Dinámica de buques. La dinámica de buques es el estudio de las fuerzas que intervienen en el movimiento de los buques.

Transcripción

1 DINAMICA DE BUQUES Dinámica La dinámica es la parte de la mecánica que se ocupa del estudio del movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de las fuerzas. El cálculo dinámico se basa en el planteamiento de ecuaciones del movimiento y su integración. Para problemas extremadamente sencillos se usan las ecuaciones de la mecánica newtoniana directamente auxiliados de las leyes de conservación. La ecuación esencial de la dinámica es la segunda ley de Newton (o ley de Newton-Euler) F=m*a donde F es la resultante de las fuerzas aplicadas, el m la masa y la a la aceleración. Las leyes de conservación pueden formularse en términos de teoremas que establecen bajo qué condiciones concretas una determinada magnitud "se conserva" (es decir, permanece constante en valor a lo largo del tiempo a medida que el sistema se mueve o cambia con el tiempo). Además de la ley de conservación de la energía las otras leyes de conservación importante toman la forma de teoremas vectoriales. Dinámica de buques. La dinámica de buques es el estudio de las fuerzas que intervienen en el movimiento de los buques.

2 Flotabilidad Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del líquido desalojado". Para que un buque flote, la condición es que su peso especifico sea menor que el del líquido desalojado por aquel. Es por ello que la flotabilidad es la propiedad que tienen los buques para mantenerse a flote y que, sumergido hasta la línea de máxima carga, quede volumen suficiente fuera del agua para que pueda navegar con mal tiempo, en previsión de aumento de peso por embarque de agua. Normalmente los buques tienen un casco, pero ciertos de ellos, como por ejemplo un catamarán, tendrán dos cascos ó flotadores y en un trimarán habrá tres, etc. La parte central del casco se puede asimilar más o menos a una figura geométrica tal como el cubo, pero no así en las extremidades como ocurre en proa y en popa que están más o menos redondeadas y que se asemejan más a un cilindro o a un cono o a un prisma. El casco o hold en inglés, o trou en francés, o hueco en castellano como a veces se llama al casco debido a que en realidad se trata de un verdadero hueco, de las embarcaciones que ya tienen una dimensión más o menos importante, puede estar puenteado, es decir que puede estar cubierto y cerrado por este puente, de manera mas o menos hermética por lo que a estas partes se les llama cubiertas, ya que cubren el hueco, o puentes, etc. El puente (o también cubierta), que cierra más o menos completamente el casco evita la inundación por vía de agua en casos que toman una escora importante o en caso de olas que pasen por encima de este, dándole al casco características de flotabilidad importantes que serian menores si no estuviese cerrado.

3 Peso El peso de un cuerpo es una magnitud vectorial, el cual se define como la fuerza con la cual un cuerpo actúa sobre un punto de apoyo, a causa de la atracción de este cuerpo por la fuerza de la gravedad. El peso especifico de un buque debe ser menor que el del líquido desalojado por él. El peso del buque se dará por la masa del buque vació mas la masa del equipamiento, instrumentos, maquinaria, combustible y carga afectado por la aceleración gravitacional. Resistencia al avance La resistencia al avance es la suma de aquellas fuerzas que se oponen al desplazamiento del buque Las resistencias que se oponen al avance de un buque se resumen en la siguiente expresión: Rt = Rr + Rf Donde: Rt = resistencia total Rr = resistencia residual. Se calcula por "Ley de similitud de Fraude Rf =resistencia de frotamiento. Se calcula por la "Ley de similitud de Reynols" Rr es la resistencia residual es debida sobre todo a la resistencia de las olas. La formula original de Reynolds se refería a una superficie fina en forma de "hoja o lamina", y no es muy practica por lo que Schoenherr, obtuvo una formula que después fue modificada y adaptada por el organismo internacional de normalización ITTC, obteniendo finalmente un coeficiente Kf, llamado "Coeficiente de resistencia".

4 Finalmente y la formula de la resistencia de frotamiento es: Rf = 512.5(S)(V^2)(Kf)(1+K) Donde: S es la "superficie remolcada ó mojada" V es la velocidad en m/s Kf es el coeficiente de resistencia y K es un coeficiente que indica "la influencia de la forma de la carena" sobre el "deslizamiento del fluido" cerca de ella. Hasta aquí se ha calculado la resistencia al avance suponiendo el casco desnudo y liso, pero en la realidad no es así. Los apéndices principales considerados habrá que medirlos y calcular sus respectivas superficies ya que pueden llegar a representar un 10% de la resistencia total y en algunos casos se llega al 30% de la resistencia del casco desnudo; una vez calculadas sus respectivas resistencias habrá que sumarlas y agregarlas a nuestra formula sobre la resistencia, obteniendo así la verdadera resistencia total al avance del casco. Las partes más importantes que forman los apéndices del casco son las quillas de pantoque, el timón, la quilla de varado si la hay, el árbol de la hélice, el alerón de quilla de los veleros, el alerón de salida de la propulsión, el codaste, la pala, la madre, casquillos y pinzotes del timón (en caso de no poner en marcha el motor también se a de contar la hélice) Para calcular la resistencia total se usara la formula siguiente: Rt = Rtc + Rap + Ras Donde: RT es la verdadera resistencia total Rtc es la resistencia total de carena Rap es la de los apéndices y Ras es la resistencia aérea de las obras muertas y de las superestructuras.

