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NAVEGACION A VELA



  LA NAVEGACION A VELA 

por jano

Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


La navegación a vela


Diariamente cruceros inmensos y barcos inimaginables cruzan el mundo llevando pasajeros y carga de un lado a otro.  Diariamente cientos de personas pasean en yates por el mar Caribe o viajan en lanchas por la Polinesia.  Los motores también llegaron al océano y ahora el hombre los utiliza para transportarse sobre el agua.  Pero el recurso que el hombre más ha utilizado para impulsar los botes siempre ha sido el viento.

El viento es un recurso inagotable de energía.  En tiempos antiguos la única forma de moverse sobre las aguas era aprovechando las fuerzas del viento o remar.  Y usando el viento se ganaron guerras, se llegó al nuevo continente, se le dio la vuelta al mundo y se mantuvo el comercio por muchos años.  Pero la tradición de la navegación a vela aún continúa y el desarrollo de ésta práctica aún no termina.

Generalmente tenemos la idea de que el viento empuja al bote, pero ésto significaría que el bote solo podría ir en una dirección, la del viento.  Ésta dirección se conoce como viento en popa.  Realmente el bote utiliza el viento para moverse balanceando las fuerzas de presión de aire sobre la vela.  Y a decir verdad un velero puede desplazarse en casi todas las direcciones sin importar de donde venga el viento.

El velero, al ubicar apropiadamente sus velas respecto al viento,  tiene la capacidad de moverse en gran cantidad de rumbos, sin embargo hay un rango (desde –45° hasta 45° con la dirección del viento; en rojo en el gráfico) en el cual el bote no puede navegar.  Ir entre los 45° y 55° con la dirección del viento de llama ceñir, ir perpendicular a la dirección del viento se llama al través e ir en la dirección del viento se llama viento en popa.

Cuanto el destino deseado se encuentra en la dirección del viento el navegante debe adoptar una ruta en zig-zag en la que se avanza en el menor ángulo posible respecto al viento y luego se vira para seguir subiendo con el mismo ángulo pero con el viento al otro lado de la embarcación y así hasta llegar al destino.

CÓMO FUNCIONA UNA VELA.

El principio de Bernoulli relaciona un aumento en la velocidad de flujo con una disminución de la presión y viceversa. El teorema de Bernoulli explica, por ejemplo, la fuerza de sustentación que actúa sobre el ala de un avión en vuelo. Un ala, una vela —o plano aerodinámico— está diseñada de forma que el aire fluya más rápidamente sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que provoca una disminución de presión en la superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza de sustentación que mantiene el avión en vuelo o al bote en movimiento.  Por ello el bote es succionado por el viento a excepción de la condición viento en popa cuando el velero es empujado por el viento.

COMO NAVEGA UN VELERO

La fuerza generada sobre la vela se descompone en sus dos componentes en la dirección del movimiento del velero y la dirección perpendicular a ésta así:

De ésta manera parte de la fuerza empuja el bote hacia su destino mientras parte de la fuerza desvía o arrastra el velero en la dirección del viento (derivar).  El efecto causado ésta fuerza se le conoce como deriva.

Dependiendo del rumbo que se lleve la descomposición de éstas dos fuerzas cambia y por ende la velocidad desarrollada y la desviación del velero.  La componente máxima de deriva se da cuando se va ciñendo y a la vez se da el mínimo avance.

El arrastre sufrido por una superficie inmersa en un flujo puede ser calculado así:

Por ello el arrastre es proporcional a la presión dinámica del flujo q y a la superficie del objeto S.  Pero también es proporcional a un coeficiente de arrastre Ca que depende de la forma del objeto y del patrón del flujo.  Y a su vez el patrón de flujo es función del número de Reynolds.

COMO SE CONTRARRESTA LA DERIVA

El velero cuenta con una pieza fundamental llamada orza.  Ésta atraviesa el casco y se sumerge en el agua al gusto del navegante.   La fuerza del viento es contrarrestada por la resistencia del agua centrada en la orza.  Estas dos fuerzas causan un momento volcador en el velero.  Por ello es navegante debe desplazarse lo más posible al exterior del bote para desplazar el centro de masa total de la embarcación y así contrarrestar el volcamiento.  El efecto de este par manifestado en la inclinación del bote respecto a una vertical se llama escora.

El navegante, de acuerdo a su rumbo, ajusta la orza sumergiéndola a su criterio en el agua para crear una mayor área de contacto y con ello una mayor resistencia y evitar la deriva.  Por esto el momento en que se debe tener la orza completamente sumergida es al ceñir y se debe retirar cuando se va viento en popa porque en este dirección no hay deriva y la orza sumergida crea resistencia el movimiento en la dirección del velero.

