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 Introducción

 

 Relación de Dimensiones

EVALUACIÓN DE KAYAKS

 Kayak Tipo

 Evaluación de Maniobra

 

 Evaluación de Velocidad

 Evaluación de Estabilidad  
 Conclusión

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Artículo de: A.Merino. Capitán de la M.M.. Naval Systems&Applications Engineer

Rev. 3.01. Fecha: 20-04-2015

Por su interés en el tema, reproducimos aquí el Artículo enviado por nuestro amigo.

1         Introducción

Como marino, he oído muchas veces la expresión, "éste barco es muy marinero", refiriéndose a las características de navegación de un determinado barco, pero cuando he pedido que me expliquen qué significa eso de “ser marinero”, observo que cada uno entiende algo diferente. Los viejos marinos decían que “se porta bien frente a la mar”, otros, “que maniobra bien”, otros se refieren a su capacidad de carga, también, es “la coletilla que suele manifestar un vendedor cuando no tiene ni idea de lo que vende”, etc.. Si seguís teniendo interés, podéis consultar en un buscador la frase “barco muy marinero”. La cantidad de conceptos que podéis encontrar para esta definición son casi infinitos.

Hay mucha gente que considera al kayak como un tipo de embarcación especial, con unas leyes y una terminología diferente al de otras embarcaciones. Muchos palistas se empecinan muchas veces en utilizar una terminología totalmente inadecuada para describir las características de la embarcación. "Rápido", "no rápido", "ancho", "angosto", "estable", son sólo algunos de los términos utilizados, con significados nebulosos o diferentes para cada persona.

Así que, a riesgo de ser expulsado del proceloso mundo de la “Sociedad de Diseñadores de Kayaks”, altamente secreto y místico, voy a saltarme esas reglas y a utilizar las que son comunes y normales para cualquier hombre de mar.

Un kayak es a fin de cuentas, un flotador propulsado, con las mismas leyes de Arquímedes, Froude, Laplace, Bernouilli, etc., de hidrodinámica y mecánica del buque que se aplican a un superpetrolero de 200.000 TPM. Estas mismas reglas son aplicables a un kayak, por mucha diferencia que pueda haber en eslora, manga, calado, etc..

En cualquier caso, el buque, sea del tipo que sea, debe de comportarse en la mar de acuerdo con lo que se espera de él, cualesquiera que sean las condiciones de viento y mar. Un buque que se comporte muy bien en todas las condiciones, se dice de él que es muy marinero. Las condiciones establecidas para considerarlo así, son muy variadas y a veces contrapuestas.

A nuestro entender, estas condiciones se pueden enumerar como sigue:

  1. Buena relación Eslora/Manga/Volumen/Calado.
  1. Buena maniobrabilidad, entendiendo por esto la capacidad de mantenimiento de rumbo y la facilidad de gobierno.
  1. Optimización de la velocidad, para que el buque tenga el rendimiento deseado.
  1. Condiciones de estabilidad, de manera que la seguridad esté siempre garantizada, en cualquier condición meteorológica.

Estos criterios, originan una serie de condicionamientos que no siempre son compatibles dentro de un mismo buque. La experiencia en el diseño de buques, ha permitido confeccionar reglas que han ido depurándose con el paso del tiempo. Cuando la ciencia consigue resolver ciertos problemas, los resultados se van reflejando en forma de reglas que facilitan llegar a diseños cada vez más seguros.

No obstante, las reglas adolecen de dos defectos, el primero es que al basarse el nuevo diseño en buques anteriores, pueden hacernos caer en los mismos defectos, como en el sobredimensionamiento de ciertas zonas del buque. El segundo es que si nos salimos de un diseño convencional, pueden presentarse fallos en el diseño hasta que se acumula experiencia en este nuevo tipo de barco. 

…….. Está bien, está bien, pero yo sigo insistiendo, y…. ¿cómo evaluarlo? y más generalmente, ¿es posible evaluar lo que cada uno considera “ser marinero”?.

 En este trabajo voy a tratar de acometer qué se entiende cuando un barco se dice que “es marinero” y una vez definido el concepto, voy a tratar de evaluarlo.

