La física de la navegación (parte 3)

Entre el agua y el aire
Teoría de la ruta
Resumiendo lo último que  habíamos visto diríamos que: la fuerza aerodinámica total aplicada al centro vélico – que es el centro de empuje aerodinámico del velero – puede ser descompuesta en empuje aerodinámico Pa (perpendicular al viento aparente) y resistencia aerodinámica Ra (en la misma dirección del viento); de estas dos componentes se podría calcular la fuerza de propulsión o fuerza propulsiva Fp (orientada en la dirección de la navegación del barco, de su ruta verdadera o su derrota verdadera (Rv) y la fuerza aerodinámica lateral Fa (que es perpendicular a la fuerza responsable de la escora y la deriva.
Ya en la fase de proyectos se busca maximizar la fuerza de propulsión, y no necesariamente el empuje que podría causar un aumento contemporáneo y contraproducente de la escora y la deriva.  Nótese que los parámetros característicos de la vela y la aerodinámica permiten determinar los valores de potencia y resistencia, por lo tanto obtener o calcular previamente la Fuerza de Propulsión Fp que es detrás de lo cuál deben concentrarse los fabricantes y usuarios en función del ángulo entre la dirección del viento aparente y la ruta verdadera.
Con una vela entonces, generamos fuerza aerodinámica útil para trasladarse. Pero no basta.  Necesitamos además alguna cosa debajo del pelo del agua, no es verdad? Si nos limitáramos a una vela podremos hasta el momento sólo andar viento abajo y sería sin control de dirección.  Pensemos en la enorme dificultad que era llevar el timón de una carabela donde varios hombres bajo cubierta luchaban en grupos y por turnos con el sistema de mando de un enorme balandro que corría a puro empuje y con una deficiente obra viva. 
Contaremos entonces en vez de acudir a  nuestro libre albedrío, con dotarnos de un apéndice debajo de la superficie del agua.  Una orza, una deriva, un quillote. Y ¿cómo  funciona?  En esencia, sustancialmente funciona muy similar a la misma vela.
Nuestra deriva es una superficie sumergida debajo del casco a lo largo de la dirección proa-popa.  Recordando que el movimiento del velero produce un pequeño ángulo de abatimiento, el ángulo de abatimiento, en dirección de la ruta verdadera.  Pues entonces, la deriva (o plano de resistencia al movimiento lateral) se comporta como un ala con un cierto ángulo de incidencia respecto a la dirección del agua que corre a lo largo de su superficie, y aquí se produce una fuerza hidrodinámica que es capaz de equilibrar la componente transversal producida por la vela sobre el aire.
La fuerza de compresión producida por la quilla, orza o cualesquiera que fuese nuestro casco, tendrá una componente perpendicular a la derrota verdadera que es el empuje hidrodinámico (Eh) y una más en sentido opuesto a la fuerza de propulsión que es la resistencia hidrodinámica (Rh).  Entonces lo que impide a un casco irse de ronza o andar lateralmente no es sólo la resistencia directa de la deriva que produce bajo el agua al movimiento lateral del casco, si bien la fuerza hidrodinámica (Fh) casi perpendicular al plano de deriva, produce su pequeño ángulo de incidencia respecto del flujo del agua.  Tanto que en un barco quieto con un viento de través va abatiendo de lado hasta que alcanza una velocidad suficiente para iniciar el fenómeno del empuje con un flujo laminar de agua sobre el plano de deriva.  Vela y plano de deriva por lo tanto, producen cada uno un efecto de empuje –de origen aerodinámico uno e hidrodinámico el otro- que a régimen se contrabalancean obteniendo un efecto neto hacia la proa que permite así que el barco avance. Se ha dicho así que incrementando la velocidad, el viento aparente aumenta y se corre siempre hacia proa, ¿hasta qué punto se puede aprovechar entonces? Fue demostrado lo que podemos llamar el “Teorema de la ruta”.    Determina el ángulo límite entre el viento aparente y el “camino” del barco en función de cuánto puede el barco avanzar sobre el aire.
Hay un ángulo (de resistencia) que está metido entre la dirección del empuje y la dirección de la fuerza total.  Indica en qué grado la fuerza sobre una vela o un plano de deriva apuntan en la dirección del flujo relativo.
A primera vista puede resultar banal: a fin de cuentas se dice que más eficiente es la superficie vélica o plano vélico y el de la deriva respectivamente cuánto más el barco “apreta” el viento.  Más no solamente la fuerza de resistencia puede ser puesta en relación  a la misma velocidad, indicando que cuando más veloz es el viento más en qué dirección podemos navegar para obtener la máxima velocidad.  Verían los físicos y los navegantes que coinciden en que igual que este “Teorema” es posible determinar por cálculo o por sensibilidad en el timón, el valor óptimo de esos dos ángulos y obtener una relación de aprovechamiento máximo de su fuerza de propulsión.
“…¡no lo mates…! “ o  “..llevalo más pinchadito!!”  ; “ …dale de comeeer, cheee…así no camina!” o  “…estamos ahogados, fiiiiileeen burros!!...” y otros gritos algunos más comunes que otros la mayoría hemos escuchado pisando casi cualquier cubierta un día que queríamos andar y la cosa no se encontraba más que probando y tocando cuando el trimmer no está afilado de antemano o duerme pensando en otra regata.
En conclusión, una relación extremadamente importante para un proyecto es la de llevar a niveles óptimos el punto de navegación en el espacio para estos parámetros de avance y resistencia de las dos alas del barco, la que llevamos bajo el mar y la que llevamos en el viento.  Para esto los diseñadores utilizan sofisticados modelos físico-matemáticos para mantener una relación provechosa de casco y arboladura. 
Los barcos más eficientes llegan a alcanzar ángulos inferiores a los 30 grados.  Pero no se entusiasmen con esos números pequeños y ajustados porque las estadísticas demuestran que un barco a vela navega cerca del 55 por ciento del tiempo en ángulos de la amura o sea de ceñida o al menos provenientes de la proa y algo más “caidito” que la ceñida; mientras que el 45 por ciento del tiempo va navegando más gordito, perdón… con vientos del través o largos y hasta cercanos a la popa.

