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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