5 Ras puede descomponerse en Rasp (Resistencia superestructuras) y Racm (resistencia obra muerta casco), dando nos: Ras = Rasp + Racm Propulsión Para calcular la potencia del motor que nos será necesaria, tendremos que tener en cuenta la resistencia total verdadera, es decir, incluyendo los apéndices. Sea de gasolina o diesel, da igual. La mayor parte del poder energético del combustible se desperdicia. Todavía el hombre no ha sabido inventar un sistema de conversión energética que sea realmente eficaz. Los motores de combustión interna Diesel, Gasolina 2T o Gasolina 4T sólo son capaces de aprovechar para producir energía mecánica, en torno al 25% (gasolina) o el 35% (diesel) de la energía que "guarda" el combustible. El resto se pierde como consecuencia del propio mecanismo de conversión. Los motores Diesel aprovechan mejor el combustible debido a que funcionan con mayores grados de compresión que los de gasolina. A mayor compresión más aprovechamiento energético. En términos generales los motores diesel consumen del orden de 0,3 litros por hora y por cada Kilovatio (kilovatio/hora = energía) entregado, mientras que el motor de gasolina consume 0,5 litros/hora. Convertidos a unidades de CV, quedan las cifras de la siguiente manera; 0,2 litros el diesel y 0,4 litros el gasolina. Un 65% de la energía del combustible (gasolina o gasoil) se pierde en el calor de la combustión en el sistema de refrigeración, cediéndose este calor al aire, alrededor del motor y al agua mediante los sistemas de intercambio de calor. Parte de este calor es producto de las vibraciones no deseadas del motor.

6 La energía mecánica del motor todavía no puede movernos el barco como si se tratara de un automóvil. Ahora tenemos que convertir esta energía mecánica en propulsión y empuje. Para ello se utiliza un dispositivo conocidos como la hélice. En ello volvemos a perder en torno a otro 20%. Debido al agua empujada por la hélice de forma lateral y que por tanto no produce empuje al barco perdemos un (14%). Debido al agua que sale despedida contra el casco y tampoco produce empuje, o al rozamiento del árbol con la bocina y el prensaestopas, rodamientos de sujeción del árbol, etc. Finalmente sólo queda un 18% de la energía contenida en el combustible, utilizada en producir el desplazamiento del barco. De este 18% útil, un tercio es empleado en vencer la resistencia generada por la ola de proa, la mitad es empleado en la resistencia hidrodinámica del casco con el agua y aerodinámica de la obra muerta con el aire. Las hélices convierten la energía rotacional generada por el motor en el empuje necesario para el desplazamiento de un barco. Descontando el diseño de esta, cuanto más grande sea más eficientemente trabajará. El problema radica en conseguir un equilibrio entre este tamaño y la capacidad del motor para hacerla rotar a su régimen de trabajo idóneo. Al hablar de hélices, muchas veces la gente sugiere el símil de un tornillo enroscándose en el agua. A cada vuelta avanzaría tanto como lo permita el paso de la hélice (igual que lo hace un tornillo en la madera) suponiendo que el agua fuera un medio sólido. La eficiencia naturalmente no es del 100% puesto que el agua es un líquido. Aunque existen muchos tipos de hélices los 2 más importantes son los que tienen entre 2 y 4 palas y son principalmente utilizados por motores intraborda con ejes. Las utilizadas por los motores fueraborda suelen llevar un número de palas que entre 3 y 6.

7 Su tamaño queda definido por dos datos, el diámetro total de la hélice y el paso de sus palas, es decir lo inclinado que están y por tanto la capacidad de impulsar agua. Estos dos datos son los más importantes para diferenciar una hélice de otra. Generalmente un diámetro pequeño se corresponde con un motor de pequeña potencia, o con un barco diseñado para desplazarse a mucha velocidad. El paso de la hélice se corresponde con el avance teórico que genera la hélice al girar esta una vuelta. Puesto que el agua es un medio no sólido y por tanto se producen rozamientos y deslizamientos el avance real será siempre a regímenes de funcionamiento óptimos, algo inferior al teórico.