Nomenclatura Náutica
Estabilidad
La estabilidad del barco
es un área de la arquitectura naval y el diseño de barcos que se ocupa de cómo se comporta un barco en el mar, tanto en aguas tranquilas como en olas, ya sea intacto o dañado. Los cálculos de estabilidad se centran en los centros de gravedad , los centros de flotabilidad , los metacentros de las embarcaciones y cómo interactúan.
Historia
La estabilidad del barco, en lo que respecta a la arquitectura naval, se ha tenido en cuenta durante cientos de años. Históricamente, los cálculos de estabilidad de los barcos se basaban en cálculos de reglas empíricas , a menudo vinculados a un sistema de medición específico. Algunas de estas ecuaciones muy antiguas continúan utilizándose en los libros de arquitectura naval de hoy. Sin embargo, el advenimiento de métodos basados en el cálculo para determinar la estabilidad, en particular la introducción de Pierre Bouguer del concepto de metacentro en la cuenca del modelo de barco de la década de 1740 , permite un análisis mucho más complejo.
Los maestros constructores navales del pasado utilizaron un sistema de diseño adaptable y variante. Los barcos a menudo se copiaban de una generación a la siguiente con solo cambios menores; al replicar diseños estables, generalmente se evitaban problemas graves. Los barcos de hoy todavía utilizan este proceso de adaptación y variación; sin embargo, la dinámica de fluidos computacional , las pruebas de modelos de barcos y una mejor comprensión general de los movimientos de fluidos y barcos han permitido un diseño mucho más analítico.
Los mamparos impermeables transversales y longitudinales se introdujeron en diseños acorazados entre 1860 y la década de 1880, los mamparos anticolisión se hicieron obligatorios en los buques mercantes de vapor británicos antes de 1860. Antes de esto, una brecha en el casco en cualquier parte de un buque podría inundar en toda su longitud. Los mamparos transversales, aunque costosos, aumentan la probabilidad de supervivencia del barco en caso de daño en el casco, al limitar las inundaciones a los compartimentos con brechas que separan de los que no están dañados. Los mamparos longitudinales tienen un propósito similar, pero deben tenerse en cuenta los efectos de la estabilidad dañada para eliminar el escoramiento excesivo . Hoy en día, la mayoría de los barcos tienen medios para igualar el agua en las secciones de babor y estribor (inundación cruzada), lo que ayuda a limitar las tensiones estructurales y los cambios en la escora y / o el asiento del barco.
¿Cómo es la estabilidad en los barcos?
La mayoría de los viajes que nosotros solemos hacer, son viajes de recreo o en líneas regulares, embarcados en buques que disponen de los equipos adecuados para hacer más llevadero el viaje. Su función principal es que el pasajero se preocupe únicamente de disfrutar del viaje , y no de mantenerse en pie agarrándose a las barandillas continuamente.
Pero como sabemos, un alto porcentaje de los navíos que hay día tras día surcando las aguas no son de recreo. Petroleros, portacontenedores y cargueros entre otros, se ocupan de transportar productos que necesitamos en nuestro día a día.
A diferencia de los buques de pasaje, estos tienen una estabilidad mucho peor , ya que en este caso, los pasajeros son trabajadores y no clientes. En este caso lo importante es la carga, y no los profesionales que ya están acostumbrados a los vaivenes que se producen a bordo. Aunque hay ciertos buques de este tipo que sí incluyen sistemas que minimizan estos movimientos.
Los movimientos que realiza el buque no son solamente culpa de la configuración de este, también entran en cuenta otros factores como olas, corrientes, vientos, aguas poco profundas, etc… lo que provoca tres rotaciones según los ejes: cabeceo (transversal), balanceo (longitudinal) y guiñada (vertical).
La cuestión que nos plantearemos será: “¿Qué sistemas hacen que estos movimientos no sean tan notorios?”
