Resistencia a la formación de olas

La resistencia a la formación de olas es una forma de arrastre que afecta a las embarcaciones de superficie, como botes y barcos, y refleja la energía necesaria para empujar el agua fuera del camino del casco. Esta energía se utiliza para crear la ola.

En el caso de cascos de pequeño desplazamiento , como veleros o botes de remos, la resistencia a la formación de olas es la principal fuente de arrastre de la embarcación marina .

Una propiedad destacada de las olas en el agua es su capacidad de dispersión, es decir, cuanto mayor sea la longitud de onda, más rápido se desplazará. Las olas generadas por un barco se ven afectadas por su geometría y velocidad, y la mayor parte de la energía que proporciona el barco para generar olas se transfiere al agua a través de las partes de proa y popa. En términos simples, estos dos sistemas de olas, es decir, las olas de proa y popa, interactúan entre sí, y las olas resultantes son responsables de la resistencia. Si la ola resultante es grande, aleja mucha energía del barco, llevándola a la orilla o a cualquier otro lugar donde termine la ola o simplemente disipándola en el agua, y esa energía debe ser suministrada por la propulsión (o momento) del barco, de modo que el barco la experimente como resistencia. Por el contrario, si la ola resultante es pequeña, la resistencia experimentada es pequeña.

La cantidad y dirección (aditiva o sustractiva) de la interferencia depende de la diferencia de fase entre las olas de proa y popa (que tienen la misma longitud de onda y velocidad de fase), y eso es una función de la longitud del barco en la línea de flotación. Para una velocidad de barco dada, la diferencia de fase entre la ola de proa y la ola de popa es proporcional a la longitud del barco en la línea de flotación. Por ejemplo, si el barco tarda tres segundos en recorrer su propia longitud, entonces en algún punto en el que pasa, se inicia una ola de popa tres segundos después de una ola de proa, lo que implica una diferencia de fase específica entre esas dos olas. Por lo tanto, la longitud de la línea de flotación del barco afecta directamente la magnitud de la resistencia a la formación de olas.

Para una determinada longitud de línea de flotación, la diferencia de fase depende de la velocidad de fase y de la longitud de onda de las olas, y estas dependen directamente de la velocidad del barco. En el caso de una ola en aguas profundas, la velocidad de fase es la misma que la velocidad de propagación y es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de onda . Esa longitud de onda depende de la velocidad del barco.

Por lo tanto, la magnitud de la resistencia a la formación de olas es una función de la velocidad del barco en relación con su longitud en la línea de flotación.

Una forma sencilla de considerar la resistencia a la formación de olas es observar el casco en relación con las olas de proa y popa. Si la longitud de un barco es la mitad de la longitud de las olas generadas, la ola resultante será muy pequeña debido a la cancelación, y si la longitud es la misma que la longitud de onda, la ola será grande debido al refuerzo.

La velocidad de fase de las ondas viene dada por la siguiente fórmula:${\estilo de visualización c}$

${\displaystyle c={\sqrt {{\frac {g}{2\pi }}l}}}$

donde es la longitud de onda y la aceleración gravitacional. Sustituyendo el valor apropiado para se obtiene la ecuación:${\estilo de visualización l}$${\estilo de visualización g}$${\estilo de visualización g}$

${\displaystyle {\mbox{c en nudos}}\approx 1.341\times {\sqrt {\mbox{longitud en pies}}}\approx {\frac {4}{3}}\times {\sqrt {\mbox{longitud en pies}}}}$

o, en unidades métricas :

${\displaystyle {\mbox{c en nudos}}\approx 2,429\times {\sqrt {\mbox{longitud en m}}}\approx {\sqrt {6\times {\mbox{longitud en m}}}}\approx 2,5\times {\sqrt {\mbox{longitud en m}}}}$

Estos valores, 1,34, 2,5 y el muy fácil 6, se utilizan a menudo en la regla general de velocidad del casco que se utiliza para comparar las velocidades potenciales de los cascos de desplazamiento, y esta relación también es fundamental para el número de Froude , utilizado en la comparación de diferentes escalas de embarcaciones.

Cuando el buque supera una " relación velocidad-longitud " (velocidad en nudos dividida por la raíz cuadrada de la longitud en pies) de 0,94, comienza a superar la mayor parte de su ola de proa ; el casco en realidad se asienta ligeramente en el agua, ya que ahora solo está sostenido por dos picos de ola. A medida que el buque supera una relación velocidad-longitud de 1,34, la longitud de onda ahora es más larga que el casco y la popa ya no está sostenida por la estela, lo que hace que la popa se agache y la proa se eleve. El casco ahora está comenzando a escalar su propia ola de proa y la resistencia comienza a aumentar a un ritmo muy alto. Si bien es posible impulsar un casco de desplazamiento más rápido que una relación velocidad-longitud de 1,34, es prohibitivamente costoso hacerlo. La mayoría de los buques grandes operan a relaciones velocidad-longitud muy por debajo de ese nivel, a relaciones velocidad-longitud de menos de 1,0.

