La resistencia de
fricción del agua aumenta de forma brutal según la tercera potencia
de la velocidad y por ello a medida que aumentamos la velocidad del
barco se hace fundamental reducir la superficie mojada del casco
pues con ello disminuiremos en la misma medida la resistencia y por
tanto las necesidades de potencia y energía para desplazarnos.
Y una de las
mejores formas para reducir la superficie mojada es sacando el casco
fuera del agua, o lo que es lo mismo, creando una presión dinámica
debido al movimiento del barco que genere sustentación. Pero hay
otros modos de lograrlo como ocurre por ejemplo en el Hydroptère de
Tabarly, aunque es motivo para otros artículos dedicados a los “Foils”.
Cómo y dónde se
sitúan los escalones y sprays en la carena es importante, pues con
ello estaremos definiendo las zonas en las que se “apoya” el peso
del barco y por tanto mejorando o empeorando la estabilidad del
barco. Uno de los problemas con las altas velocidad tiene que ver
justamente con la estabilidad y la facilidad de pilotaje en planeo.
A medida que disminuyen las colas y apéndices, el barco se hace más
inestable con riesgos de pérdida de control, giros bruscos o
comportamientos impredecibles.
Por ello, y como
todo en la vida, necesitamos llegar a compromisos. Si quiere
experimentar sobre este asunto, basta con pilotar una lancha en
planeo, incluso de esloras pequeñas de 6 a 8 metros, y cuando vaya a
tope empezar poco a poco a subir el trim del fueraborba del barco.
Observará como la lancha gana aún 2 ó 3 nudos mientras va sacando la
cola del agua y disminuye lo poco que queda de estabilización por
parte de la aleta de la cola. De repente un ligero movimiento del
volante, una pequeña ola que golpea en una amura o algo imprevisto
hace que el barco pierda la estabilidad dándonos un gran susto en el
mejor de los casos.
Preveer lo imprevisible
En
las carenas con “V” profunda es posible predecir el comportamiento
en modo desplazamiento y algo menos en modo de planeo. Pero cuando
empiezan a entrar en acción los escalones y otros formas de la
carena, no queda más remedio que experimentar y pasar al canal de
pruebas hidrodinámicas.
Una carena convencional irá sacando la proa del agua poco a poco a
medida que aumentamos las potencia del motor y por tanto aumenta la
velocidad y con ello la presión dinámica. Al aumentar la velocidad
se irá retrasando el centro de resistencias al retrasarse la parte
de la carena mojada.
Pero cuando se ha de analizar el comportamiento de una carena con
escalones se acabaron todas las posibles predicciones matemáticas.
Cuando la superficie mojada a una determinada velocidad alcanza el
escalón, la carena cambia bruscamente su comportamiento y es como si
al barco le hubiésemos cambiado de repente la carena por una
específicamente diseñada para moverse a esa velocidad concreta.
El
escalón con su particular forma se comportará como un “nuevo” casco
con una nuevo ataque a las olas de proa y con nuevos ángulos y “V”
dependiendo de la forma en que haya sido ideado el “escalón”, su
ángulo, su forma, su anchura, y su altura.
Algunos fabricantes diseñan las carenas con más de un escalón, con
la idea de lograr comportamientos mejorados a diferentes regímenes
de velocidades, aún en detrimento de aumentar la resistencia del
agua para los regímenes de velocidades más lentos en los que ha de
trabajar solo el primer escalón o el barco aún no ha despegado.
Un
casco con escalones conducido a una velocidad baja, por ejemplo por
debajo de los 25 nudos y antes de llegar al planeo, tendrá mayores
resistencias hidrodinámicas y turbulencias que uno normal, y por
tanto sólo será conveniente si navegamos a altas velocidades. Pero
en muchas ocasiones el mal estado de la mar hace imposible llevar el
barco por encima de los 25 nudos…
Si
ve algún barco con carenas escalonadas y anunciado para navegar por
debajo de 20 nudos, puede estar seguro de que se trata de un
“rollo” comercial, o simplemente un fraude. Si observa una gran
cabina y por tanto altos centros de gravedad o incluso algún “corte”
lateral en el casco con aspecto de entrada a un escalón que no
conduce a ninguna parte y desemboca en una carena plana… ¡Mal
asunto!