La respuesta es: los estabilizadores . En general son sistemas similares a las alas de un avión que hacen reducir el movimiento oscilante del buque , esto provoca que el barco vaya con mayor suavidad, reduciendo la posibilidad de mareo entre los pasajeros. Existen tanto fijos como móviles. Los más comunes son las aletas estabilizadoras retráctiles , que dependiendo de las condiciones ambientales en las que se encuentre el barco pueden ser desplegados o no, pudiéndose variar la inclinación según convenga en cada momento.
Sistemas de estabilidad complementarios
Los sistemas de estabilidad adicionales están diseñados para reducir los efectos de las olas y las ráfagas de viento. No aumentan la estabilidad de una embarcación en mares tranquilos. El Convenio internacional sobre líneas de carga de la Organización Marítima Internacional no cita los sistemas de estabilidad activa como un método para garantizar la estabilidad. El casco debe ser estable sin sistemas activos.
Sistemas pasivos
La sentina se encuentra sobre la quilla.
Quilla de sentina
Una quilla de sentina es una aleta metálica larga, a menudo en forma de V, soldada a lo largo del barco en el giro de la sentina. Las quillas de sentina se emplean en pares (una para cada lado del barco). En raras ocasiones, un barco puede tener más de una quilla de sentina por lado. Las quillas de sentina aumentan la resistencia hidrodinámica cuando un barco rueda, lo que limita la cantidad de balanceo.
Estabilizadores en un Trimarán
Estabilizadores
Se pueden emplear estabilizadores en embarcaciones para reducir el balanceo, ya sea por la fuerza requerida para sumergir los flotadores flotantes o por láminas hidrodinámicas. En algunos casos, estos estabilizadores son de tamaño suficiente para clasificar la embarcación como trimarán ; en otros buques, pueden denominarse simplemente estabilizadores.
Tanques deflectores
Tanques antivuelco
Los tanques antivuelco son tanques interiores equipados con deflectores para reducir la velocidad de transferencia de agua desde el lado de babor del tanque hasta el de estribor. Está diseñado para que una mayor cantidad de agua quede atrapada en el lado superior de la embarcación. Se pretende que tenga un efecto contrario al del efecto de superficie libre .
Paravanes
Los paravanes pueden ser empleados por embarcaciones de movimiento lento, como las embarcaciones de pesca, para reducir el balanceo.
Los paravanes se han utilizado en
pesca
deportiva o
comercial
, exploración e industria marina, deportes y militares. Las alas de los paravanes a veces están en una posición fija, de lo contrario se colocan de forma remota o por acciones de un piloto humano. El desarrollador pionero de parafoil
Domina Jalbert
consideraba que las cometas de agua no eran diferentes de las cometas de aire.
Sin embargo, los paravanes generalmente se orientan con respecto a la superficie del agua. Pueden tener sensores que registren o transmitan datos o se usen por completo para generar una fuerza de sujeción como lo hace un
ancla de mar
. Mientras que un ancla de mar permite que un barco se desplace más lentamente a favor del viento, el paraván viaja de lado a varias veces la velocidad a favor del viento. Los paravanes son, como las cometas de aire, a menudo simétricos en un eje y viajan en dos direcciones, el cambio se efectúa trasluchando, desviando o volteando.
Aplicaciones militares
El arma paraván fue desarrollada por el inventor británico Sir Dennistoun Burney como un medio para barrer las minas enemigas. Remolcado detrás de un barco, el cable paraván cortaría el cable de amarre de la mina o uniría la mina y el paraván, detonando la mina. Hay paravanes ofensivos y defensivos. Hay paravanes principales y paravanes protectores auxiliares. Algunos paravanes están equipados con cortadores de cables que cortan las minas amarradas. Los paravanes explosivos son esencialmente una mina remolcable o controlable. El Departamento de Defensa de EE. UU. Sigue interesado en paravanes.