FUERZAS DE FRICCIÓN SOBRE LA VELA.

El aire posee cierta propiedad viscosa, similar pero menor a la del agua o el aceite.  A pesar de que la viscosidad del aire genera una pequeña fricción su efecto en el patrón de flujo alrededor de la vela no es insignificante.   Cuando una corriente de aire pasa por la vela las partículas inmediatamente adyacentes a la superficie son detenidas.  Éstas partículas no se mueven junto con el flujo y crean un efecto sobre sus vecinas cercanos, volviéndolas más lentas.   Esto reduce la velocidad de las capas subsecuentes del flujo y no es hasta cierta distancia donde el flujo tiene su velocidad máxima.  La región entre la superficie y el flujo afectado por ésta fricción se llama capa límite.

La siguiente figura muestra las láminas de partículas de aire dentro de la capa límite de espesor h.  Cada lámina se desliza sobre la anterior (sin mezclarse) con velocidad creciente, comenzando en V=0 en la superficie hasta la velocidad máxima del flujo al final de la capa límite.

Para un número de Reynolds pequeño, velocidad baja del viento, el espesor al comienzo de la vela es relativamente pequeño.  Si el Re excede un valor crítico, el flujo en la capa liminar sufre transición.  Las partículas de aire ya no fluyen suavemente en líneas paralelas si no que comienzan a oscilar de manera aleatoria.  Éste tipo de capa límite, llamada turbulenta, crece rápidamente.  Muy cerca de la superficie de la vela existe una pequeña capa laminar o subcapa laminar la cual tiene un efecto útil, hace de la textura de la vela más lisa de lo que es.  Las pequeñas imperfecciones en la textura de la vela son cubiertas por esta capa laminar.  Así el flujo ocurre con superficie lisa.

 La rugosidad en la parte frontal de la vela puede causar una transición prematura a la turbulencia.  Pero cuando el Re está bajo cierto valor límite, las imperfecciones de la superficie no producen turbulencia adicional en el flujo principal de agua o aire.  La capa sublaminar excede la altura de las imperfecciones protuberantes.  De cualquier manera, al aumentar Re, la capa laminar se vuelva cada vez más fina y las imperfecciones gradualmente emergen y comienzan a influenciar el patrón de flujo de la corriente principal.

EL NÚMERO DE REYNOLDS

Los experimentos llevados a cabo por Osborne Reynolds, en los cuales estudió la transición de flujo laminar a flujo turbulento lo llevaron a la conclusión de que la velocidad crítica bajo la cual el flujo será laminar, y en la cual ocurre ésta transición, depende de la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de fricción implicadas.  Se puede probas matemáticamente que ésta relación, posteriormente llamada número de Reynolds, puede ser expresada adimensionalmente así:

Donde V: Velocidad del flujo (m/s)

L: Longitud característica del elemento.  Para velas se toma la cuerda promedio de la vela a la mitad del mástil.

u:  Viscosidad cinemática del fluido (aire)

El número de Reynolds en una vela puede varia desde cero al comienzo hasta cerca de cinco millones al final de la vela de un bote de 12 metros.

La gran utilidad de los números de Reynolds es la posibilidad de la modelación a escala mediante la similitud dinámica.  Si el número de Reynolds permanece constante, los parámetros de flujo serán geométricamente similares.  Con dos flujos similares, por ejemplo en una vela o en casco de diferentes tamaños, las líneas de corriente correspondientes serán geométricamente similares, la correspondiente distribución de presión lo será también y por ende los coeficientes de fuerza serán iguales.  Esto permite la modelación en túneles de viento y facilita el desarrollo de las investigaciones.

En esta imagen vemos un velero barracuda 3 de pequeñas dimensiones de diseño y fabricación colombiana para dos personas.  Se observa la vela hinchada por el viento y a su vez se puede ver una pequeña inclinación (escora) de la embarcación.   El casco es un diseño hidrodinámico que permite desarrollar  buenas velocidades y planear sobre el agua.  Es un típico velero de recreación.

Son muchos los factores que afectan el desempeño de la vela y en nuestros días se siguen buscando nuevos diseños de vela y de cascos que permiten cada vez desarrollar velocidades mayores y mayor maniobrabilidad respecto al viento.

Referencias:

CAMARCHAJ; C. A. Sailing Performance, techniques to maximize sail power. McGraw Hill

http://www.sailnet.com/collections/learningtosail/theory/index.cfm

MEJIA, Ricardo.  Iniciandose en la navegación a vela.

Mauricio Palacio P.


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