TIMONES
SEGUROS
La
habilitación deportiva de “timonel” se le asigna a aquellos
nautas que tienen la capacidad
para conducir una embarcación con seguridad. Es decir que
se les delega la responsabilidad de llevar la rueda o la caña
del timón del barco
cumpliendo con las reglas
de navegación y dirigiendo su posicionamiento
en una trayectoria segura.
Obviamente
el nombre de la revista TIMONELES se deriva
de quienes ostentan este primer rango de calificación deportiva
y honra fundamentalmente a
aquellos que la ejercitan con responsabilidad. Pero para que haya
timonel seguro, debemos tener barcos con buenos timones. Es decir
timones que: a) hayan sido bien diseñados; b) estén bien construidos
y; c) correctamente mantenidos.
Por
este juego de coincidencias en el mes de diciembre próximo pasado
realizamos con nuestro Astillero, el diagnóstico y
la consecuente reparación del timón del yate Fanfarrón II
ganador de la regata Bs. As. – Río;
decimos coincidencias porque en este barco se conjugaban con
holgura los puntos a) y b) reseñados
previamente y, solo nos correspondió la modesta tarea de ponerlo en forma y
ajuste con los mejores materiales de que hoy
se disponen.
Pero
a los navegantes les corresponderá hacerse siempre algunas pocas
preguntas para curarse en salud:
Que
tan seguros y eficientes son los timones y las partes que los
constituyen?
Como
podremos saber si un timón o alguno de sus elementos constitutivos se
encuentran en buen estado?
Hay
que recordar que un timón solo actúa en una corriente de agua. Una
embarcación a la deriva no responde al timón debido a que ninguna
corriente de agua le da vida. Para obtener buenas cualidades de maniobra
desde la condición “barco parado” el timón debe obligadamente
ubicarse en el chorro de agua despedido por la hélice.
Si
repasamos la teoría clásica para el cálculo del gobierno vemos
que cuando un barco navega en un rumbo recto en aguas tranquilas el
flujo hidrodinámico alrededor de la pala del timón es generalmente simétrico
respecto al plano central y sin componentes de través. Cuando el timón
se mueve fuera de su posición central la simetría del flujo o filetes
de agua se interrumpe por una fuerza que actúa en el centro de presión
del timón, que dependiendo del ángulo de incidencia podemos considerar
que se encuentra en el centro geométrico de la placa del timón. Esto da como
resultado que el barco describa una curva conocida como “diámetro táctico”
con sus características particulares de avance y traslación. Si el
perfil del timón se ajusta a determinadas formas hidrodinámicas
pre-estudiadas y /o su
relación de aspecto (relación entre el alto y el ancho de la pala) se
modifica convenientemente, la eficiencia sobre el gobierno del barco
puede optimizarse. Normalmente el área efectiva del timón es una
fracción o porcentaje del área del plano de deriva del barco.
Distintos criterios lo ubican entre un 5 % a 6,5 % del mismo para las
embarcaciones a motor. En los yates de vela este porcentaje puede
incrementarse además para introducir un eficiente equilibrio o balance
entre la superficie vélica y el mismo plano de deriva, para que el
barco tenga estabilidad de rumbo (caso de barcos de crucero) y/o tengan
capacidad de orzar mucho al viento en los barcos de regata.
Para
ello reseñaremos brevemente los tipos de timón
mas comunes. Aquí nos encontramos con la primera diferenciación
mas significativa para clasificarlos, )ver figuras
Nº1 a y Nº1 b
1) Timón con pala compensada
o;
2)
Pala sin compensación.
Cuando
la pala del timón es
compensada significa que existe un porcentual del área de la misma pala
que se encuentra por delante del eje geométrico de giro del timón
(mecha). Se diseñan así para disminuir los esfuerzos que a través de
la caña o la rueda deba realizar el timonel o la máquina de accionamiento instalada puedan permitir girarlo.
El
límite hidrodinámico útil de giro de la pala medida en grados se
encuentra entre los 35º y 40º
a cada banda, dependiendo este valor y su eficiencia para
producir el giro también
del perfil constitutivo con el que se hubiese diseñado la pala. (ver
Fig. Nº 2) Con seguridad puede afirmarse que mas allá de estos valores
de giro hacia cada banda la acción del timón pasa a ser francamente de
freno en lugar de inducir a la maniobra de cambio de rumbo. Los filetes
del flujo de agua en que actúa el perfil comienzan a desordenarse y
producir turbulencias en el borde de escape del perfil que inducen succión.
El flujo laminar se convierte en flujo turbulento
porque la pala comienza a presentar un “frente” de choque
demasiado grande contra el sentido de avance del barco.
La
segunda diferenciación más
visible para poder clasificarlos será
también la de timones cuyas mechas estén soportadas por medio
de un talón en popa de la
quilla (skeg) o aquellos
timones que por no
tener estos soportes se clasifican como “colgante”
o “espada
colgante” ( ver Figuras. Nº 3 a y 3b)
Normalmente
las mechas de timón y las palas que a través de
ellas se sustentan están sometidas a grandes esfuerzos y
oscilaciones impuestas fundamentalmente por;
a)
La velocidad que tenga el yate
b)
El ángulo que el perfil de la pala del timón tenga respecto al
flujo del agua o líneas de corriente en que está actuando
c)
Las aceleraciones y desaceleraciones que produce el rolido del
barco en un oleaje que sea significativo.