Paravane barrido de minas
Resumen: Un paravane incluye un fuselaje alargado; una sección de ala de miembros de ala espaciados unidos a una porción intermedia del fuselaje; aletas estabilizadoras para mantener el paraván alineado con la dirección de remolque; una aleta de control de profundidad colocada adyacente a la sección de ala y que tiene un eje de pivote que se extiende muy cerca del punto de remolque; y medios de control de profundidad para controlar la posición de la aleta de control. Los miembros de ala tienen una parte de borde de ataque recta, una parte de borde de salida recta y una parte intermedia curva en la que los miembros de ala están dispuestos de manera que las líneas de cuerda se extienden en ángulos oblicuos con el eje longitudinal del fuselaje y de tal manera que la fuerza de sustentación hidrodinámica resultante El vector que actúa sobre la sección del ala pasa a través del punto de remolque. Departamento de Marina, Washington, DC; 7 de agosto de 1984
Bajando el Diverta Paravane del
HMS
Bentinck
, frente a
Greenock
Casco del
monitor de
clase Gorgona
HMS Glatton
en dique seco, mostrando el bulto y las cadenas de paraván en la proa.
Paravane a bordo del USS Texas en el sitio histórico estatal del campo de batalla de San Jacinto , Texas
Un paravane bajado al mar desde un buque de guerra australiano en 1940.
En la ciencia
Pontoon paravane (analogía con la cometa kytoon de cometa de aire) utilizado en investigaciones de conjuntos sísmicos. Los paravanes se utilizan para tomar muestras de la química del agua; El kite controlado a profundidades específicas permite a los científicos mapear las cualidades del agua en los océanos y lagos del mundo. Un vehículo de instrumentos remolcado para el muestreo de aguas profundas
Se coloca una serie de alas de paravanes de pontones para que cada cometa de agua se posicione de manera que no interfiera con las demás. Un uso ha sido la tenencia de instrumentos sísmicos.
Pontoon paravane (analogía con la cometa kytoon de cometa de aire) utilizado en investigaciones de conjuntos sísmicos.
Sistemas activos
Los sistemas de estabilidad activa, que se encuentran en muchas embarcaciones, requieren que se aplique energía al sistema en forma de bombas, pistones hidráulicos o actuadores eléctricos. Incluyen aletas estabilizadoras unidas al costado del recipiente o tanques en los que se bombea fluido para contrarrestar el movimiento del recipiente.
Aletas estabilizadoras
Los estabilizadores de aleta activos reducen el balanceo que experimenta una embarcación mientras navega o, más recientemente, mientras está en reposo. Se extienden más allá del casco de la embarcación por debajo de la línea de flotación y alteran su ángulo de ataque según el ángulo de escora y la velocidad de balanceo de la embarcación, operando de manera similar a los alerones de los aviones . Los cruceros y yates utilizan con frecuencia este tipo de sistema de estabilización.
Cuando las aletas no son retráctiles, constituyen apéndices fijos al casco, posiblemente extendiendo la manga o la envolvente de calado y requiriendo atención para un espacio adicional del casco.
Aleta de Quilla de achique
Si bien el estabilizador típico de "aleta activa" contrarresta eficazmente el balanceo de los barcos en marcha, algunos sistemas modernos de aletas activas pueden reducir el balanceo cuando los barcos no están navegando. Conocidos como velocidad cero o estabilización en reposo, estos sistemas funcionan moviendo aletas especialmente diseñadas con suficiente aceleración y sincronización de impulsos para crear una energía de cancelación de balanceo efectiva.
En las pruebas, este sistema pudo reducir el balanceo a 3 grados en los mares más agitados. Uno de los barcos más famosos que utilizó por primera vez un giroscopio anti-balanceo fue el transatlántico italiano.SS Conte di Savoia , que navegó por primera vez en noviembre de 1932. Tenía tres volantes que tenían 13 pies de diámetro y pesaban 108 toneladas.