 Como este estudio está centrado en las embarcaciones pequeñas, veremos algunos conceptos como “maniobrabilidad”, “velocidad” y “estabilidad”  que son más frecuentemente utilizados para este tipo de embarcaciones. Esto nos permitirá evaluar las condiciones que consideramos “marineras” de una embarcación.

 Al igual que en otros artículos, no voy a descubrir nada nuevo que ya no se sepa, pero voy a tratar de analizar el porqué de lo que todo el mundo (o al menos, la mayoría) ya conoce de forma intuitiva o técnicamente.

 También estudiaremos el grado de influencia del plano de deriva en la maniobrabilidad, las ventajas e inconvenientes de la forma del plano de deriva y las formas que existen para compensar los inconvenientes.

 Posteriormente se estudiará el efecto del timón y la conveniencia o no de instalación en un kayak.

 Estudiaremos la forma de evaluar la velocidad de las embarcaciones pequeñas a efectos de comparación con otras de su misma clase.

 Por último se estudiará la influencia de la estabilidad y el efecto de las quillas de balance o del “pantoque vivo”.

Este estudio permitirá disponer de coeficientes que faciliten obtener unos valores con los que realizar la comparación entre dos kayaks de forma más objetiva.

 

1         RELACION DE Dimensiones

 Pero, ¿qué significado tienen las palabras “largo”, “ancho, “volumen”, “calado”, etc. en el rendimiento de un kayak?.Para ello, vamos a analizar separadamente la influencia que tienen cada una de estas variables en el rendimiento.

 2.1          Kayak Tipo

El "Kayak Tipo", es un kayak  de mar ,diseñado exclusivamente para como modelo de estudio para realizar  comparaciones en este y otros Artículos. Este kayak ha sido diseñado y cotejado mediante diferentes modelos informáticos para asegurar su diseño hidrostático y dinámico con objeto de asegurar la veracidad de sus datos, así como de prototipos que corroboran la fiabilidad del diseño. El objeto de este modelo es que pueda ser tomado como base de estudio y de comparación con otros modelos existentes, de diseño propio o de otros fabricantes.

Los principales datos de este kayak son las siguientes características:

         Eslora máxima                                  : 5,40 m.

         Eslora en la Flotación                         : 4,57 m.

Manga Máxima                                  : 0,53 m.

Manga en la Flotación                        : 0,50 m.

Volumen desplazado en carga            : 0,117 m3

Área de la superficie mojada              : 1.957 m2

Área de la sección media                    : 0.052 m2

Área de la Flotación                           : 1.339 m2

Calado al medio                                 : 0.138 m

Cfte. de Bloque                                  : 0.3749

Cfte. Prismático                                 : 0.4933

Kilos por centímetro de inmersión      : 12 Kg.

"Kayak Tipo"

 

2.2          Relación Desplazamiento-Eslora

Empecemos con: ¿Cuánto largo es "largo"?. A los vendedores les gusta utilizar el término “eslora total”, ya que suena mejor y da mayor longitud al barco. Pero para los cálculos de resistencia al avance (versus velocidad), la eslora que cuenta, es la eslora de la línea de flotación, ya que es el factor importante en el rendimiento del barco.

Pero una medida por sí sola, no determina la forma del casco. Se necesita una relación entre la eslora en la flotación y el desplazamiento. (Entendemos el desplazamiento como el Desplazamiento Bruto, o sea, el peso total del barco y su contenido.) ¿Por qué el desplazamiento? Porque la resistencia al avance del barco está fuertemente influenciada por el peso del agua desplazada. Cuanto menor sea el desplazamiento, más fácil será desplazarlo a través del agua.

A efectos comparativos, los diseñadores manejan un número utilizado solo para comparación, que se obtiene dividiendo el volumen del desplazamiento por la eslora en la flotación al cubo.  

y = D /Lf^3

Cuanto mas bajo sea el coeficiente y, menor será la resistencia al avance.
Deducimos que para obtener un coeficiente
y  bajo, ha de modificarse, al menos uno o los dos factores de la fórmula, disminución del volumen o peso del barco y/o un aumento de la eslora de flotación.

