Nudos, metros/segundo, Kilómetros/hora…

Es habitual oir, según la fuente, la velocidad del viento en diferentes magnitudes y puede causarnos confusión. Aquí unas pequeñas reglas:

1 Nudo = 1,8 km/H
10 Nudos = 18 Km/H

1 Km/H = 0,53 Nudos
10 Km H = 5 Nudos
100 Km/H= 53 Nudos

1 m/s = 3,6 Km/H
10 m/s = 35 Km/H

1 m/s = 2 Nudos (exactamente 1,94)
Chuleta: (para saber los nudos desde m/s sólo hace falta multiplicar por 2).

Más: Conversor de unidades Online

Los vientos (1)

En una embarcación a vela es de importancia capital saber que utilidad vamos a dar al viento reinante, como haremos incidir al mismo sobre la embarcación para que ésta avance, su dirección y origen.

Rosa de los vientos

Vientos térmicos, brisas…

Los vientos provenientes, en nuestra zona, del 1º y 4º cuadrante son más frescos y secos que los provenientes del 2º y 3º cuadrante, los cuales efectuan su recorrido sobre el mar, lo que los hace más templados y húmedos.

El origen de los vientos generales se debe a las Borrascas y a los Anticiclones, las primeras significan una presión atmosférica baja y en las zonas por ellas abarcadas los vientos giran, en el hemisferio norte, en el sentido contrario a las agujas del reloj. Los Anticiclones, por el contrario, significan una presión atmosférica alta, conllevan buen tiempo y en la zona por ellos abarcada, en el hemisferio norte, los vientos giran en el mismo sentido que las agujas del reloj.

Si efectuamos, no obstante, un análisis puntual de una zona costera veremos que a nivel local las brisas de costa tienen otros orígenes, que son los debidos a la distinta capacidad de calentamiento y enfriamiento de la tierra y el agua. El mecanismo que las establece funciona tanto mejor cuanto menor sea la nubosidad.

 

 

 

Durante el día y por la acción solar, el suelo se calienta más deprisa que el agua. El aire tiene la curiosa propiedad de ser diatérmico, lo que significa que no se calienta directamente por la acción de los rayos solares que lo atraviesan, los cuales, sí que calientan, aunque desigualmente el suelo y el agua. Es el contacto con éstos el que calienta el aire de las capas bajas, propagándose el calor hacia arriba por convección (ascenso de burbujas de aire caliente, más ligero que el aire frío). En consecuencia, el aire de las capas bajas se calienta más que el más elevado y en mayor medida sobre el suelo que sobre el agua.

Como el aire más caliente es el que menos pesa, la presión atmosférica se hace algo más baja sobre el suelo que sobre el inmediato mar. Entonces, desde un punto situado en el seno del aire y sobre la vertical de línea de costa, la flecha que indica el sentido en que aumenta la presión apuntará hacia abajo y ligeramente inclinada hacia al mar, mientras que la que indica el sentido en que aumenta la temperatura apuntará claramente hacia el interior de la tierra. Se establecerá entonces una circulación del aire a ras del suelo desde el mar a la tierra. Tal viento se conoce como brisa de mar o virazón.

Para que el circuito quede cerrado, el aire asciende en vertical tierra adentro, sopla en contrabrisa a cierta altura y desciende en vertical mar adentro.

Durante la noche la tierra se enfria más de prisa que el agua, con lo que la flecha indicadora del aumento de presión apuntará hacia abajo y ligeramente inclinada hacia tierra, mientras la que indica el sentido en que aumenta la temperatura apuntará claramente hacia el interior del mar, estableciéndose una circulación en las capas bajas de la tierra al mar. Este viento se conoce como brisa de tierra o terral.

 

El circuito se cierra con ascendecia (débil) sobre el mar contrabrisa a cierta altura y descendencia tierra adentro.

Se comprende que las brisas más fuertes ocurren en verano y las más débiles en invierno. Pueden ser modificadas local y principalmente por una especial configuración orográfica de las costas, por su orientación y por la presencia de vegetación.

La brisa de mar suele ser más fuerte que la de tierra; empieza como suave ventolina, arreciando progresivamente hasta los diez o doce nudos por término medio.

Estabilidad de rumbo

Equilibrio entre casco y timón

Solo un sistema de fuerzas capaz de volver el barco a su rumbo, cuando cualquier agente exterior lo hace salir de su camino, permitirá hablar de estabilidad de rumbo.

En un velero, la quilla y especialmente el timón tienen esta utilidad. Un forma de entender el problema es equiparar el barco a una flecha que vuela por el aire.