Los
estudios sistemáticos sobre diferentes tipos de
timón realizados en
canal y túneles de pruebas convergieron en calificar a los de tipo
espada colgante como los de menor resistencia y por tanto los de mayor
eficiencia.
En
los años felices de la optimización sobre barcos de regata las mechas
de timón se calculaban para que resistieran
una enorme flexión en su sección de empotramiento en la torre
soporte de la limera (tubo resistente como soporte estructural fijo de
la mecha que gira donde se encuentran instalados los bujes o cojinetes
de apoyo.(ver Fig. Nº 3 a). Baste para imaginar el esfuerzo al que una
mecha de timón estará siempre exigida, con saber ponderar
que el período de rolido que un barco tiene es producido por su
desplazamiento y estabilidad.
A mayor estabilidad el período de rolido medido en segundos es menor y
por lo tanto la pala del timón y consecuentemente la mecha estarán
siendo tratadas como verdaderos elásticos amortiguadores sometidos a
flexiones continuas hacia uno y otro lado. Pero si hablamos de flexión también debemos reconocer que una sección circular
como la de la mecha de timón no es la geometría mas adecuada
para soportar precisamente estas cargas alternativamente,
porque posee la
menor cantidad de material en el punto mas alejado del su eje neutro.
Para hacerlo sencillo y
comprensible, sabemos que el
perfil de acero mas adecuado para soportar flexión es un doble T como
lo indican las ilustraciones pero,
evidentemente un doble T no sirve como eje de giro o mecha de timón.
Si
bien podemos tomar un margen de cálculo para poner material en exceso
en la mecha las cargas alternativas de flexión siempre producirán
adicionalmente fatiga al material de la mecha (no alarmarse porque se
mide en millones de ciclos a lo largo de su vida útil).
Como
optimizar era también sinónimo de alivianar pesos, las mechas se
hicieron mas finas, mas
huecas y con menor espesor de pared en el tubo, olvidándose muchos diseñadores
que en la medida en que la mecha se afinaba crecía al mismo tiempo
también su vulnerabilidad a los esfuerzos de
torsión.
Torsión
es el esfuerzo que aparece en la mecha del timón cuando la pala sale de
su alineación con el plano de crujía
para producir un cambio de rumbo en
un timón de
deriva o en un timón de orzada. (ver Fig. Nº 3b)
La
regata Fastnet Rock del año 1979 famosa por el temporal que la azotó,
todavía hoy recordada como “la regata trágica” por la cantidad de
barcos hundidos y tripulantes perdidos, fue el
detonante para que los diseñadores clasificadores y aseguradores
le prestasen puntual atención al cálculo de la mecha del timón.
Esta fue la mayor causal en
aquella ocasión entre otras muchas, de las pérdidas por hundimiento o
abandono al garete de
muchos de los barcos que competían
pues en medio del temporal excepcionalmente fuerte
para colmo de males “se rompían los timones”.
Atención
con la flexo-torsión fue la conclusión de los estudios posteriores y a
partir de allí materiales y tecnologías se pusieron a
disposición para corregir aquellos errores.
Cuando
la pala del timón no es del tipo compensada, la torsión en su mecha es
mucho mas grande, sumándose entonces también como una imposición
adicional el esfuerzo de
flexión como carga dinámica
alternativa de distinto signo (hacia uno y otro lado debido al rolido).
La
ultima diferenciación del tipo de timón es la de aquellos que están
instalados en la misma popa o en el espejo y
que pueden poseer skeg o no
y donde la figura de la mecha anteriormente descrita está
igualmente cubierta por los herrajes montados
sobre el mismo espejo como puede apreciarse en los Optimist, J24,
o Limbos. La característica en todos ellos es que los esfuerzos de
flexión están soportados por la geometría
de la misma pala. Todos los navegantes conocen cuales son los efectos
mas comunes que producen estos esfuerzos: Cachas despegadas, palas de
timón llenas de agua y en
el extremo del problema mechas dobladas o timones perdidos.
Para
entretener a los lectores afectos a las matemáticas reseñaremos (en
Fig Nº 4) escuetamente la fórmula de cálculo de los esfuerzos que
sufre el timón y los
factores que en ella intervienen. En ella se indica
a Pn como el efecto
que la presión produce
perpendicularmente a la pala indicado
también como fuerza F en
la figura Nº 3b (resultante de la
sumatoria de las presiones actuantes en la superficie de la pala).
La descomposición vectorial de esta fuerza actuante
perpendicularmente al
plano de crujía produce el efecto
de deriva y el par de giro del barco y; su componente según el
sentido de avance disminuye la velocidad, es decir frena. Obviamente
estos vectores varían en magnitud por efecto dinámico según el ángulo
impuesto al timón y la velocidad que tenga el yate.
Ing.
Naval Roberto R. Alonso
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