 Este número se llama “Coeficiente de Afinamiento”. Oscila entre 0,63 para los barcos largos y ligeros y 1,8 para los cortos y pesados.

 Con estos datos, el Coeficiente de Afinamiento del Kayak Tipo, puede ser:

         Kayak (Palista + carga)   : D=120 Kilos este valor puede ser de 1,26.

Kayak (Palista)               : D=  90 Kilos este valor puede ser de 0,94.

 

2.3          Relación Eslora-Manga

 Veamos ahora, ¿qué tan ancho es "ancho"?. Por sí solo, este término (la manga), no dice mucho. Lo que necesitamos es otra relación. Esta vez entre eslora y manga, tal como:

L / B.

Para el Kayak Tipo, tomando la eslora y manga en la flotación, la relación anterior puede ser:

L / B = 4,57 / 0,5 lo que da un valor de 9,14

Es este coeficiente el que define el "ancho" del barco. A mayor valor, mayor afinamiento del casco.

 

2.5          Relación Superficie mojada-Volumen

Algo de lo que los diseñadores hablan mucho es de la “pequeña superficie mojada” de sus barcos. Este factor sí es muy importante, porque una superficie mojada baja, significa una baja resistencia al avance. Pero ¿qué tan bajo es "bajo"?. Aquí la relación adecuada a considerar es un concepto que relaciona la superficie mojada con el volumen. Toda la manipulación matemática trata de proporcionar un número no dimensional que permita hacer una comparación y evaluación.

La fórmula que define este concepto es la siguiente:

S / V ^ 2 / 3

Donde S es la superficie mojada y V es el volumen de desplazamiento. Una baja relación de superficie mojada es de alrededor de 8,0: una relación alta es de 9,5.

Para nuestro Kayak Tipo, este valor sería:

                                      1,957/0,117^2/3 = 8,18

 

2.6          Relación Volumen-Desplazamiento

También hemos oído hablar mucho de “barcos de alto volumen” y de bajo volumen, refiriéndose al espacio disponible, pero éste valor está relacionado con el desplazamiento con el que se ha calculado la embarcación. Es decir, lo que cuenta en realidad, es el “desplazamiento de diseño”, o el peso para el que el barco fue diseñado. Un kayak bien diseñado, tendrá un volumen suficiente para llevar sin riesgo a los palistas y  su equipo, además de disponer de un “Franco Bordo” de seguridad (altura desde la línea de agua a la cubierta).

Todo lo que se necesita conocer es el desplazamiento de diseño. Si se ajusta a su peso y su equipo, entonces es correcto. Si no lo hace, no lo es. Así que las palabras mágicas no son otras sino "desplazamiento de diseño", no el ", volumen alto o bajo".

 

2.7          Calados

Mano a mano con el volumen está el valor del "Calado". Los Kayaks con mucho calado, se supone que son de gran volumen y los que tienen menos calado, son de bajo volumen. La profundidad, o el calado, es una medida por sí sola, deficiente para valorar el volumen interno que lógicamente está relacionado además, con la eslora y manga. La forma de la sección transversal de la cubierta (elíptica, piramidal, hiperbólica o parabólica) tiene una mayor influencia en el volumen. De hecho, el calado, por sí solo, no dice mucho acerca de la embarcación.

 

3         EVALUACION DE Maniobrabilidad

En este Apartado se va a estudiar el efecto sobre la maniobrabilidad del kayak (y cuando decimos de un kayak, nos referimos a cualquier otro tipo de barco) de determinados factores que influyen en la misma.

Algunos de los factores que vamos a ver, solo pueden modificarse en el momento del diseño, como:

  • el grado de arrufo del kayak que afectará a la capacidad de giro del kayak una vez construido,
  • la posición del cockpit, que afectará a la distribución de diseño de los pesos, principalmente, el peso del palista.
  • algo más complicado, la modificación de las líneas de agua de la carena, que afectará al comportamiento hidrodinámico del kayak y reducirá o aumentará la resistencia al avance. 

Una vez que el barco (kayak) está construido, solo podemos modificar la maniobrabilidad mediante la distribución de los pesos a bordo para conseguir la condición de “trimado” (diferencia de calados a Pp y Pr) que deseamos. Otra forma de hacerlo es variando el área o plano de deriva con la orza, como veremos más adelante.