Si imaginamos el camino de esta flecha al volar, nos daremos cuenta de la importancia de las plumas o alerones situados en su popa. Sin ellas, sería imposible mantener el rumbo. Cualquier empuje lateral significaría un desvío, ya fuese una racha de viento, o el hecho de no lanzar la flecha con una quimérica rectitud absoluta. Al salir de su rumbo, la proa de la flecha se desvia hacia un lado, mientras que la popa se va hacia el otro. Las plumas dejan de estar paralelas al flujo del aire y trabajan con un ángulo de incidencia, produciendo una cierta cantidad de empuje lateral destinado a devolver la popa a su lugar original.

La flecha es el objeto más adaptado para el movimiento a través de un fluido, pues casi no tiene volumen. Un barco, en cambio, debe tener volumen si su diseñador quiere que flote, aguante el mástil, tenga capacidad interior y desplace el peso que todo ello conlleva. Es pues el casco el responsable de la inestabilidad de rumbo del barco, debido al freno que representa en las secciones delanteras. Si además se le añade la escora, los movimientos debidos a las olas, las corrientes, el desplazamiento de los pesos o el influjo del viento sobre su obra muerta se tienen juntas la mayoría de las causas desestabilizantes.

La quilla también contribuye a la inestabilidad de rumbo, pero lo hace en menor grado. Como se ve en el dibujo, tiene el mismo efecto que las plumas situadas a medida longitud de una flecha, debido a su posición cercana al centro de gravedad. Sin ayudar a que el barco recupere su rumbo, afecta poco en su pérdida.

Es el timón pues quien se ocupa de mantener el rumbo. Cuanto más atrás del centro de gravedad esté, mayor será su brazo de palanca al intentar devolver el barco a su rumbo. No es de extrañar que los diseños modernos tengan los timones cada vez más hacia popa. El gran tamaño que han alcanzado éstos en los barcos de regatas indica asimismo su gran importancia en el control del rumbo.

Estabilidad de rumbo
Estabilidad de rumbo

 

 

Comentario imagen

A) En un barco, como en la flecha, la estabilidad direccional se produce cuando las plumas o el timón están colocadas suficientemente atrás. Cuanto más a popa, más brazo tendrán para recuperar el rumbo. El problema se entiende mejor si se imagina que tanto la flecha como el barco pivotan alrededor de su punto de gravedad, que normalmente coincide con la posición de la quilla. Como en otros casos de equilibrio, el uso del punto de gravedad permite priorizar y hacer esquemas que serían imposibles sin usar este punto.

B) Un barco direccionalmente inestable sería aquel que tuviese los alerones a proa del centro de gravedad, como ocurriría en una flecha con las plumas situadas delante. Aquí lo que ocurre es lo contrario que en el caso anterior: si el objeto se desvía del rumbo, los alerones dejan de correr paralelos al flujo y trabajan con ángulo de incidencia; el momento que producen contribuye a aumentar el desvío y por tanto el desequilibrio.

C) Un objeto en equilibrio neutral es, en física, el que no tiene tendencia alguna a cambiar ni, por otro lado, ni presenta resistencia cuando algún agente exterior lo cambia. El ejemplo clásico es una bola estacionada sobre una superficie plana. En el ejemplo de la flecha o velero, no existiría impedimento al cambio de rumbo, pero tampoco nada que lo produjese. Mientras ningún efecto exterior cambiase el rumbo, el barco seguiría recto. Sin embargo, al ser afectado por algún cambio de dirección sería imposible devolverlo al rumbo original. Un barco sin timón no se puede gobernar.

Ceñida y empopada, aquí juegan cuatro fuerzas (2)

Empopada

En cuanto al equilibrio navegando en popa, también la física contradice la primera impresión y demuestra que es el más inestable y complejo. Asumamos que un velero navega empujado por el viento sin alcanzar su velocidad límite, con la mayor y el spynaker izados. Lo primero que vemos es el equilibrio entre las dos fuerzas opuestas del empuje de las velas y el freno causado por el paso del casco en el agua. Si el empuje es mayor el barco acelerará, al aumentar la velocidad crecerá la resistencia, de forma que cuando ambas sean iguales se producirá el equilibrio. Cualquier pequeño incidente que desvíe el barco de su rumbo puede desequilibrarlo muy fácilmente. Mientras el empuje del spynaker y la mayor se encuentren en línea por el centro de gravedad del barco y por tanto, del punto de aplicación de freno, el barco irá recto. Pero sólo hacen falta cinco grados de escora para que la mayor y el spy tiren apoyados en un costado y hagan orzar el barco. Si nadie corrige ésto en el timón puede el spy llegar a vaciarse; la mayor entonces será la única fuerza de propulsión que hará orzar el barco hasta que éste quede atravesado al viento.

