Resistencia y Propulsion

RESISTENCIA Y PROPULSIN DE LA NAVE

Sobre el desarrollo histrico de la Propulsin Naval

Aunque no hay indicios de la manera mas primitiva en que el hombre se moviliz en el agua, los investigadores coinciden en que probablemente la embarcacin mas primitiva que el hombre haya usado habr sido un tronco, y que montado sobre ese tronco la primera propulsin habr sido la de sus propias manos actuando como remos.

Existen evidencias y pruebas de que sociedades primitivas se trasladaban en el agua con troncos y balsas conformadas por dos o mas troncos unidos , posteriormente canoas construidas con troncos vaciados. Una de las formas de propulsin mas primitiva que se registra cientficamente es el uso de prtigas para empujarse en aguas bajas o poco profundas, la cual, apoyada en el fondo le permita empujarse, (sistema que an se usa en algunas regiones). Y el siguiente avance , parece ser ya el remo.Naves egipcias Los barcos egipcios ms antiguos que se han pesquisado usaban propulsin mediante varios remos, como mnimo de 20 remeros. Ya en el 3000a.C., los barcos que ilustran las pinturas egipcias ms antiguas los muestran tambin equipados con un mstil del cual colgaban las velas. En los modelos posteriores se utilizaban mstiles sencillos y las velas se izaban mediante rodillos situados en lo alto del mstil. Naves fenicias Los constructores navales ms capacitados de los tiempos antiguos fueron los Fenicios, hacia el 2000a.C., La construccin ms significativa de los fenicios fue un buque de manga ancha que utilizaba velas en vez de remos y proporcionaba un espacio para el cargamento mucho mayor que las galeras estrechas. Los constructores de barcos fenicios son elogiados asimismo por haber desarrollado las galeras birremas y trirremas (2 y 3 corridas de remeros)

Galera Fenicia

Naves griegas Las galeras griegas estaban tambin equipadas con uno o dos mstiles para navegar a vela. Las velas no se usaban cuando la galera entraba en combate. La tripulacin de un buque de guerra griego se compona de unos 220 hombres aproximadamente, la mayora de los cuales se ocupaba de los remos.

Naves romanas Los romanos desarrollaron muchas clases diferentes de barcos de guerra durante su largo periodo de dominacin en el Mediterrneo, sobre todo galeras. Para el comercio, los romanos construyeron barcos de hasta 53m de eslora y 14m de manga. Estos grandes barcos de carga usaban velas como propulsin. Se aparejaban con velas cuadras en dos o tres palos y podan tener una gavia sobre la vela mayor.Vela cuadra : Velas principales con forma rectangular o trapezoidal Vela Gavia: vela cuadra de menor tamao que se coloca en las partes superiores del mstil En cuanto a naves de guerra los romanos desarrollaron el dromn, una galera rpida con una o dos corridas de remos y que se utilizaba en el siglo V de nuestra era. Dromn RomanoBuques nrdicos Entre los pueblos vikingos y daneses en Escandinavia se usaba una nave denominada dracr cuya propulsin era mediante remos y velas.

Dracr VikingoEl junco chino

Los chinos desarrollaron el junco, embarcacin que todava se utiliza en los pueblos del Sureste asitico. La propulsin era mediante velas confeccionadas con estrechas bandas horizontales de estera, aseguradas cada una a su propia lnea o escota de tal modo que cada vela poda extenderse o plegarse con rapidez.

Junco Chino (o actual Sampan)Embarcaciones posteriores Los buques comerciales en la Europa medieval eran en general diseos del tipo galeras romanas, pero utilizaban remos mucho ms largos. Con frecuencia estos remos medan hasta 15m y eran accionados por 7 remeros cada uno. Para conseguir mayor aprovechamiento de los remos largos, las chumaceras de los remos se montaban fuera del casco, similarmente a los botes o yolas de regatas actuales.

El buque de guerra tpico de la edad media fue la galera, las cuales tenan esloras de 30 a 60m y, por lo general, se impulsaban mediante 20 remos a cada costado, y velas aparejadas en dos o tres mstiles. Hasta el final de la edad media no haba una distincin clara entre buques comerciales y de guerra y se propulsaban principalmente con vela. Los buques destinados a la guerra usaban preferentemente remos. La propulsin a vela tomo auge en los aos 1400 despus de cristo (D.C.) poca en la que los pases Europeos iniciaron las conquistas. En los comienzos del sigloXV, diversas naciones empezaron a desarrollar tipos diferentes de embarcaciones para la guerra y el comercio. Un barco mercante tpico de la edad media fue la carraca, de tres mstiles, dos velas bajas cuadras en los palos trinquete y mayor, as como una vela latina (vela triangular).