Vamos a ver entonces como influyen estos factores en la maniobrabilidad.

 

3.1          Efecto del arrufo en la maniobrabilidad

Si por maniobrabilidad de un kayak, se entiende especialmente la estabilidad de rumbo y la facilidad de gobierno, es además imprescindible considerar la capacidad para realizar una evolución en un radio muy pequeño. Esta particularidad se ve muy condicionada por el valor del “Plano de Deriva”.

El Plano de Deriva es el área sumergida del plano longitudinal del buque.

 

La distribución de esta área difiere con el tipo de quilla del kayak. Una quilla recta, proporciona buena direccionabilidad y maniobrabilidad, mientras que una quilla con curvatura vertical (denominada arrufo ó “rocker”), implica lo contrario. ¿Qué razones hay para ello?. Veamos porqué este concepto, es responsable de la direccionabilidad y maniobrabilidad del kayak.

Supongamos que con un kayak se efectúa un giro a estribor.

  

Se observa que aparecen dos fuerzas de reacción al movimiento de giro, una a proa, aplicada en el centro de gravedad del área de proa del plano de deriva y otra de sentido contrario aplicada en popa.

 

 Como puede verse en la figura anterior, para un kayak de quilla plana, la distancia (D) entre los centros de gravedad es mayor que la distancia (d) en un kayak de quilla arrufada (con un mayor “rocker”). Teniendo en cuenta que el Momento Resistente en cualquier caso, es P * D y suponiendo que la presión (P) aplicada en el plano de deriva es la misma para ambos tipos de kayak, el Momento Resistente de un kayak de quilla plana será mayor que el momento resistente de un kayak de quilla arrufada puesto que la distancia (D) del primero será mayor que la distancia (d) del segundo.

El grado de curvatura de la quilla, se denomina generalmente “Grado de Arrufo”, también conocido como “rocker”. Normalmente se define mediante el valor desde la línea base hasta el canto bajo del kayak en la proa. Es evidente que un kayak con un gran “rocker” puede girar con mayor facilidad que otro que no lo tiene, pero por el contrario, es menos “direccionable”, es decir, es más difícil mantener la estabilidad de rumbo, principalmente con vientos de través.

Hablando en términos prácticos, cuanto mayor sea el “rocker” de un kayak, mayor será la facilidad para cambiar el rumbo y viceversa, cuanto menor sea el “rocker”, mayor facilidad para el mantenimiento del rumbo.

 

3.2          Efectos de la distribución de pesos en la maniobrabilidad.

Pero el diseño de un kayak es en gran medida un arte de compromisos y balances y encontrar el punto medio es difícil.

En cualquier caso, se admite como verdad universal que la proa debe tener menor calado que la popa, medidas ambas en los extremos de la quilla, lo que hará que el asiento del kayak en el agua sea ligeramente “apopante”. Esto tiene como consecuencia, en la mayoría de los barcos, que el plano de deriva a popa, sea mayor que el plano de deriva a proa. Veamos su efecto:

Supongamos que el kayak se desvía del “rumbo deseado” por una causa exterior. Aparecen dos fuerzas resistentes al avance debidas a la resistencia que presenta el Plano de Deriva de Proa y el Plano de Deriva de Popa, ya que el kayak continúa en la misma dirección debido a la inercia. De aquí podemos extraer conclusiones:

Si la superficie del Plano de Proa es mayor que la del Plano de Popa, (Rpr>Rpp), el kayak tenderá a desviarse del rumbo (Maniobrabilidad Inestable).

Si la superficie del Plano de Proa es igual que la del Plano de Popa, (Rpr=Rpp), el kayak se habrá apartado del rumbo y tendremos que obligarle a volver a rumbo (Maniobrabilidad Indiferente).

Si la superficie del Plano de Proa es menor que la del Plano de Popa, (Rpr<Rpp), el kayak tenderá a corregir el desvío y será más fácil volver al rumbo (Maniobrabilidad Estable).