Dado que la resistencia a la formación de olas se basa en la energía necesaria para empujar el agua fuera del camino del casco, hay varias formas de minimizarla.

Reducir el desplazamiento de la embarcación, eliminando el exceso de peso, es la forma más sencilla de reducir la resistencia al avance de las olas. Otra forma es dar forma al casco para generar sustentación a medida que se desplaza por el agua. Los cascos de semidesplazamiento y los cascos de planeo lo hacen, y pueden superar la barrera de velocidad del casco y pasar a un ámbito en el que la resistencia aumenta a un ritmo mucho menor. La desventaja de esto es que el planeo solo es práctico en embarcaciones más pequeñas, con altas relaciones potencia-peso, como las lanchas motoras. No es una solución práctica para una embarcación grande como un superpetrolero .

Un casco con una proa roma tiene que empujar el agua muy rápidamente para pasar a través de él, y esta alta aceleración requiere grandes cantidades de energía. Si se utiliza una proa fina , con un ángulo más agudo que empuje el agua hacia afuera de manera más gradual, la cantidad de energía necesaria para desplazarla será menor. Una variación moderna es el diseño perforador de olas . La cantidad total de agua que se desplaza con un casco en movimiento, y que por lo tanto causa la resistencia que genera las olas, es el área de la sección transversal del casco multiplicada por la distancia que recorre el casco, y no permanecerá igual cuando se aumente el coeficiente prismático para la misma longitud de onda, el mismo desplazamiento y la misma velocidad.

En los grandes buques a motor se suele utilizar un tipo especial de proa, denominada proa bulbosa , para reducir la resistencia que genera la formación de olas. La proa bulbosa altera las olas generadas por el casco, modificando la distribución de la presión delante de la proa. Debido a la naturaleza de su interferencia destructiva con la ola de proa, existe un rango limitado de velocidades del buque en el que es eficaz. Una proa bulbosa debe estar diseñada adecuadamente para mitigar la resistencia a la formación de olas de un casco en particular en un rango particular de velocidades. Una proa bulbosa que funcione para la forma del casco de un buque y un rango de velocidades podría ser perjudicial para una forma de casco diferente o un rango de velocidad diferente. Por lo tanto, al diseñar una proa bulbosa es necesario un diseño adecuado y el conocimiento de las velocidades y condiciones operativas previstas de un buque.

Si el casco está diseñado para funcionar a velocidades sustancialmente inferiores a la velocidad máxima del casco , es posible refinar la forma del casco a lo largo de su longitud para reducir la resistencia a las olas a una velocidad determinada. Esto es práctico solo cuando el coeficiente de bloque del casco no es un problema importante.

Dado que los cascos de semidesplazamiento y planeamiento generan una cantidad significativa de sustentación durante su funcionamiento, son capaces de romper la barrera de la velocidad de propagación de las olas y operar en ámbitos de resistencia mucho menor, pero para ello deben ser capaces de superar primero esa velocidad, lo que requiere una potencia significativa. Esta etapa se denomina etapa de transición y en ella la tasa de resistencia a la formación de olas es la más alta. Una vez que el casco supera la joroba de la ola de proa, la tasa de aumento de la resistencia a la ola comenzará a reducirse significativamente. ^[1] El casco de planeamiento se elevará despejando su popa del agua y su asiento será alto. La parte submarina del casco de planeamiento será pequeña durante el régimen de planeamiento. ^[2]

Una interpretación cualitativa del diagrama de resistencia de las olas es que un casco de desplazamiento resuena con una ola que tiene una cresta cerca de su proa y un valle cerca de su popa, porque el agua es empujada hacia afuera en la proa y retraída en la popa. Un casco de planeo simplemente empuja hacia abajo el agua debajo de él, por lo que resuena con una ola que tiene un valle debajo de él. Si tiene aproximadamente el doble de longitud, entonces tendrá solo la raíz cuadrada (2) o 1,4 veces la velocidad. En la práctica, la mayoría de los cascos de planeo suelen moverse mucho más rápido que eso. A cuatro veces la velocidad del casco, la longitud de onda ya es 16 veces más larga que el casco.

• Resistencia y propulsión del buque
• Casco (embarcación)#Categorización
• Velocidad del casco

• Sobre el tema de los monocascos de alta velocidad, Daniel Savitsky, profesor emérito del Laboratorio Davidson del Instituto Tecnológico Stevens