Replica de una Carraca (Nao Victoria usada por H. de Magallanes)Buques de vela A finales de la edad media, el uso de remos para propulsin ya dio paso a la utilizacin exclusiva de velas. Ms tarde se desarrollaron en las naciones mediterrneas varias clases de buques de vela, entre ellos el galen; estos tipos de embarcaciones sustituyeron a las galeras a finales del sigloXVII.

GalenPrimeros tipos europeos Las naciones europeas desarrollaron muchos tipos de buques de vela. La carabela, tpica de Portugal y Espaa, que se aparejaba con tres o cuatro mstiles de los que slo el trinquete llevaba una vela cuadra, los otros palos portaban velas latinas.

La nave de guerra europea caracterstica durante los siglosXVI y XVII fue la que se dio en llamar buque mayor, que contaba con cuatro o cinco palos y gran cantidad de velas en diferentes disposiciones.

Otros buques de guerra mas pequeos en los siglosXVIII y XIX eran los bergantines, bergantines-goleta, goletas, cteres y lugres los cuales tambin usaban velas como propulsin.

Veleros americanos

En America, durante los 3 siglos posteriores a los viajes de Coln mantuvieron similar diseo y propulsin a vela similar a las carabelas , aunque aumentaron de tamao.

A mitad del siglo XIX se introdujo el diseo de los veleros tipo clper, que supuso un considerable avance en velocidad, pero fue ya cerca del final de la era de los buques propulsados a vela.La propulsin con vela en la actualidad

Actualmente la propulsin a vela se usa prcticamente solo en embarcaciones menores deportivas y buques de instruccin de algunas armadas.

La fuerza de empuje de las velas se genera mediante la presin del viento.

Las velas se disean para adoptar una cierta comba cuando es expuesta al viento y es la razn principal del porqu los veleros pueden navegar incluso con viento en contra.

Al tener un diseo con comba la vela en el flujo de aire adopta una forma similar a la de un perfil aerodinmico, y por ello genera alta presin en una cara y , baja presin en la cara opuesta igual que un perfil aerodinmico. Esta presin actuando sobre el rea de las velas (o, superficie vlica) genera una fuerza resultante que tiene una componente en la direccin de avance, como se explica a continuacin. NOTA: Ud debe estudiar sobre propulsin a vela en el archivo Sobre propulsin a vela.doc, que encontrar en la plataforma SIVEDUC.Propulsin con VaporLa primera ocasin en que se utiliz el vapor para propulsar un barco fue registrada en 1786; en ese ao, el inventor estadounidense John Fitch bot un pequeo barco de vapor en el ro Delaware. Pero un segundo barco de vapor se construy en 1788, el cual fue realmente el que dio el xito a la navegacin comercial con vapor; El inventor estadounidense Robert Fulton construy este primer buque a vapor, propulsado por ruedas de paletas laterales en 1807, (el buque Clairmont). Navo Clairmont (rueda de paletas laterales)

Rueda de Paletas en popaLas ruedas de paleta fueron posteriormente reemplazadas por las hlices. Entre los primeros intentos de aplicacin de la propulsin por hlice, se cuenta la construccin en 1804, por el inventor John Stevens, de un barco de vapor con dos hlices. Aunque obtuvo xito en varias pruebas, Stevens se desalent debido a dificultades en la construccin de la mquina, y no prosigui sus ensayos.

Fulton First (primer buque de guerra con propulsin a vapor , 1809)En 1836, el sueco John Ericsson y el britnico Francis Smith introdujeron, cada uno de ellos por caminos independientes, la hlice, que fue sometida a prueba en una serie de barcos, entre los que destac el navo britnico Great Britain, terminado en 1844. El buque tena 98,2m de eslora y una capacidad de carga de casi 3.550t. Innovaciones posteriores incluyeron la incorporacin de dos hlices, y ms tarde, de hasta tres y cuatro hlices para minimizar el peligro que poda provocar alguna falla.

En 1890 se realizaron los primeros ensayos para sustituir las mquinas a vapor por turbinas de vapor. La desventaja de la turbina era que constitua un mecanismo de alta velocidad de rotacin, pero esto se resolvi introduciendo un engranaje que reduca las revoluciones de la turbina, lo que permita que la turbina moviera la hlice a las revoluciones apropiadas, Esto constituyo la entrada del uso de los actuales reductores marinos.