Estabilización de balanceo del timón
En caso de que un barco esté navegando, un cambio rápido de timón no solo iniciará un cambio de rumbo, sino que también hará que el barco se balancee. Para algunos barcos, como las fragatas, este efecto es tan grande que puede ser utilizado por un algoritmo de control para dirigir simultáneamente el barco mientras reduce sus movimientos de balanceo. Este sistema se denomina habitualmente " Sistema de estabilización de balanceo del timón ". Su eficacia puede ser tan buena como la de las aletas estabilizadoras. Sin embargo, eso depende de la velocidad del barco (cuanto más alto, mejor) y de varios aspectos del diseño del barco, como la posición, el tamaño y la calidad del sistema de posicionamiento del timón (se comporta tan rápido como una aleta estabilizadora).
Aleta Retractil
También es importante la rapidez con la que el barco responderá a los movimientos del timón con movimientos de balanceo (rápido es mejor) y velocidad de giro (lento es mejor). A pesar de los altos costos del mecanismo de gobierno de alta calidad y el fortalecimiento de la popa del barco, esta opción de estabilización ofrece una mejor economía que las aletas estabilizadoras. Requiere menos instalaciones, es menos vulnerable y causa menos arrastre. Aún mejor, los componentes de alta calidad requeridos proporcionan excelentes propiedades de dirección también para aquellos períodos en los que no se requiere reducción de balanceo y una reducción significativa del ruido submarino. Los buques de la Armada conocidos con esta solución de estabilización son F124 (Alemania), M-fregat y LCF (ambos de la Armada holandesa).
Estabilizadores internos giroscópicos
Los estabilizadores giroscópicos consisten en un volante giratorio y una giroscópica que impone un par de adrizamiento del barco en la estructura del casco. El momento angular del volante del giróscopo es una medida de la medida en que el volante continuará girando alrededor de su eje a menos que actúe sobre él un par externo. Cuanto mayor sea el momento angular, mayor será la fuerza de resistencia del giróscopo al par externo (en este caso, mayor capacidad para cancelar el balanceo del bote).
Un giroscopio tiene tres ejes: un eje de giro, un eje de entrada y un eje de salida. El eje de giro es el eje alrededor del cual gira el volante y es vertical para un giroscopio de barco. El eje de entrada es el eje sobre el que se aplican los pares de entrada. Para un barco, el principal eje de entrada es el eje longitudinal del barco, ya que ese es el eje alrededor del cual rueda el barco. El eje de salida principal es el eje transversal (transversal) alrededor del cual el giróscopo gira o precesa en reacción a una entrada.
Estabilizador giroscopios de 3 ejes
Cuando la embarcación rueda, la rotación actúa como una entrada al giroscopio, lo que hace que el giroscopio genere una rotación alrededor de su eje de salida de manera que el eje de giro gire para alinearse con el eje de entrada. Esta rotación de salida se llama precesión y, en el caso de la embarcación, el giróscopo girará hacia adelante y hacia atrás sobre el eje de salida o cardán.
El impulso angular es la medida de la eficacia de un estabilizador giroscópico, análoga a la potencia nominal de un motor diésel o kilovatios en un generador. En las especificaciones de los estabilizadores giroscópicos, el momento angular total ( momento de inercia multiplicado por la velocidad de giro) es la cantidad clave. En los diseños modernos, el par de torsión del eje de salida se puede utilizar para controlar el ángulo de las aletas estabilizadoras (ver arriba) para contrarrestar el balanceo de la embarcación, de modo que solo se necesita un pequeño giroscopio. La idea de un giróscopo que controla los estabilizadores de aleta de un barco fue propuesta por primera vez en 1932 por un científico de General Electric , el Dr. Alexanderson. Propuso un giróscopo para controlar la corriente a los motores eléctricos en las aletas estabilizadoras, con las instrucciones de activación generadas por tubos de vacío de tiratrón .