 

Empopada
Empopada

 

 

Comentario imagen

Sin timón sería imposible mantener el rumbo cuando el barco navega en popa. Las fuerzas que intervienen aquí trabajan en planos diferenciados, haciendo mas dificil su equilibrio.

Ceñida y empopada, aquí juegan cuatro fuerzas

Ceñida

Las dos formas extremas de navegar a vela son la ceñida y la empopada; no puede haber nada mas distinto que los dos sistemas de fuerzas que intervienen allí. Mientras que en ceñida el velero está equilibrado y tiene tendencia a mantener el rumbo (por tanto está en equilibrio estable) en la empopada todo contribuye a que el barco se vaya de su rumbo.
Veamos lo que ocurre en ceñida: el empuje de las velas da una resultante con grán empuje lateral y poco empuje propulsivo, pero el efecto antideriva proporcionado por la quilla u orza permite que el barco ande hacia delante.
Confirmemos aquí que el empuje lateral de las velas y la resistencia del perfil sumergido tienen que estar igualados, o de lo contrario el barco se desplazaría lateralmente. Tenemos pués un primer equilibrio. Pero si decimos que el velero navega en equilibrio estable nos estamos refiriendo mas bién a su voluntad de mantenerse a rumbo, contra la tendencia a separarse de él que registra cuando va en popa.
Imaginemos que el velero orza demasiado, ya sea por su natural tendencia, por culpa de un fallo en el timón o a causa de una ola: si las velas están cazadas correctamente, la mayor será la primera en sufrir el desvente producido por el génova. Aunque éste se devente también en el grátil, el centro vélico efectivo se desplazará hacia proa, lo cual combinado con la pérdida de velocidad del velero que le hará deslizarse de costado sobre el agua al perder eficacia su plano de deriva contribuirán a hacerle volver a rumbo. 
Si el equilibrio vélico es correcto, también al caer demasiado el barco, disminuirá la eficacia del génova, al ser tapado por la mayor. El centro vélico se desplazará hacia popa, dando al barco ganas de orzar y devolviéndole a su rumbo inicial. Este movimiento automático puede no ser muy evidente en los barcos actuales debido a la gran superficie de la pala del timón, que en muchos casos está compensada. Al ser el timón móvil y afectar de forma tan notable al rumbo, su efecto puede sobre el equilibrio del velero. Al amarrar el timón en una posición fija se observa el equilibrio con más facilidad.

Si pasamos de la ceñida al descuartelar, al aflojar las escotas, nos encontraremos con que el barco tiene todavía más tendencia a orzar. ¿A qué se debe esto, si parece que al aflojar las escotas el centro vélico se desplaza hacia delante y por tanto debería el barco ser más manejable? Un pequeño dibujo nos permite ver como, al abrir las velas, el centro de empuje se va hacia el costado y produce un momento de giro que obliga al barco a irse de orzada. Este es un punto de desequilibrio que sólo puede compensarse accionando el timón.

Comentario imágenes

 imagen  1:

En navegación de ceñida el equilibrio depende de dos pares de fuerzas opuestas. Mientras al empuje hacia delante se opone la resistencia al avance, el empuje lateral es contrarrestado por la presencia de la orza.

Imagen 2:
 Sin timón sería imposible mantener el rumbo cuando el barco navega en popa. Las fuerzas que intervienen aquí trabajan en planos diferenciados, haciendo mas dificil su equilibrio. 

Resistencia a la escora (1) – relación casco lastre

El problema, quizás más agudo, en el diseño de un velero es la colocación del centro vélico, o el equilibrio entre éste y el centro de deriva. En teoría, para que un velero esté equilibrado deberían coincidir el empuje de las velas con la resistencia lateral, y anularse mutuamente. El sistema geométrico más simple (calcular en el plano el centro geométrico de la deriva y de las velas y hacerlas coincidir en la misma vertical) ha demostrado varias veces que no funciona. Resulta que si se quiere que el barco ciña tiene que ser un poco ardiente. Pero al escorar su casco cobra asimetría y se desplaza el empuje de las velas a sotavento, creando una tendencia a la orzada de forma natural e imposible de calcular fiablemente. Por si esto fuera poco, no es lo mismo el centro geométrico del plano de deriva que su centro efectivo de resistencia lateral; según sea su forma y espesor, el perfil tendrá un efecto distinto cuando el barco navega e incluso al variar la velocidad o el ángulo de escora puede desplazarse el centro hacia delante o hacia atrás.