Las instalaciones con turbinas de vapor no son muy comunes en la sala de mquinas de los buques modernos y tampoco usan vapor en su propulsin, excepto algunos buques cruceros y otros buques de guerra que usan sistemas turbo-elctricos que consiste en una turbina de vapor que acciona un generador elctrico el cual a su vez opera un motor elctrico que hace girar a la hlice. El accionamiento turbo-elctrico es muy flexible en su operacin, y elimina muchas de las dificultades mecnicas que acompaan el giro de las hlices mediante largos y pesados ejes de cola y por ello se est constituyendo en el sistema mas moderno de propulsin , el POD.

Al final de la dcada de 1950 se desarrollaron sistemas de propulsin con plantas de energa nuclear que proporcionaban vapor para propulsar tanto buques de guerra como mercantes. Sin embargo, los costos continan siendo ms altos que los de los sistemas convencionales.Buques con propulsin a motor El desarrollo del motor de combustin interna se produce a finales del sigloXIX.

En particular el motor diesel (desarrollado por Rudolf Diesel , ingeniero Aleman), posibilit el diseo de plantas de propulsin para buques, que eran mucho ms eficientes que las plantas de vapor convencionales. Los primeros buques con propulsin con motor se denominaron motonaves, trmino genrico que an suele usarse para referirse a los buques propulsados con motores diesel. La propulsin con motor diesel constituye en la actualidad del orden de 75% de la flota mundial.Naves especiales ( de efecto-superficie, mixtos y de hidroala)

En aos mas recientes se ha desarrollado un elevado nmero de nuevos diseos y sistemas de propulsin como resultado de una constante investigacin para conseguir un transporte ms eficiente (mas velocidad y menos potencia). Los buques convencionales se denominan buques de desplazamiento, porque todo su peso al flotar y navegar es soportado por el empuje hidrosttico; Por el contrario , las embarcaciones de alta velocidad pueden conseguir ser sustentadas parcialmente por el empuje hidrosttico y parcialmente por la presin del agua en su carena. La presin del agua sobre el fondo en embarcaciones de alta velocidad genera una fuerza llamada sustentacin dinmica que eleva parcial o totalmente la embarcacin en el agua (planeo). Si un barco se eleva fuera del agua, su resistencia al avance disminuye notoriamente por lo que pueden alcanzar grandes velocidades con una potencia relativamente baja.

Los avances ms recientes en ingeniera naval tratan de sustentar los cascos para aprovechar justamente esta condicin, (embarcaciones de planeo, semiplaneo, hydrofoils, overcrafts, etc)Estas aplicaciones se usan con frecuencia en pequeos barcos de pasajeros y otros ms pequeos que navegan mas bien en ros, canales, bahas o aguas protegidas.

En embarcaciones hydrofoils (hidroalas) se han alcanzado velocidades de ms de 100 nudos (185km/h).El Problema de la Resistencia y Propulsin Naval en la Actualidad

Los buques actualmente ocupan aproximadamente el 5 % de la produccin total de petrleo en el mundo.

El costo por consumo de combustible es uno de los mas importantes costos en la operacin comercial de un buque. Hay que tener en consideracin que el tamao de las naves y las potencias que usan en la actualidad son muy altas, (por ejemplo un buque porta containers de unos 200 mts de eslora puede usar un motor de 80 mil o de 100 mil HP de potencia para desarrollar unos 25 o 26 nudos de velocidad). El combustible que gasta un motor marino depende bsicamente de la potencia a la que opere, y cada marca y tipo de motor tiene gasto diferente el cual debe verse en su catlogo, sin embargo existe un coeficiente que est definido para evaluar el consumo de de los motres y que se denomina Consumo Especfico (Ce) y la mayora de los motores de similar valor de potencia suelen tener valores prximos. Por ejemplo los grandes motores marinos de buques mercantes tienen consumos especficos que oscilan alrededor de 0.11 y 0.14 (Kg/hp hr) (0.11 a 0.14 kilogramos por cada Hp de potencia y por cada Hora de funcionamiento), por tanto , por ejemplo , un motor de 50 mil Hp (L 170 a 180 mts), consumira aprox. unas 6 a 7 toneladas de combustible por cada hora de funcionamiento a max. potencia, (o sea , a max. velocidad).

Por supuesto que si navega a menor velocidad no usa toda la potencia del motor y por tanto el consumo de combustible por hora es mas bajo.Los motores de naves menores (con L entre 30 y 70 mts aprox.) tienen Consumo Especfico bastante mas altos, casi el doble, por ejemplo Ce 0.2 a 0.23 (kg/hp hr ), y en los motores de embarcaciones pequeas (L