RESISTENCIA Y PROPULSIÓN

 (Una introducción  simple al alma de la arquitectura e ingeniería naval)

Cuando un barco se desplaza con cierta velocidad en el  agua encuentra una fuerza que lo frena  y resiste a la  que se debe vencer con un medio interior (hélice-motor) o exterior (a vela o remolcándolo). Para que mantenga una velocidad uniforme es necesario aplicarle una fuerza o potencia  que se mide en HP que definimos como Resistencia Total al Avance.  Esta resistencia está originada en su mayor parte por el agua y otra parte por el aire. La del aire es más importante en los veleros, es  pequeña cuando no hay viento  y muy importante en caso contrario. 

La arquitectura o ingeniería naval subdivide la  Resistencia  Total al Avance  en cuatro componentes fundamentales  de estudio para realizar un correcto  análisis de sus variables y ponderar así particularmente sus incidencias:

RESISTENCIA TOTAL AL AVANCE =  RESISTENCIA FRICCIONAL + RESISTENCIA POR FORMACIÓN DE OLAS +   RESISTENCIA DE  REMOLINO (O PRESIÓN DE ESTELA) + RESISTENCIA AL VIENTO  (O AERODINÁMICA) =  EHP (potencia propulsiva)

Se debe entender que la potencia propulsiva  necesaria para llevar el barco a una  determinada velocidad  de marcha continuada  podrá ser proporcionada por cualquier sistema de propulsión que se utilice: motor, vela,  o motor y  vela conjuntamente. También puede ser entregada por un remolque exterior al barco. 

Cuando el proyecto se encara con una  lógica secuencia de trabajos,  es procedente ocuparse   en optimizar  cada uno  de los componentes indicados  en la parte del diseño que corresponda.  Observamos  que tres, de los cuatro componentes de la potencia que aplicamos se consumen en resistencias que se generan en  el agua.

La resistencia friccional se genera por el frotamiento de la superficie de la  obra viva del casco con el agua. Depende de la eslora  en flotación y  fundamentalmente del estado de esa superficie  si la misma posee menor o mayor  rugosidad estando limpia, grafitada, siliconada, pulida, erosionada  o sucia. El aumento de esta resistencia friccional con la velocidad es función de  la misma velocidad V elevada a la 1,825, por lo que aumenta relativamente poco al crecer la misma.

La resistencia por formación de olas es la debida al empuje al desplazarse en velocidad el casco sobre el agua, que produce  dos trenes de olas (uno en proa y otro en popa) que permanecen en el agua una vez que el barco ha pasado y se van disipando progresivamente. Esta resistencia depende de muy diversos factores y, a diferencia de la de fricción, no puede ser calculada teóricamente con precisión, sino con ensayos de pileta o canal de experimentación.

Puede afirmarse en líneas generales que a  una velocidad constante del barco depende de: la eslora en flotación, el desplazamiento y la forma de la carena. Crece muy rápidamente con la velocidad, lo que hace que para cada tipo de casco se llegue a una velocidad máxima, que no puede ser superada a menos que se produzca el planeo de la carena.

El planeo es la salida del agua de parte de la carena, debido a la sustentación por  la fuerza hidrodinámica a que induzcan sus formas  disminuyendo así el agua que desplaza (desplazamiento). Así se produce un estancamiento en el crecimiento de la resistencia por formación de olas con la velocidad, de forma que una vez superada la velocidad umbral de planeo del casco el aumento de la resistencia es pequeño, lo que permite alcanzar velocidades muy altas con poco aumento de la potencia  propulsiva.

La importancia relativa de la resistencia de fricción y por formación de olas depende del llamado Número de Froude, que es un número adimensional, y que se define como:

       V                                 V = velocidad en nudos del barco

                              ÖL      

denominador: Raiz Cuadrada  de la Eslora en flotación en pies

Es un valor que puede llegar alrededor de 2 para barcos de desplazamiento. En una futura entrega explicaremos en detalle la importancia y la forma en que se miden y analizan en el diseño cada uno de estos componentes de la resistencia al avance.   