Por todo ello, para evaluar la característica de “maniobrabilidad”, hemos de definir previamente el valor a optimizar, es decir, si queremos seleccionar un kayak con mucha estabilidad de rumbo o por el contrario, queremos que sea capaz de girar “sobre una moneda” y si queremos que disponga de una estabilidad de rumbo (caso de los kayaks de travesía) o deseamos un “Kayak más nervioso”, como los kayaks de río.

Para ello, como hemos visto, el valor a considerar es no solamente el “rocker” de la embarcación, sino la distribución de los pesos, (versus, trimado) que modificará el equilibrio entre las áreas de los planos de deriva de Proa y Popa.

NOTA: Debemos advertir que en el estudio de maniobrabilidad de este Apartado, hemos excluido deliberadamente el denominado “Efecto Vélico” consecuencia del desequilibrio producido por el viento en la superestructura del kayak, principalmente por el casco, el palista, las palas, etc.

Centro Vélico

3.3          Efectos de la orza en la maniobrabilidad

También hay formas de aumentar o disminuir el Plano de Deriva a voluntad. Para ello, algunos constructores instalan las conocidas como orzas estilo “Aletas de Delfín”. Los surfistas conocen perfectamente el efecto de esta aleta.

La Quilla de Aleta de Delfín es una pala en forma de orza, fija o retráctil que se utiliza para aumentar el plano de deriva en los extremos de una embarcación con una curvatura de quilla muy elevada. Al situarse a popa, aumenta el plano de deriva de popa, desplazando el Centro de Presión de esta área. A mayor profundidad de la orza, mayor “agarre” en la virada y mayor estabilidad de mantenimiento del rumbo.

La figura anterior representa la popa de un kayak provista de una aleta de delfín. Por supuesto que el uso de la aleta de delfín dificulta también el cambio de rumbo, pero por el contrario, es de gran utilidad en navegación en mar abierta o lugares donde es necesario mantener un rumbo estable, aparte de proporcionar una estabilidad transversal extra.

En navegación con olas próximas a la popa, esta embarcación y cualquier otra, tiende a cruzarse en la pendiente de sotavento de la ola, con riesgo de vuelco. En este caso, la maniobrabilidad del kayak agradece el efecto de estabilidad que proporcional la aleta de delfín en popa. En caso de instalarse, es recomendable el tipo de “aleta retráctil” que pueda accionarse manualmente de acuerdo con las necesidades del momento.

Es necesario tener en cuenta que el plano de la orza, presenta una resistencia a la escora rápida del kayak y como consecuencia, también a la recuperación de la escora. El uso de la misma puede servir como ayuda para los principiantes que aún no están acostumbrados al mantenimiento del equilibrio o bien para estabilizar el kayak cuando se está parado.

 

4         EVALUACIÓN DE Velocidad

Es otro de los valores a considerar en la comparación entre dos kayaks. Pero ¿cómo evaluar la velocidad de dos kayaks si ésta depende del esfuerzo aplicado y del diseño del kayak?. ¡¡¡Vaya charco en el nos hemos metido!!!. Hay auténticos tratados para responder a esto, pero trataremos de dar algunas ideas.

Es evidente que dos embarcaciones pueden obtener la misma velocidad pero a costa de diferente esfuerzo. Solo existe un método fiable para hacer una comparación entre dos cascos: la comparación de dos modelos en un “Canal de Experiencias”, cosa que nos es prohibitivo a la mayoría de los mortales.

No obstante, es posible hacer una evaluación, basados más en la lógica que en la experiencia. La lógica examina la validez de los argumentos en términos de su estructura, (estructura lógica) y así veremos algunos de los argumentos que determinan la velocidad de forma separada.

 

4.1             Resistencia por Fricción

La velocidad de un kayak está condicionada por diferentes fuerzas que suman resistencia al avance, como la resistencia del aire debida al viento, la pérdida de energía debido a las cabezadas, etc.,  pero rara vez son importantes y nada que un palista cualificado no pueda reducir. No obstante, puede decirse que el principal factor que determina la velocidad, es la Resistencia por Fricción.

La resistencia de un cuerpo flotante en movimiento, se compone de dos partes, Resistencia a la fricción (Rf) y  Resistencia Residual (RR), que pueden ser analizadas por separado.

La Resistencia por Fricción es la que se produce debido al rozamiento entre el casco y el agua.

