PRINCIPIOS FÍSICOS APLICADOS EN EL YACHTING

Toda embarcación debe poseer dos cualidades imprescindibles:

Flotabilidad: Cualidad esencial de una embarcación que le capacita para mantenerse sobre la superficie del agua.

Estabilidad: Cualidad por la cual la embarcación vuelve a su posición de equilibrio, en caso de que este haya sido alterado por la acción de cualquier elemento, interno o externo.

Para que esto se cumpla es necesario que el casco sea estanco, es decir se asegura que el agua no pase al interior del buque.

El barco, como todo cuerpo, está sometido a la ley de gravedad; es decir, tiende a ir hacia abajo por la atracción que sufre hacia el centro de la tierra. A medida que se sumerge en el agua, va recibiendo una fuerza creciente de abajo hacia arriba hasta el momento en que se equilibra con el peso de la embarcación, en dicho momento el buque cesa de sumergirse. Para comprender el mecanismo de flotación, debemos recordar lo que es el Centro de Gravedad de un cuerpo, es un punto imaginario del barco donde se considera aplicada la fuerza del peso resultante de la suma de todos los pesos del barco. Este centro permanece invariable mientras no se modifique la distribución de pesos en el barco.

La fuerza ejercida por el agua hacia el casco se conoce como Empuje y se puede cuantificar de acuerdo al principio de Arquímedes que dice: Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje de abajo hacia arriba, igual al volumen (en peso) del líquido desalojado por el cuerpo y aplicado al centro geométrico de la parte sumergida del casco.

De acuerdo a lo dicho pueden producirse tres casos:

a) Peso superior al volumen de agua desalojada: el buque se hunde.

b) Peso igual al volumen desalojado: permanece en reposo a cualquier profundidad (caso del submarino) o al ras del agua.

c) Peso menor al volumen que el empuje: el barco permanece a flote, emergiendo del agua hasta el instante en que el empuje sea igual al peso de la embarcación.

Desplazamiento: Equivale exactamente en peso a todo el conjunto del yate, variando de acuerdo a la densidad del agua y el estado de carga del buque. Es el peso de un buque expresado en toneladas métricas.

Línea de flotación: Línea que traza el nivel de agua en el casco, por arriba de ella se encuentra la obra muerta y por debajo la obra viva.

Centro de carena o empuje: Centro geométrico de la parte sumergida del casco, como ésta varía con los movimientos del barco, el centro de carena también varía. En este punto convergen las fuerzas de empuje del agua sobre el casco.

TEORÍA DE LA ESTABILIDAD

Primeramente definiremos lo que es el Metacentro: Punto imaginario donde se interceptan el plano de crujía y la vertical que pasa por el centro de carena del casco escorado.

Un buque flota porque su peso, aplicado en su centro de gravedad, es contrarrestado por el empuje aplicado en el centro de carena.

Cuando el barco se halla en reposo, las fuerzas que actúan sobre los centros de gravedad y de carena se encuentran sobre una misma línea, es decir, sobre el eje vertical del barco.

Si, por efecto del viento o las olas, el barco escora, el centro de carena se desplaza lateralmente hacia la parte más sumergida. Las fuerzas que actúan sobre los centros de gravedad y carena no están ya en la misma línea, sino en dos líneas paralelas separadas por una cierta distancia.

Las dos fuerzas forman ahora un par y ejercen conjuntamente una acción de adrizamiento. La intensidad de esta acción, llamada Par de Adrizamiento, es igual y de sentido contrario a la acción exterior que haya producido la escora y depende del desplazamiento del barco y de la longitud del Brazo del Par (separación horizontal del centro de gravedad y del centro de carena).

Cuanto mayor es la escora, mayor es el par, y por ello, mayor la fuerza adrizante, que alcanza su máximo valor para una inclinación de 90°. Por eso, en teoría, un buque debe volver a su posición normal incluso con escoras por encima de 90°.

El hecho que, principalmente en barcos de vela ligera, cuando escoran en demasía no logren volver a adrizarse (tumbar), es debido a una variación en la distribución de pesos provocada por la misma escora (entrada de agua, movimiento de los tripulantes, corrimiento de objetos, etc.) lo que produce un cambio en la posición del centro de gravedad y por lo tanto, una variación en el Brazo del Par.

Fig. 1: Estabilidad transversal

G: Centro de gravedad              Fg:  Peso de la embarcación                  C:        Centro de carena

E:  Empuje                               C´:  Centro de carena al escorar                        G/C´:    Par de estabilidad

M: Metacentro                         GK: Brazo del Par                                ExGK: Momento de adrizamiento

En el diseño de embarcaciones, y en cuanto al problema que nos ocupa (la estabilidad), existen dos elementos fundamentales a tener en cuenta:

La estabilidad de formas, constituida por cascos de gran manga y que aseguran condiciones agradables de navegación, movimientos suaves y una gran estabilidad cuando se trata de inclinaciones pequeñas, pero a medida que aumenta la inclinación llega un punto en que pierde rápidamente su capacidad de estabilizarse, por hacerse menor el brazo de palanca.