Por si no fuera lo suficientemente complicado, el comportamiento de
la carena puede (y en muchos casos debe) ser modificado por otros
apéndices que modifican el comportamiento del conjunto como son los
flaps, interceptores en la popa, el trim del motor o si las hélices
lo permiten los ángulos de los ejes (por ejemplo en transmisiones
Arneson). De esta forma es posible “alterar” la potencia a la que
el casco sale del agua y alcanza un determinado Escalón en el
planeo.
Uno de los mayores compromisos consiste en lograr un apoyo por
presión hidrodinámico que reduzca en gran medida la resistencia por
superficies mojadas pero manteniendo el control direccional. A
grandes velocidades de planeo por encima de los 40 nudos si
esto no está bien diseñado, una ligera modificación en las
condiciones de planeo y equilibrio, puede desencadenar una sobrepresión en una de las zonas laterales de la carena que
aumentará el fenómeno de forma inmediata y desencadenará un giro tan
brutal como brusco y peligroso. El resultado puede ser un vuelco
mortal tanto para el barco como para sus tripulantes como a veces
vemos en las carreras de F1 de extrema velocidad. Es como clavar la
rueda delantera de una moto y ver como la parte trasera nos adelanta
cambiando bruscamente la trazada para tirarnos al asfalto.
En
una carena con el casco planeando fuera del agua y apoyado tras el
escalón, la parte central de la carena en popa es sumamente
“resbaladiza” por la corriente de agua y la ventilación existente en
la zona, y esto conlleva al impredecibles y peligrosos fenómenos de
giro brusco. Algunas lanchas vendidas en los 70 y 80 incluso de
importantes marcas adolecen de este problema que sólo se manifiesta
a grandes velocidades, por lo que si es usted comprador de segunda
mano, debe informarse y probar el barco a velocidades en las que se
pueden manifestar estas inestabilidades.
Railes, redanes y pantoques
Para reducir en parte este pernicioso efecto, las carenas incorporan
raíles y redanes de diferente altura y ángulo, que de diferente
forma actúan como orzas estabilizadoras longitudinales, en
detrimento de la resistencia total hidrodinámica pues aumentan la
superficie mojada de la carena. El ángulo de pantoque a la postre se
comporta también como un raíl y por tanto su forma y ángulo tendrá
un efecto directo en la estabilidad longitudinal.
Pero todo el asunto se complica aún más si tenemos en cuenta que el
comportamiento de la carena debe ser estudiado además de en
movimientos rectilíneos, también en mitad de un viraje a gran
velocidad, en el cual la forma de la superficie mojada de la carena
queda drásticamente alterada debido a la escora del barco producida
por el propio giro.
Si
la carena en el giro pasa a ser demasiado plana, estaremos
facilitando los fenómenos de derrapajes que pueden conducir a los
descritos bruscos cambios de rumbo, pero si la carena está diseñada
de tal forma que, en un viraje se aumenta demasiado el ángulo de “V”
de la carena, facilitaremos un posible vuelco ayudado por las
fuerzas centrífugas!
Todo ello nos conduce finalmente a que la creación de un casco de
alta velocidad es una tarea empírica de prueba, y error. Existen
algunas herramientas informáticas como el “Autowing”, que permite
hacer predicciones en carenas de planeo con escalones, pero
incapaces de sustituir la labor de un experimentado diseñador con
conocimiento acumulado de otros proyectos anteriores.
La
dimensiones e incluso la forma con la que se haya definido el rail
tiene influencia en el comportamiento e hidrodinámica del casco. En
vez de crear un rail simétrico respecto a la superficie del casco,
alguno fabricantes proponen el diseño en forma de 'Z' que ofrece
flujos de agua más laminares sin quitar prestaciones al apoyo que
ofrece el propio rail.
El colchón de aire y la aspiración
A
medida que aumenta la velocidad en la superficie de casco en contacto
con el agua, disminuye la presión en esta zona (Bernouilli).
Esta depresión produce succión y por ello los escalones actúan
también como “tubos” de absorción y canalización de aire que se
distribuye en la zona de contacto hidrodinámico lo cual ayuda a
aumentar la velocidad del barco. Si la zona por la que se absorbe
este aire de la superficie es demasiada pequeña debido a una carga
de pesos excesiva en el barco o a que nos encontramos en mitad de un
viraje, el flujo de aire se detiene y se crea una zona con un vacío
o depresión parcial de forma asimétrica lo cual producirá un cambio
brusco en el comportamiento del barco en mitad del viraje.