La arquitectura o la ingeniería  naval  se ocupa del  dibujo de las líneas de la carena, sus apéndices  y del cálculo o medición de   todas las resistencias antes detalladas en  los tres componentes primarios de la fórmula anterior.  Pero es la parte experimental  del estudio  la que involucra a la mecánica de los fluidos  o fluodinámica,  donde el agua del río o del mar  (que es obviamente un fluido con viscosidad) complica las cosas.  Esta  cualidad  fundamental (la viscosidad)  complica el estudio en  la hidrodinámica naval. Ajustándonos a una definición académica decimos que: la viscosidad es la propiedad que tiene  un  fluido de resistir las tensiones tangenciales o tensiones de corte.

Es  la  hidrodinámica la   parte más compleja del diseño, donde es necesario   poder medir, traducir los valores  medidos  en ecuaciones matemáticas, estimar y rediseñar  líneas de agua  con menor resistencia y mayor perfomance. Es allí  donde estará  la clave del éxito.  En esa  etapa  primaria del proyecto del  barco se aspira lógicamente  a predecir la correlación  existente entre las formas dibujadas y los efectos de resistencia producidos por  el movimiento del barco en el fluido en que se desplaza sea  agua de mar o  de río.

Cuando en el corrillo náutico se habla de la “última tecnología”, una simple asociación de ideas  lleva a pensar  casi exclusivamente en materiales sintéticos más fuertes y livianos o,  en raíces de aleaciones especiales  para equipos que están  muy exigidos. Pero vemos que  eso solamente es una  parte de la ingeniería con aplicación a  diseños mecánicos y de resistencia   en las estructuras del casco o los equipos, mástiles velas o jarcia.  Allí están  los últimos adelantos en materiales  utilizados como titanio, fibras de carbono, aceros aleados, kevlar, etc.

Pero en  fluodinámica la  ultima tecnología está representada por los más completos  programas de estudio y análisis sobre  series  de modelos de carenas similares en los canales de ensayo de carenas. Un sinfín de valores almacenados en  softs muy especiales están   custodiados casi como un  secreto de estado. Estos valores  son el verdadero tesoro de la última tecnología en la ciencia, son la niña bonita del  diseño y la llave del éxito.

En  los veleros además – para aumentar la  complejidad que involucra este tema y a diferencia de los barcos convencionales - deben estudiarse  además las carenas en los canales de experimentación  con diferentes escoras  y en diferentes alturas de ola y así poder estimar con mayor precisión, la resistencia por formación de olas, la resistencia friccional, la resistencia de presión de estela, etc.

Si a esto se le suma  el hecho de que los “apéndices” en los yates de vela  como propiamente se  llama a las  quillas de lastre, timones  orzas, skeg, ejes y hélices  de los modelos en  escala  que se prueban en los canales hidrodinámicos de experimentación, y por ser mayor su  importancia relativa en la resistencia total al avance, deben necesariamente mantener lo que se denomina “semejanza dinámica”. Esto es que se los debe  construir en una escala diferente al  de  la escala del mismo casco en el que están incorporados. Esta  escala sale de un cálculo complejo y hace a esos apéndices proporcionalmente más grandes que el tamaño que les correspondería si se utilizara la escala de reducción   del mismo modelo del casco. Así se procede para que pueda medirse con mas exactitud la resistencia total producida por el modelo y estimar entonces  matemáticamente con mas precisión  la resistencia total al avance del barco real  antes de construirlo.

Este trabajo  de experimentación en tanque de pruebas es lento y  se hace por además  costoso con la construcción de los modelos.

