Aerodinámica. Teoría de la vela. Las fuerzas. Origen
09 noviembre 2013 18:00:23
En este artículo intento explicar como el efecto del paso del aire y agua alrededor de un obstáculo (en nuestro caso un buque de vela) partiendo de la propiedad física de los fluidos “aire” y “agua”: deformación continua bajo solicitaciones externas (choque con la vela o casco) y las propiedades cualitativas más destacables, movilidad entre las partículas que los constituyen (homogéneos, isótropos que no admiten discontinuidad), miscibilidad por la rápida disgregación de partículas de las diferentes zonas del fluido, compresibilidad o variación de volumen bajo esfuerzos normales y además que la intensidad de su presión no depende da la dirección.
La Mecánica de Fluidos es la disciplina científica que se ocupa de la interacción de los fluidos con su entorno, que puede dividirse en estática (fluidos en reposo) y dinámica (fluidos en movimiento).
Hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o gases a baja velocidad, en los que puede considerarse que no hay variaciones de densidad,
Aerodinámica se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son suficientemente apreciable para que sea necesario tener en cuenta los efectos de compresibilidad
La movilidad y la miscibilidad vienen determinadas como consecuencia de la propiedad más importante de un fluido: su deformabilidad continua bajo esfuerzos tangenciales. Un sólido sometido a un esfuerzo tangencial puede deformarse e incluso romper, en cambio un fluido sometido a un esfuerzo tangencial, se deforma continuamente, adquiriendo una velocidad de deformación que depende de la tensión aplicada y de las características del propio fluido. La deformación continua del fluido, da lugar a su movimiento, que se denomina flujo
A partir de estas consideraciones podemos dar como definición de fluido: sustancia a la que la aplicación de una tensión tangencial le provoca su movimiento, al que se le denomina flujo.
La otra propiedad característica de un fluido es su comportamiento ante esfuerzos normales de compresión, (deformación), disminuyendo su volumen; en el caso de los gases, las disminuciones de volumen son relativamente grandes, y en el caso de los líquidos, son relativamente pequeñas.En general los líquidos se denominan fluidos incompresibles y los gases fluidos compresibles.
Bien después de estas pequeñas disquisiciones teóricas que os pueden parecer farragosas pero que necesariamente tienen que ser introducción, como conclusión y entramos en harina: CUANDO UN FLUIDO SE ENCUENTRA EN MOVIMIENTO, LA VELOCIDAD DE LAS PARTÍCULAS VARÍA EN EL TRANSCURSO DEL TIEMPO AL IGUAL QUE EN EL ESPACIO. COMO CONSECUENCIA SE PRODUCEN ROTACIONES Y DEFORMACIONES DEL CAMPO DEL FLUIDO (TORBELLINOS)
Dentro de las turbulencias distinguiremos algunas beneficiosas. Por ejemplo viendo la estela en el arrastre de agua aparecen turbulencias que no giran todas en el mismo sentido, nos restan potencia. Si por el contrario, por un cambio de rumbo, asiento, reglaje vemos que una o varias turbulencias que giran en el mismo sentido se separan del casco no tienen por que ser perjudiciales, caso práctico: barco amurado a Br, la turbulencia girando en sentido de las agujas del reloj confiere al vela ligera en el momento de despegarse una fuerza propulsora. (Si timoneáis con el fin de avanzar en una encalmada veréis que estas son las que se forman por popa).
Hay otro tipo de turbulencias conocidas como ocultas, se producen cerca de una superficie por la velocidad de rotación sobre si mismas de las partículas fluidas, que desempeñan un importante papel en la distribución de esfuerzos y decisivo en la navegación a ciertos rumbos. Gracias a ellas se produce una fuerza de sustentación aerodinámica que interviene en la propulsión del barco
Generación de la fuerza de sustentación
La fuerza de sustentación es el parámetro básico de la mecánica de fluidos de un velero. Se genera por la diferencia de presión existente entre las dos cara de las velas, debido fundamentalmente a un fenómeno poco conocido que se denomina "circulación de velocidad".
La fuerza de sustentación
Las velas de los veleros, de igual modo que las alas de los aviones, generan una fuerza de sustentación que es debida a las diferencias de presión entre las caras opuestas de sus perfiles aerodinámicos.
Esta fuerza de sustentación es la que mantiene, en efecto, a los aviones en el aire y hace avanzar a los veleros contra el viento.
En la figura se puede ver como el empuje vélico de una vela navegando contra el viento se genera en una dirección más o menos perpendicular a la sección del perfil y, de este modo se puede descomponer en una componente perpendicular al flujo, la sustentación, y en otra en su misma dirección, la resistencia
El arte del trimado de un velero en ceñida consiste, desde un punto de vista aerodinámico, en obtener en todo momento la máxima sustentación y la mínima resistencia, puesto que esto es lo más rentable para la obtención de la máxima fuerza propulsiva y el mínimo abatimiento La descomposición vectorial del empuje vélico en sustentación y resistencia explica que el objetivo de un velero que navega en ceñida sea maximizar la primera y minimizar la segunda para lograr la máxima fuerza propulsiva hacia proa y el mínimo abatimiento.