Por esta razón el diseño de los escalones es tarea bien complicada
que afecta a la forma evolutiva en que cambia el escalón a medida
que este se acerca a las amuras y se separa de la crujía.
Algunos afirman que la absorción de aire y por tanto la creación de
la sustentación parcial de un colchón de aire produce un aumento de
velocidad de unos 6 nudos
(a igualdad de consumo y potencia de motorización), frente a un casco
convencional sin escalones y sin absorción de aire, lo cual es
difícil de asegurar...
Los detractores
Al
ser un tema sumamente empírico en donde todo está aún por demostrar,
otros diseñadores e ingenieros navales afirman que el diseño de
casco con escalones es una labor muy COMPLICADA y que produce
beneficios para navegar a un régimen muy específico de velocidad y
en donde un ligero cambio en la distribución de pesos puede dar al
traste con las ventajas. Un cambio en la forma de la carena en un
giro casi seguro eliminaría los beneficios y si el diseño es
inadecuado podría conducir a comportamientos peligrosos en altas
velocidades.
La
eficiencia de una superficie en planeo depende mucho de la “relación
de aspecto”. Por ejemplo, en un avión veremos que el ala es unas 10
veces más larga que su anchura (10:1), mientras que en un barco esta
relación de aspecto es justo lo contrario de por ejemplo (1:2), lo
cual es muy ineficaz.
En
una carena de planeo sin escalones, el diseñador puede “jugar” con
el ángulo de ataque, el centro de gravedad, el ángulo de pantoque, y
todo ello para cada sección transversal del casco. En una carena
escalonada se han de considerar todas estas variables y además
mantener el equilibrio entre el ángulo de ataque en cada tramo o
escalón en relación con la distancia desde cada escalón hasta la
parte trasera de la carena. Algo muy complicado y que solo
beneficiará a un régimen de velocidad concreto.
El
tema de introducir aire bajo la carena para reducir la resistencia
por viscosidad podría ser simplemente un “mito”. El casco es
empujado fuera del agua por la presión del agua y no por las
burbujas de aire. Las burbujas actúan como una interfase entre el
agua y el aire y de nuevo el agua, lo cual podría producir un
incremento en la fricción lejos de reducirla.
Respecto a los escalones múltiples, si están demasiado cerca entre
sí, el agua que llega al siguiente escalón es turbulenta y de “baja
densidad” debido al aireamiento del primer escalón lo cual conlleva
a una pérdida de sustentación en el escalón trasero, al no poder
modificarse el centro de gravedad del barco.
Barcos profesionales
Sin embargo, y a pesar de lo que opinen los detractores, los escalones tienen indudablemente un marcado
beneficio en el consumo y las prestaciones del barco, al navegar a
la velocidad para la cual ha sido optimizado el diseño del escalón.
En
general los barcos con escalones se comportan de forma muy diferente
a los casco de planeo sin escalones. Si no quiere sobresaltos o
sustos y prefiere un barco que perdone las malas maniobras, mejor
elija un casco de planeo normal.
Pero si
por el contrario busca el alto rendimiento especialmente a un
régimen de velocidad de crucero, un buen casco escalonado
puede hacerle ahorrar dinero en consumo y mejorar las prestaciones.
Las carenas con escalones cobran todo su sentido cuando prevemos
navegar por encima de los 25 nudos y en condiciones de mar y de
crucero muy concretas sin que tampoco sean previsibles notables
cambios en los centros de gravedad o velocidad de crucero.
Las carenas con escalones son
adecuadas para barcos profesionales que buscan optimizar el
rendimiento del combustible a cambio de verse obligados a navegar en
un marco de velocidades más estrecho y siempre por encima del planeo
para el cual han sido diseñados.
Saber más: Algunas patentes curiosas en
este enlace.
Artículos relacionados:
-
Supercavitación;
velocidad salvaje
-
Mejorar las prestaciones de tu lancha
-
Flaps; descubra sus secretos
-
Flaps; ¿Como utilizarlos?
-
¿Qué son los trims
compensadores?
-
Hull Vane; hidrofoil para ahorra mucho
combustible
-
Las proas invertidas