No siempre en  el diseño de  embarcaciones menores  se puede  soportar el costo de estos estudios en canales hidrodinámicos de ensayo

Pero también disponemos de varios métodos analíticos de cálculo aproximado de la  resistencia al avance,  que se basan en fórmulas mas o menos complejas y en gráficos bien probados donde intervienen principalmente las  relaciones  manga/calado,  los coeficientes de afinamiento que caracterizan a la carena como son el   coeficiente de bloque,  el coeficiente prismático, de sección maestra y obviamente la eslora en flotación, el desplazamiento, la superficie mojada de la obra viva, etc.. Utilizamos además ecuaciones para calcular la resistencia friccional y predecir la  que va a poseer el barco real.  Como una referencia solamente puede citarse el Método de AYRE y  el método de gráficos de Taylor para el cálculo de la Potencia Efectiva o,  la fórmula de Williams Froude para el cálculo de la Resistencia Friccional, o la ley de Reynolds que gobierna la resistencia de viscosidad. Todos estos métodos están integrados en el software de los programas de cálculo para arquitectura naval que actualmente están disponibles en el mercado.

Para ajustarse en exactitud y predicción de  la perfomance en velocidad que se puede esperar es, en este rubro, en el que se hace el gran gasto para los diseños de las  supermáquinas de competición.  La construcción de prototipos o  barcos  “modelos” más grandes o directamente en  escala 1:1 que solo utilizados  para pruebas, sirven  fundamentalmente para poner múltiples  sensores de velocidad, presión o indicadores  de  flujo laminar  o de turbulencias   y así  poder medir o  cuantificar las ventajas de las  modificaciones  y correcciones que se les vaya introduciendo a la carena diseñada.

Estos softs  forman parte del “tesoro” guardado con siete llaves para un equipo de diseño que se precie de tal.  Era por ejemplo el “enigmático” quillote alar  de los australianos que dio tanto que hablar en su tiempo y  que estaba siempre cubierto cuando el casco se sacaba a tierra el que había salido de estudios sistemáticos hidrodinámicos muy complejo de tal apéndice sustentador.

Los computadores  u ordenadores son hoy el gran almacén de datos para interactuar formas y predecir resultados, donde los técnicos especialistas en fluodinámica  hidrodinámica y aerodinámica incorporan largos estudios y  son  los interpretes  de  un idioma  considerado casi para iniciados. A partir de esos datos almacenados y afinando el lápiz entre una  u otra variación de las  carenas,  los timones, los distintos  quillotes (alados, con bulbo o simples),  las  formas anguladas de salidas de popa, los “bustles” o engordamientos de formas a popa (que disminuye el tren de olas secundarios de popa)  y otros tópicos involucrados,  se podrá ir afinando una gran creación.

Pero casi siempre la gran creación nace en un cerebro adiestrado en generar formas bellas  e hidrodinámicamente casi perfectas, con la menor resistencia en todas las condiciones de navegación y además con gran  belleza y estética en la obra muerta. Esta facultad es  el sino  de inspiración de los arquitectos navales  que haciendo escuela perduraron en el tiempo con sus creaciones. Es el que tenía  Miguel Angel con sus divinas proporciones, como lo fueran   Francis  y Nathanael Herreshoff ,   Philip L. Rhodes, Thomas  C. Gillmer, John G. Alden, William Atkin,  Gordon Munro, William Nutting,    como el que poseía  Manuel Campos  o  Germán Frers (padre e hijo). Allí  esta el inicio de la obra que va  del cerebro al lápiz... el soft y el hard. Se conjuga fundamentalmente sobre un caudal de experiencia sistemáticamente acumulada en   la trilogía: Diseñar-Construir-Navegar,  repitiendo este ciclo tantas veces se pueda.

Los ordenadores hoy posibilitan llevar estos análisis a su   máxima optimización aunque para hacerlo hayan de disponerse interface muchos recursos económicos. Programas como el “Autoship” con el que nos auxiliamos actualmente en  Blue Water Boats, el “Nautilus” o el tradicional “AutoCad” son las herramientas más modernas del diseño. 

Antes era,  como lo  es todavía finalmente  hoy, la aplicación   del muy  viejo método de “la  prueba y el error”  Un barco y otro después.... y la eterna pregunta del diseñador:  ¿como mejorarlo?