La estabilidad de pesos, conformada por cascos angostos, profundos, con gran lastre en el extremo inferior del quillote, que provoca movimientos de rolido bastante pronunciados y perjudiciales para la arboladura, tiene poca estabilidad inicial pero sí asegura su equilibrio cuando tiene una mayor escora, y esto es muy importante en cuanto a su seguridad.

Una buena embarcación deberá entonces conciliar estos dos elementos, siendo suficientemente ancha para no inclinarse a la menor brisa y poseer el lastre suficiente para no estar en peligro de tumbar fácilmente.

La obra muerta de un barco también incide en su estabilidad, ya que teniendo un mayor francobordo está en mejores condicionas de defensa ante una escora pronunciada.

En lo que respecta a la estabilidad en el sentido proa-popa, este problema no presenta mayores dificultades, su estabilidad es mayor que en el sentido babor-estribor, dependiendo de la forma del casco su comportamiento para un mayor o menor cabeceo.

El juego de fuerzas producidas en el sentido proa-popa, es similar al estudiado para la estabilidad transversal, actuando igualmente el centro de gravedad y el centro de carena como puntos de aplicación del peso del barco y del empuje hacia arriba.

La forma de las embarcaciones hace que los movimientos en el plano longitudinal sean más moderados y en principio, menos peligrosos que en el plano transversal.

ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS VELAS

Las velas por sí solas no producen la energía necesaria para hacer avanzar una embarcación. Son, más bien, el mecanismo transformador de energía que permite que la fuerza del viento se convierta directamente en fuerza de propulsión. Al presentar las velas a la acción del viento, éste ejerce una presión sobre éstas que pone en movimiento el velero.

Para introducirnos en el estudio de los fenómenos físicos que posibilitan la navegación a vela, tenemos que diferenciar entre dos tipos de efectos distintos que produce el viento sobre las velas:

El primer sistema, al que podríamos definir como empuje directo, es el que se produce con vientos francos o sea, en navegaciones por popa, por la aleta y hasta un largo. En la figura 2 vemos un ejemplo de navegación por la aleta, en donde vemos que la fuerza V, resultante de la suma de todos los filetes de aire paralelos del viento que inciden sobre la vela, se aplican en el centro Cv llamado centro vélico, con la magnitud indicada por el largo de la diagonal del paralelogramo. Esta se puede descomponer en otras dos fuerzas según el paralelogramo de fuerzas:

La fuerza Bc: transversal al barco que tiende a producir un desplazamiento lateral. Esta fuerza es contrarrestada, en parte, por el plano de resistencia lateral que está constituido por la orza o el quillote, como así también por la forma del buque (superficie lateral de la obra viva). Pero el desplazamiento lateral no se puede eliminar del todo, ese desplazamiento producido por la fuerza lateral residual es el abatimiento.

Por otro lado, la fuerza Ac dirigida según el eje longitudinal del barco, que sólo tiene que vencer la resistencia del agua sobre la proa, casco y apéndices, y será realmente la que haga avanzar el velero.

De la figura 2 se deduce que esta fuerza Ac se incrementa cuanto más franco sea el viento, llegando al límite que en viento por la popa, la componente Bc desaparece y con ella el abatimiento.

Fig. 2: Par de escora y par de evolución

V: Fuerza del viento                              Ac: Fuerza de avance                           Bc:    Fuerza de escora

D: Fuerza de desplazamiento lateral       E:   Fuerza de resistencia lateral                        Bc-E: Par de evolución

El segundo sistema o efecto que se produce en navegaciones de través y ceñida, en las cuales aunque a simple vista pueda parecerlo, no es el empuje directo del viento sobre las velas el que genera la fuerza propulsora.

En navegaciones con vientos francos tratábamos de orientar las velas lo más perpendicularmente posible a la dirección del viento, en este otro caso si así lo hiciéramos, el viento producirá una cantidad enorme de turbulencias que originaría una gran pérdida de energía. Así, la técnica de la navegación a vela en ceñida consiste en orientarlas de tal forma que produzcan un ligero cambio en la dirección del viento, de modo que este sople a lo largo de ellas sin producir turbulencias.

