuje.
9.Empuje máximo. Empuje óptimo.
Al estudiar el papel que desempeña el ángulo de incidencia volvemos a encontrar la eterna distinción entre la magnitud y la dirección del empuje aerodinámico.
A primera vista podría parecer que la cuestión está resuelta a causa de la forma de la polar, que para los ángulos compatibles, con un rumbo de ceñida, crece y decrece brutalmente a uno y otro lado del máximo.
Pero en primer lugar hay que tener en cuenta la transformación del empuje en fuerza propulsora y por lo tanto el ángulo entre la dirección del empuje y el camino del barco (beta). El valor del ángulo que proporciona más fuerza propulsiva es aquel en que la perpendicular al camino es tangente a la polar. Con viento de traves es conveniente conservar un ángulo tan reducido como en la ceñida. En la práctica muy pocos timoneles lo hacen, engañados por el flameo de la parte alta de la vela, que a su vez es causado por un excesivo alabeado.
Explicación de los gráficos:
1) Para un ángulo de viento aparente (beta) dado, el ángulo de incidencia que dará la fuerza de propulsión máxima es el correspondiente al punto de tangencia de la polar de la fuerza R con una perpendicular al rumbo real.
2) Más adelante, en otros capítulos (dedicado a la resistencia la avance) veremos que existe un ángulo de escora máximo por encima del cual la velocidad disminuye. A este ángulo de escora le corresponde una fuerza lateral L máxima que no hay que superar en ningún caso.
3) A medida que el ángulo beta aumenta, llega un momentoen que el ángulo de incidencia óptimo corresponde a una R máxima, que es entonces paralela al rumbo real y constituye por si misma, la única fuerza propulsiva sin qye se origine ninguna fuerza lateral.
4) En los rumbos cercanos al viento en popa, el ángulo de incidencia óptimo dará una R paralela al camino del barco. Considerar que al estar desplazada lateralmente del eje del barco, esta fuerza engendra un par que tiende a hacer perder el rumbo al barco con lo que el timonel tendrá que compensar mediante la acción del timón. Resistencias parásitas que provocan disminución en la velocidad. A veces puede ser interesante el llevar el ángulo de incidencia a 90º. La disminución de la fuerza propulsiva será compensada por la reducción de la resistencia parásita del timón. así como una mayor estabilidad del rumbo.
- 10. Papel del alargamiento.
(A= h2/S)
Para un rectángulo esto se convierte en H/1 pero para una vela triangular se alcanza un alargamiento de 6 con una relación H/1 de 3/1, valor corriente de una mayor clásica. Las tres curvas del gráfico para una vela con una curvatura del 7,5/100 muestran la rápida variación que se produce con la disminución del alargamiento.
El porte disminuye, el arrastre aumenta (tanto más rápido a medida que el alargamiento es menor). La zona de incertidumbre es más neta, pero se reduce a una variación muy pequeña del ángulo de incidencia (para un alargamiento 1 se sitúa sobre 1º) Sin embrago es notable ver como la resultante R alcanza un valor importante con un alargamiento 1 y un ángulo de incidencia relativamente grande.
La puesta en práctica de las conclusiones sobre el papel del alargamiento no es tan simple. Recordemos en primer lugar que un mayor alargamiento crea un problema de estabilidad en el barco y de resistencia del palo a los esfuerzos de compresión.
Cientos de discusiones, sistemas de medición, estudios en laboratorios etc. no tienen en cuenta lo que probablemente es el principal problema del aparejo moderno: El Recubrimiento.
Los entendidos en aerodinámica hace tiempo que preconizan que la eficacia máxima se obtiene con un plano único y la razón se la dan los catamaranes de altas prestaciones. Sin embargo en los barcos convencionales, el genoa toma cada vez más importancia sobre la mayo, hasta el punto de ser ella quien hace el papel de deflector.
Notas relacionadas:
- Trimado del mastil
- http://youtu.be/xM1jU_gJGn4 Para mi el mejor video de North Sail sobre el trimado de velas, con varios "monstruos de la náutica" a bordo explicandonos como llevar nuestro barco mas rapido.
Estimado
ResponderEliminarEl concepto de circulación del flujo, con que comienza tu análisis, se llama también Rotaty cylinder Analogy,y corresponde a un método de análisis para calcular la dimensión de las fuerzas que actúan en un aerofoil o ala de avion. Esto claramente un método de cálculo limitado a pequeños ángulos de incidencia y no lo que en la realidad ocurre en nuetras velas.. Este error es común porque incluso aparece en el curso técnico de las velas North que fue publicado en el siglo anterior. Saludos cordiales