Esa síntesis que se revela a través de una prolija  experiencia, era antes,  sin la posibilidad de realizar  costosos ensayos  en canales de experimentación, plasmado por medio de series de modelitos similares  a  escala (a veces realizados por el mismo diseñador) que se remolcaban  cualquier día de calma en el río o el mar, lejos de las turbulencias en el agua  que deja la  popa (ver Gráfico Nº 1). Como se podrá apreciar no había una  lógica exacta ni en el tamaño de las olas en las que  navegaban esos modelos,  ni en la exactitud  que realmente nos  exigen los distintos ángulos de escora en los que navega después el  velero real. Simplemente en esa balancita hidrodinámica que se formaba entre dos modelos remolcados en forma simultanea,  se actuaba por eliminaciones sucesivas. El modelo del barco diseñado que  poseía  menor resistencia total lo indicaba simplemente avanzando al ser remolcado y quedaba para confrontar  por descarte y eliminación  en  la próxima corrida simultanea contra otro modelo  que fuera construido con ligeras variaciones. Salvando las distancias de tecnología, los tiempos, la escala  e interacción de los tripulantes abordo  era casi igual que las eliminatorias que por este tiempo vimos para hallar al “retador” de la Copa América.

En el canal de experimentación hidrodinámica el remolque se realiza a través de un carro externo que corre sobre la misma pileta y desde donde está fijado el modelo (ver Gráfico Nº 2 )

Cuenta la historia que los modelos  a escala de los  dibujos  de carenas realizados  por  L. Francis  Herreshoff   “corrían”  por los afinados sensores  de los dedos de su hermano  anciano casi ciego, el  Capitán  Nathanael  G. Herreshoff,  que era quién  indicaba una y otra vez donde debían afinarse o engordarse las líneas. No hará  falta explicarles porqué se lo  recuerda como “el  mago de Bristol”.

Antiguamente las escuelas de arquitectura de  diseño para los grandes barcos que se disputaban la preeminenciaeran la alemana, la inglesa y la  italiana (todos europeas) por una parte y,  la americana por la otra.  Veamos conceptualmente cuales  eran sus diferencias:

Los arquitectos navales  europeos eran los  puristas de la menor resistencia y las más afinadas formas. La propulsión y potencia  de los motores a vapor  o los aparejos de vela  se diseñaban especialmente para obtener la mejor perfomance en velocidad con la menor potencia y consumo de combustible (carbón o mas tarde petróleo). Así,  para un buen barco mercante o de guerra la cuestión era, conjugar la mejor velocidad con la mayor autonomía.  Estos eran los barcos que podían ir más rápido,  mas lejos.

Conseguidos los primeros archivos sistematizados sobre formas de cascos ligados a través de coeficientes de fineza (esto son  escuetamente carenas mas gordas o mas afinadas, entradas mas agudas o proas mas romas, etc.) el almirantazgo inglés trató de ligar entre sí de  una forma algo simplista las variables  mas importantes del problema: el desplazamiento del barco, la velocidad y la potencia necesaria de su máquina.

Esta fórmula llamada del Almirantazgo establece que:

C= (D^2/3 x V^{3 )} /  Pmaq

C: Coeficiente del Almirantazgo que es aproximadamente el mismo para carenas similares a velocidades no muy diferentes

D: Desplazamiento en toneladas elevado a la 2/3

V: Velocidad en nudos elevada al cubo

Pmaq: Potencia efectiva de la máquina en CV (se refería   a máquinas o motores de vapor)

El resultado de estos estudios sistemáticos fue el  obtener cascos hidrodinámicamente mas estilizados   pero mas costosos por lo complicado y lento  de construirlos,  donde se diseñaban curvas y contra curvas, pantoques y timones perfilados o, proas con  bulbos prolijamente estudiados. Estos puntos nos  describirían solo  una síntesis escueta  de los avances que se lograron con la ciencia hidrodinámica el siglo pasado. Como el agua sigue siendo la misma, las leyes que la gobierna permanecieron casi inmutables y todavía siguen siendo aplicadas. 