La masa de aire deslizándose a lo largo de una vela curvada sigue dos caminos: parte del aire pasa por la cara de barlovento, la otra parte rodea la vela por su cara de sotavento y debe recorrer una distancia mayor que la primera. Al tener que circular a más velocidad por la cara de sotavento (la parte convexa) se produce una baja presión. Mientras que en la cara de barlovento (parte cóncava) por el efecto propio de la fuerza del viento, tenemos una alta presión. Como resultado, en todos los puntos de la vela actúan pequeñas fuerzas perpendiculares a la misma (ver figura 3), que se pueden considerar concentradas en una sola resultante, llamada empuje vélico, que se ejerce en un punto de la vela.

De aquí en más, y asociando la fuerza recién descripta con la fuerza V del primer sistema, se puede hacer el mismo razonamiento con el paralelogramo de fuerzas.

La mayoría de las embarcaciones a vela llevan más de una vela, siendo el aparejo más común el de mayor y foque. La razón fundamental de este fraccionamiento del aparejo, aparte de la mayor facilidad de manejo y flexibilidad de maniobras, consiste en que las dos velas, convenientemente orientadas, producen en conjunto una mayor fuerza de propulsión que una sola vela que tuviese la misma superficie total. Esto es debido al efecto del canal que se forma entre ambas velas. El viento, al pasar por dicho canal, se comprime e incrementa su velocidad, aumentando el efecto de succión o depresión en la cara de sotavento de la vela mayor, ampliando por tanto, la diferencia de presión entre ambas caras de esta vela.

Por esto es fundamental el ancho de dicho canal, pues, si resulta demasiado estrecho, el foque desviará excesivamente el viento a la mayor, produciendo turbulencias negativas. En cambio, si el canal es muy ancho, no se producirá el efecto deseado de aumento de velocidad del aire y en consecuencia será menor la depresión en la cara de sotavento de la vela mayor.

En la figura 3 se muestran los casos recién descriptos.

Fig. 3

ACCIÓN EVOLUTIVA DE LAS VELAS

Para comprender la influencia que tiene la fuerza del viento sobre la dirección o rumbo que lleva el barco, recordemos primero que centro de carena es el punto en el cual está aplicada la resultante de las resistencias que ofrece el casco a su desplazamiento lateral y constituye el centro de abatimiento.

Centro vélico es el punto imaginario donde convergen las fuerzas ejercidas por el viento sobre las velas.

Si el centro vélico (Cv) cae a proa del centro de carena (Cc) el barco tendrá una cupla evolutiva tendiente a hacerlo ir a sotavento, es decir, lo hace derivar.

Si, como se ve en el segundo caso de la figura 4, las fuerzas de empuje vélico y resistencia lateral coinciden en su recta de acción (el Cc y el Cv se superponen), el barco mantendrá su equilibrio, sin tendencia a derivar ni a orzar.

Fig. 4

Si en cambio, el centro vélico está a popa del centro de carena, el yate tendrá una cupla evolutiva tendiente a hacerlo orzar.

Teniendo en cuenta que los barcos giran sobre la vertical que pasa por el centro de carena, y también por todo lo expuesto anteriormente, podemos decir que todas las velas colocadas a proa de dicho centro de carena, tienden a hacer derivar al barco. Y que todas las velas colocadas a popa de dicho punto, lo hacen orzar. Estos efectos de las velas de proa y de popa, deberán ser equilibrados a fin de obtener un máximo rendimiento de velocidad y de suavidad en la maniobra, teniendo especial cuidado de que el timón se mantenga en la línea de crujía, o lo más próximo a ella, ya que todos los yates que tengan que estar maniobrando con el timón para llevar su rumbo, son continuamente frenados.

Si las velas están casadas en su punto justo y el barco sigue estando descompensado, buscaremos los motivos de esta situación en la puesta a punto del yate a vela.

Esto se consigue buscando que el centro vélico coincida con el centro de carena, lo que podemos lograr de la siguiente forma:

- Inclinando el palo hacia proa para que tenga menos tendencia a orzar, lo que estamos haciendo en realidad es correr el Cv a proa. Si apopamos el palo, el barco será más orzador.

- Cambiando el centro de carena en los barcos de orza, izando algo esta trasladamos a popa el Cc e iremos menos al viento. Para poder ceñir más, lo que nos conviene es bajar toda la orza porque se adelanta el Cc.

- Desplazando la tripulación hacia proa (se adelanta el Cc), o hacia popa (se atrasa el Cc), será más o menos orzador respectivamente.

- El cazado o filado de las velas obrará asimismo en dicho sentido, como así cuando variamos los puntos de escota. Es decir, cazando escota de mayor y filando foque el barco será más ardiente (tendencia a orzar), y en caso contrario, cazando foque y filando mayor, derivará. No obstante, no se exagerará esta acción puesto que el accionar de una vela está íntimamente ligado con el de la otra, como ya hemos explicado anteriormente.

- La escora de un barco también incidirá en que tienda a ir a la orza.