Por lo explicado anteriormente, los buques en los que montamos van a tener todas las medidas necesarias para ser lo más confortables posibles. Aun así hay personas que todavía sufren mareos durante sus vacaciones en cruceros. Hagámonos la pregunta, ¿si nosotros lo pasamos mal, cómo lo pasarán los pescadores que salen a faenar en días con mala mar, con buques pequeños sin grandes alardes tecnológicos a bordo?
La respuesta es fácil, existe un proceso de adaptación en el cual seguramente tengan dificultades para realizar sus tareas con éxito, e incluso lo pasarán mal para mantener el equilibrio. Una vez pasado este periodo, su cuerpo se acostumbra y el mareo, cuyo componente psicológico es bastante alto, desaparecerá.
Calculo de Estabilidad
Calculo de Estabilidad I
Calculo de Estabilidad II
Calculo de Estabilidad III
Condiciones de estabilidad calculadas
Cuando se diseña un casco, se realizan cálculos de estabilidad para los estados intactos y dañados del buque. Los barcos generalmente están diseñados para exceder ligeramente los requisitos de estabilidad (a continuación), ya que generalmente son probados para esto por una sociedad de clasificación .
Diagrama de estabilidad del barco que muestra el centro de gravedad (G), el centro de flotabilidad (B) y el metacentro (M) con el barco en posición vertical y escorado hacia un lado. Mientras la carga de un barco permanezca estable, G es fijo. Para ángulos pequeños, M también se puede considerar fijo, mientras que B se mueve como escora del barco.
Estabilidad intacta
Los cálculos de estabilidad intacta son relativamente sencillos e implican tomar todos los centros de masa de los objetos en la embarcación que luego se computan / calculan para identificar el centro de gravedad de la embarcación y el centro de flotabilidad del casco. Por lo general, se tienen en cuenta los arreglos y cargas de carga, las operaciones de la grúa y los estados del mar de diseño. El diagrama de la derecha muestra que el centro de gravedad está muy por encima del centro de flotabilidad, pero el barco permanece estable. El barco es estable porque cuando comienza a escorar, un lado del casco comienza a elevarse del agua y el otro lado comienza a sumergirse. Esto hace que el centro de flotabilidad se desplace hacia el lado que está más abajo en el agua. El trabajo del arquitecto naval es asegurarse de que el centro de flotabilidad se desplace fuera de borda del centro de gravedad cuando el barco escora. Una línea trazada desde el centro de flotabilidad en una condición ligeramente inclinada verticalmente se cruzará con la línea central en un punto llamado metacentro. Siempre que el metacentro esté más arriba de la quilla que el centro de gravedad, el barco es estable en una condición vertical.
Estabilidad frente al daño (estabilidad en estado dañado)
Los cálculos de estabilidad ante daños son mucho más complicados que la estabilidad intacta. Por lo general, se emplea software que utiliza métodos numéricos porque las áreas y los volúmenes pueden volverse tediosos y largos de calcular rápidamente utilizando otros métodos.
La pérdida de estabilidad por inundación puede deberse en parte al efecto de superficie libre. El agua que se acumula en el casco por lo general se drena a las sentinas, bajando el centro de gravedad y en realidad disminuyendo (debería leerse como aumentando, ya que el agua agregará como peso de fondo allí al aumentar GM) la altura metacéntrica . Esto supone que el barco permanece inmóvil y en posición vertical. Sin embargo, una vez que el barco se inclina en algún grado (una ola lo golpea, por ejemplo), el líquido de la sentina se mueve hacia el lado bajo. Esto da como resultado una lista .
La estabilidad también se pierde en las inundaciones cuando, por ejemplo, un tanque vacío se llena con agua de mar. La flotabilidad perdida del tanque hace que esa sección del barco descienda ligeramente al agua. Esto crea una lista a menos que el tanque esté en la línea central de la embarcación.
En los cálculos de estabilidad, cuando se llena un tanque, se supone que su contenido se pierde y es reemplazado por agua de mar. Si estos contenidos son más livianos que el agua de mar (petróleo liviano, por ejemplo), entonces se pierde flotabilidad y la sección desciende ligeramente en el agua en consecuencia.