Se me cruza ahora el nombre del ingeniero naval Juan Baader digno hijo de aquella escuela alemana de arquitectura naval. Todavía hoy se le debería sacar el sombrero (en señal de respeto)  por la  perfección  de  las líneas que dibujaba. Lo vemos cuando nos cruzamos navegando  con alguno de sus bellos cruceros  que, bien  podrían llamarse “ecológicos” pues,  dejan planchada su estela a popa. No hay ningún árbol caído en las riberas del Delta que haya sido torturado  con el golpetear de las olas que  generan  sus magníficas líneas de agua. 

La escuela americana procedió  en cambio con la practicidad que siempre los caracterizó.  Estandarizó antes de la guerra la construcción masiva de  motores diesel aplicados en la propulsión  naval con una escala progresiva de potencias. Resultado:  cascos rápidos de construir con gran volumen interior  y capacidad de transporte, normalmente  sobre potenciados,  con máquinas reemplazables y reparables muy  fácilmente.

Luego cuando llegó la guerra, el número  de barcos construidos impuso la ventaja a la hora de decidir y nadie fue a preguntar:  ¿cuanto era el consumo? o ¿ que tamaño de ola levantaba a su paso un crucero o una lancha  torpedera rápida?.  Las siglas B.D.T., B.D.M.  y  L.S.M.  describían tipos de barcos  con  una hidrodinámica de líneas al  estilo de las  “caja de zapatos”  que servían solo para “ir” a la guerra  a desembarcar equipos, tanques y soldados en cualquier playa (nunca eran pensados para volver). ¿Cual era la potencia instalada y la velocidad necesaria? Pues, la que se disponía era la de los motores seriados construidos masivamente   y en muchos casos  hasta multiplicando su número en la instalación de cada barco por medio de  cajas de acople  especiales para poder satisfacer la potencia total  requerida.

Esta política de diseño de “pon arriba todo lo que necesites que yo lo propulso” quedó grabada  a fuego en las famosas marcas de los fabricantes de cruceros  americanos y es la que hace hoy  al  mayor “placer”  de los residentes del Delta con sus émulos locales,  cuando las importantes  olas del tren secundario de popa acompañan a esos barcos como un estigma  – en una  elocuente demostración de potencia – y  golpean con señorial  frescura los veriles de los canales, arrasando con  cuantos álamos, muelles, canoas isleñas y terrones de albardones  encuentren,  ayudando sin saber a enanchar los cursos de los arroyos o hacer su aporte a la masa aluvional de limo y barro al  river plate (río playo) mal llamado Río de la Plata. 

Así siguió la historia en  América  también con los automóviles que, hoy los lleva a replantearse  como tema del día, la validez del alto consumo y potencia de los vehículos que están en ese mercado a pesar que los combustibles les cuesta tres veces menos que a nosotros.

Es casi  seguro e  irónicamente  por eso que la Copa América, que es la más apreciada muestra de la arquitectura naval y el perfeccionismo de líneas (para permitir potenciarse y navegar  mas eficientemente con los elementos esenciales de la naturaleza, agua y aire),  salió hace años  de América para ir a  jugarse entre manos europeas.

 Vamos ... no me van a discutir ahora   que los neocelandeses  o  los australianos no son casi... casi ingleses ( y por lo tanto europeos). Para los italianos un mérito  total  a pesar del resultado final. Como un dato importante para sustentar lo precedentemente explicado podemos citar a algunos de los especialistas que secundaron al team Prada en estos aspectos: Programas del CEI Computational Engineering International, ICEM-CFD Engineering (generación de Software), PTC (engineering en diseño y análisis de software), Engineous Software Inc. ( Engineering Software Automation Optimization), Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale Tank Testing, etc. 

Y si pasaran muchos años mas  y la copa no regresara a América, llegará tal vez el día,  en que por los logros de sus arquitectos navales,  el mayor premio en disputa pueda  llamarse Copa Europa o Copa Oceanía.

En  una próxima entrega trataremos de profundizar un poco mas sobre  la hidrodinámica de los cascos y nos extenderemos en  una explicación más puntual  sobre el cálculo  de los componentes  que integran  la Resistencia al Avance.

Ing. Naval Roberto R. Alonso