Multicascos
¿Cuáles son los barcos a vela que llegan a desarrollar más velocidad?  Independientemente de los agónicos requerimientos de regata y sus sacrificios físicos, es importante subrayar que una mayor velocidad representa o puede representar un factor de velocidad en navegación porque puede permitir alejarse a mayor velocidad de una zona de riesgo.  Para alcanzar velocidades más elevadas tendremos que aumentar la superficie vélica, el “motor” del barco y conjuntamente incrementar el lastre para limitar la escora, y así al mismo tiempo comprimir con la pala del timón para compensar y finalmente estamos metiendo un freno queriendo acelerar estamos metiendo el pie en el freno llamado pala del timón.
Parece una paradoja, no? Pues ¿cómo salir? Veamos: como salieron durante muchos siglos atrás en la India y en la Polinesia: con una modificación sustancial de diseño, inventando para ellos los catamaranes y trimaranes que fueron los primeros multicascos.
Ahora los protagonistas de la última Copa del América 2010, una embarcación construida de dos o tres cascos paralelos adopta un concepto de estabilidad por la forma o geometría en vez de estabilidad por lastre basada en el peso sobre la quilla.  Lo que puede permitirle reducir el peso de la embarcación disminuyendo al mismo tiempo la superficie mojada y por lo tanto la resistencia total al avance de la embarcación disminuye drásticamente gracias a un calado y forma más sutiles del casco. La mayor  base de apoyo , en definitiva podríamos llamarlo otra “ala” funciona de estabilizador, permitiendo así aumentar la superficie vélica que resulta en aumento de potencia erogada.

En conclusión
Es difícil entender en qué modo interactúan los innumerables aspectos físicos de la navegación a vela, de la dinámica de fluidos a la estabilidad, de la flotabilidad, y aspectos que las relacionan.  Ciertamente un barco a vela es un magnífico laboratorio de física flotante con un enorme potencial didáctico interdisciplinario.
No olvidemos que una cosa es saber, pero otra es saber hacer.  Un buen timonel no es necesariamente aquel que conoce una pizca de trigonometría ni mucho menos y fluido dinámica.  Parafraseando un famoso Coronel de la Marina Real Británica Herbert George “Blondi3” Hasler : “en tanto que profundicemos los conceptos teóricos y el análisis de una aerodinámica e hidrodinámica, las velas parecen ser sobre todo ignorantes e indolentes sin darse cuenta hasta que en el fondo de si espera de ellas”.
Después de milenios de historia de la navegación en todos los océanos del mundo hay todavía espacio para la inventiva en la evolución de cascos y aparejos.  Es esto tal vez uno de los aspectos que nos tienen fascinados del mundo de la vela.

Los saludo hasta la próxima entrega. www.zerboyachts.com.ar