Para los buques mercantes, y cada vez más para los buques de pasaje, los cálculos de estabilidad de avería son de naturaleza probabilística. Es decir, en lugar de evaluar el barco en busca de fallas en un compartimento, también se evaluará una situación en la que dos o hasta tres compartimentos estén inundados. Se trata de un concepto en el que la posibilidad de que un compartimento resulte dañado se combina con las consecuencias para el buque, lo que da como resultado un índice de estabilidad frente a averías que debe cumplir determinadas normativas.
Estabilidad requerida
Para ser aceptables para sociedades de clasificación como Bureau Veritas , American Bureau of Shipping , Lloyd's Register of Ships , Korean Register of Shipping y Det Norske Veritas , los planos del barco deben proporcionarse para revisión independiente por parte de la sociedad de clasificación. También deben proporcionarse cálculos que sigan una estructura descrita en las reglamentaciones del país en el que el barco pretende tener bandera.
En este marco, los diferentes países establecen requisitos que deben cumplirse. Para las embarcaciones con bandera estadounidense, los planos y los cálculos de estabilidad se comparan con el Código de Regulaciones Federales de los EE. UU. Y la Convención Internacional para la Seguridad de la Vida Humana en el Mar (SOLAS). Se requiere que los barcos sean estables en las condiciones para las que están diseñados, tanto en estado intacto como dañado. El alcance del daño requerido para diseñar está incluido en las regulaciones. El agujero supuesto se calcula como fracciones de la eslora y la manga de la embarcación, y debe colocarse en el área de la embarcación donde causaría el mayor daño a la estabilidad de la embarcación.
Además, las reglas de la Guardia Costera de los Estados Unidos se aplican a los buques que operan en puertos y aguas estadounidenses. Generalmente, estas reglas de la Guardia Costera se refieren a una altura metacéntrica mínima o un momento adrizante mínimo. Debido a que diferentes países pueden tener diferentes requisitos para la altura metacéntrica mínima, la mayoría de los barcos ahora están equipados con computadoras de estabilidad que calculan esta distancia sobre la marcha en función de la carga o la carga de la tripulación. Hay muchos programas informáticos disponibles comercialmente que se utilizan para esta tarea.
Embarcaciones a motor y veleros
Un estabilizador describe cualquier aparejo flotante contrapuesto más allá del costado ( borda ) de un barco para mejorar la estabilidad del barco. Si se usa un solo estabilizador, generalmente, pero no siempre, es a barlovento . La tecnología fue desarrollada originalmente por el pueblo austronesio . Hay dos tipos principales de embarcaciones con estabilizadores: estabilizadores dobles (frecuentes en el sudeste asiático marítimo ) y estabilizadores simples (frecuentes en Madagascar , Melanesia , Micronesia y Polinesia ). Los barcos multicasco también se derivan de barcos con estabilizadores.
En una canoa con estabilizadores y en veleros como el proa , un estabilizador es un casco delgado, largo y sólido que se utiliza para estabilizar un casco principal inherentemente inestable.
Alivio del templo de
Borobudur
(siglo VIII d.C.) en
Java Central
,
Indonesia
, mostrando un barco con estabilizador
El estabilizador se coloca rígidamente y paralelo al casco principal de modo que es menos probable que el casco principal vuelque . Si solo se usa un estabilizador en un barco, su peso reduce la tendencia a volcar en una dirección y su flotabilidad reduce la tendencia en la otra dirección.
En un barco de quilla , "estabilizador" se refiere a una variedad de estructuras mediante las cuales el aparejo de funcionamiento (como una escota ) se puede unir fuera de borda (fuera de los límites laterales) del casco del barco . Las Reglas de Regatas de Vela generalmente prohíben tales estabilizadores, aunque están explícitamente permitidos en clases específicas, como el IMOCA Open 60 utilizado en varias regatas importantes en alta mar.