miércoles, 16 de diciembre de 2009

Sail optimization for upwind sailing

La ceñida -upwind- o navegación contra el viento, es el régimen crítico en competición para barcos de vela, y por ello es muy importante conseguir que el velero maximice la velocidad. Para ello, uno de los elementos más importantes es el diseño de la vela. Esto es lo que ha motivado que un grupo de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid se haya propuesto estudiar este problema. Tras una fructífera colaboración con la Real Federación Española de Vela, en la que los investigadores tuvieron la oportunidad de aprender de los excelentes regatistas españoles de la clase Tornado; empezó un estudio teórico que ha dado unos interesantes resultados fácilmente extensibles a cualquier tipo de barco de vela.

Empleando el criterio de optimización de la velocidad VMG, primero se obtuvieron los valores óptimos de las propiedades aerodinámicas de la vela (coeficiente de sustentación y coeficiente de resistencia) para una vela determinada y cómo debería ser la forma óptima de la polar, es decir, la curva que relaciona ambos coeficientes.

Una vez conocida la forma óptima de la polar, se analizó cuál era la geometría de la vela que proporciona esa polar óptima. En el caso del Tornado, esta geometría se caracteriza por una serie de parámetros, algunos de los cuales se fueron modificando para estudiar su influencia en la actuación de la vela. Así, la geometría de la vela estudiada puede ser definida por los siguientes parámetros: la envergadura de la vela, la cuerda de cada perfil, la curvatura máxima de cada perfil y la posición del punto del perfil que corresponde a esa máxima curvatura, además de la posición del perfil de máxima curvatura en la dirección del mástil y el ángulo de torsión de cada perfil. Las características geométricas que se modificaron en este estudio fueron la torsión y la curvatura.

Esta segunda parte del estudio se realizó numéricamente, empleando el método de Vortex Lattice y, experimentalmente, en el túnel de viento A9 de la ETSI Aeronáuticos. La Figura 2 muestra el ensayo de una maqueta a escala 1:7 de la vela del Tornado en dicho túnel aerodinámico. Para estudiar numéricamente el efecto de la torsión en las propiedades aerodinámicas de la vela se prepararon cuatro modelos de velas, dos de ellas con una variación de la torsión a lo largo del mástil superior a la de la vela en operación nominal y otras dos con una variación inferior.

La influencia de la curvatura se comprobó modificando, por una parte, la posición de la máxima curvatura de la vela a distintas alturas del mástil y, por otra parte, el valor de esa máxima curvatura de la vela.






Fig.2: Maqueta de la vela del Tornado preparada para su ensayo en el túnel aerodinámico A9 de la E.T.S.I. Aeronáuticos 


Los principales resultados que se obtuvieron del estudio(*) mostraron que, en primer lugar, la torsión afectaba considerablemente a las propiedades aerodinámicas de la vela y que la velocidad VMG máxima se obtenía para la torsión mínima. Sin embargo, hay una restricción importante a lo hora de minimizar la torsión, puesto que la disminución de la torsión aumenta el riesgo de vuelco.

También se vio que desplazar la posición de máxima curvatura en la dirección del mástil incrementaba el valor de VMG, pero, al igual que ocurría con la torsión, también se incrementaba el riesgo al vuelco, lo que restringe los valores de VMG que se pueden obtener.

Por otro lado, al disminuir la curvatura máxima de la vela se incrementaba la velocidad VMG y disminuía el riesgo de vuelco. Por tanto, este parámetro puede ser utilizado para optimizar VMG sin introducir restricciones debidas al vuelco. Todas las conclusiones obtenidas en este estudio son de tipo cualitativo y han sido obtenidas para una configuración de casco determinada, pero son fácilmente extensibles a cualquier tipo de barco de vela.




(*) JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 13 (3): 190-206 AUG 2008: "Sail optimization for upwind sailing: application in a Tornado, the Olympic class catamaran". Laverón Simavilla, Ana; Lapuerta, Victoria; Franchini, Sebastian; Sanz, Ángel.

lunes, 7 de diciembre de 2009

Fisica I. Fundamentos físicos de la navegación

Entre los libros que analizan los fundamentos físicos de la navegación a vela, merece ser destacado, el de , F. Javier Fitera y Alberto Zaragoza; Iniciación a la vela y sus fundamentos físicos, editado por Alhambra, (Madrid), en 1987. Hay una parte excelente en la obra de  Bertrand Chéret: Las velas. Compensión, trimado y optimización. En especial en el capítulo introductorio donde describe la realidad físca del  Velero, al moverse entre dos fluidos; el aire y el agua. Sometido por tanto a la “ley del medio” estudia ambos fluidos, la resistencia, la capa del fluido en movimiento (flujo), la capa límite, el derrame y los flujos. Para ello nos remite al efecto Venturi y las líneas de corriente. Mas allá de estos principios, estudia las presiones y el teorema de Bernouilli.



“Hay pocos libros técnicos que sean una referencia en vela, menos aún los que apoyándose en 30 años de experiencia, hayan sabido trasmitir los conocimientos fundamentales haciéndolos comprensibles para todos los que practican este deporte, sean debutantes o expertos navegantes, apasionados por la regata o simplemente amantes del crucero. Las Velas, con un lenguaje sencillo, así como numerosas ilustraciones para... Comprender la mecánica de fluidos, el diseño y la fabricación de una vela, los criterios de selección y utilización. Trimar de la mejor manera posible las velas, mejorar el rendimiento de la embarcación, así como asegurar la seguridad a bordo y prolongar la vida útil de la jarcia. Otpimizar el conjunto de parámetros que influyen en le juego sutil del viento y las velas, desarrollar el sentido de observación y análisis , adaptar de forma idónea la jarcia, el velamen, y asociar saber e intuición, necesarios por igual a bordo de un velero”.