Con las velas ocurre algo muy parecido, pues su centro geométrico no coincide con el punto de aplicación de la fuerza resultante. Este puede variar notablemente dependiendo del viento que sopla, la situación de la bolsa máxima de las velas, la interacción entre ellas y también la forma de navegar del timonel: si el barco va muy “lleno”, algo caído para el viento, el centro de empuje será distinto del obtenido del navegar apurando el ángulo haciendo temblar los grátiles.

El centro vélico acostumbr a estar, en los cruceros modernos, ligeramente por delante del centro de deriva. Decir que la distancia varía entre un 3% y un 8% de la eslora de flotación no ayudará mucho al lector. Estos queden quizás más satisfechos sabiendo que los diseñadores acostumbran a utilizar el método de “a ojo”, como se demuestra por lo a menudo que los barcos de regata tienen que volver al astillero para modificar la posición de su quilla. En los barcos de serie los arquitectos cuentan con la experiencia de otros diseños anteriores. Casi siempre los cálculos basados en extrapolaciones de modelos probados resultan más eficaces que la resolución de ecuaciones y cálculos sobre el papel.

Y ya que hemos hablado del efecto de la escora, recordemos que si un velero fuese un lápiz redondo o, para seguir el ejemplo preferido por los diseñadores, una flecha que volase por el aire, al escorar mantendría su forma bajo el agua. Resulta sin embargo que tiene manga, proa y popa, y que al escorar se ensancha más de sotavento que de barlovento. Lo grave no es solamente esto: la quilla se desplaza entonces a barlovento y las velas a sotavento. Al navegar el barco sobre el plano horizontal formado por el agua y no sobre el plano inclinado de su línea de flotación, aparece allí otro “momento” que tiende a hacer girar el barco de sotavento a barlovento. ¿Cómo se consigue navegar recto a pesar de todo? Por un lado hemos visto como el diseñador ha previsto adelantar el centro vélico; luego está el trabajo de la tripulación, que deberá adelantarlo aún más a base de los convenientes reglajes. El resto lo hace el timonel aguantando la rueda con fuerza.

Los diseñadores acostumbran a hablar de barcos “rígidos” y barcos “blandos” cuando diferencian a aquellos que aguantan mucho trapo sin escorar de los que toman excesivo ángulo a poco que aumenta el viento. A la resistencia de la escora se le acostumbra a llamar “estabilidad”, término que se usa para tantas cosas que llega a crear confusión. En el caso de la escora la estabilidad se obtiene de la combinación de la estabilidad del casco y el peso de su lastre. Este es el llamado momento de adrizamiento que se opone al momento de escora causado por el viento sobre las velas, así como en algún caso por la pendiente de las olas. En circunstancias normales, cuando el barco navega con un ángulo de escora fijo, se produce un equilibrio entre el momento de escora y el momento de adrizamiento. Es decir, ambos son iguales. El ángulo de escora aumenta a medida que el viento aumenta, hasta equiparar los valores y alcanzar el equilibrio. Puede ocurrir también, en caso de una ola muy fuerte, que el momento de escora sea mayor que el adrizante; el barco escorá más allá de su ángulo de estabilidad máxima y puede volcar.

Hay que recordar que la resistencia a la escora no es igual en todos los ángulos. Cuando el barco está plano resulta nulo, y a medida que el ángulo aumenta crece con el momento adrizador, hasta llegar a un punto en que empieza a disminuir. Los arquitectos muestran este momento en una curva que en ángulos pequeños crece casi en vertical y según la proporción entre manga y lastre, empieza a aplanarse en cuanto el barco llega a escoras importantes, con la regala cerca del agua. Después de pasar por el máximo, la curva desciende hasta el cero y se prolonga por debajo de este valor, dando la zona de estabilidad negativa. El paso de positivo a negativo no es igual en todos los veleros y puede variar entre los 90 y los 160 grados de escora. La estabilidad negativa alcanza su punto máximo normalmente a los 180 grados, momento en que hay más resistencia a recuperar la posición inicial. La curva de estabilidad permite distinguir los veleros estables de los que no lo son: basta averiguar el tramo de estabilidad positiva. Si éste llega a los 120 grados, como ocurre en la mayoría de los veleros actuales, se puede considerar estable. Los diseños de regata pura puede tomar riesgos y bajar esta cifra hasta los 100 grados, mientras que los cruceros oceánicos de gran desplazamiento gozan de estabilidad positiva hasta los 140 grados.

Resistencia a la escora