La Resistencia Residual es la suma de todas las otras resistencias de los cuales las más importantes son la formación de olas y las guiñadas.

Froude propuso una fórmula sencilla para conocer la Resistencia por Fricción. La Fórmula de Froude se define como:

Rf = 0,97 x Cf x Sw x V ^ 2
 
donde:
 
Rf         = Resistencia en libras 
Cf         = Coeficiente de fricción 
Sw        = superficie mojada 
V          = Velocidad en m / s 
0,97     = Constante de agua dulce

Al fluir el agua alrededor del casco, la fricción hace rotar las moléculas que mojan el casco, creando una capa que se traslada con éste. Esta capa, denominada “capa límite”, es inicialmente muy fina. El flujo dentro de ella es laminar.

Comportamiento del flujo hidrodinámico alrededor de una carena tipo

A medida que el agua avanza a lo largo de la superficie, la presión variable produce turbulencias. La capa límite aumenta de forma gradual su grosor y cerca de la popa, se rompe en remolinos. Es dentro de esta capa donde se genera fricción entre las moléculas de agua y no como se podría suponer, entre el agua y la superficie.

Al viajar esta capa con el casco, produce una resistencia al avance. Cuando el flujo es laminar, el coeficiente de fricción es muy pequeño, teóricamente es posible que las canoas y kayaks mantengan el flujo laminar a todo lo largo del casco. En la práctica, sin embargo, esto no es posible. El flujo turbulento se sitúa cerca de la proa con el consiguiente aumento de la fricción.

Los principales factores que afectan el coeficiente de fricción son la suavidad del casco, la velocidad y la eslora del casco. El Método KAPER descrito más adelante, da una buena idea del rendimiento del kayak.

 

4.1.1       Efecto de la eslora

El área de la superficie varía aproximadamente, con la raíz cuadrada de la eslora y la primera potencia de la manga. Las ventajas de incrementar cualquiera de las dos, deben ser sopesadas con el efecto perjudicial que se produce al incrementar la superficie mojada.

El equilibrio entre la velocidad y eslora es una parte crítica del diseño. Podemos decir que un incremento de la eslora  no siempre representa una bendición incondicional para la resistencia al avance.

 

4.1.2       Efectos del Plano de Deriva

En la proa y la popa puede haber secciones verticales del casco que, debido a que están por debajo de la línea de flotación, no afectan a la resistencia residual. Una denominación conveniente aunque no exacta de estas áreas es "Zona Muerta ". Actualmente hay una tendencia al diseño de  quillas más rectas, añadiendo plano de deriva para garantizar la estabilidad direccional. Esto obliga a pagar un precio en forma de aumento de superficie mojada. El cambio se traduce en una reducción del 1,5% en el área de la superficie mojada para un kayak típico de 5 metros sin afectar la resistencia de generación de olas. Si la reducción de la fricción merece la pena, la pérdida de la estabilidad direccional es un punto discutible que determina el palista de forma subjetiva.

Reducir el plano de deriva en la proa, puede mejorar tanto la dirección como la estabilidad direccional en aguas tranquilas.

En situación de oleaje, pueden producirse efectos de movimiento indeseados en la estabilidad del rumbo.

Movimiento de “cuchareo”

Algunos marinos llaman a este movimiento “efecto de cuchareo”, por analogía del movimiento con el de una cuchara. En este tipo de movimiento, el kayak tiende a cruzarse y a levantar la popa, con el consiguiente riesgo de “clavar” la proa y de vuelco.

Para este tipo de navegación, la Zona Muerta en la popa puede ser deseable, actuando como el “talón de giro” que se opone al movimiento lateral de la popa.

 

4.1.3       Efecto de la forma del casco

El factor que mejor determina la forma del casco y consecuentemente, a la cantidad de  superficie mojada, es el área de la sección máxima  (nos referimos al área, no a su forma). Esto concepto puede representarse con un coeficiente calculado mediante la división del área de la sección del casco por el área de una sección rectangular que tiene la misma manga y calado.

Este factor se denomina Coeficiente de la Sección (Cx).

Para nuestro Kayak Tipo, este valor sería de:

    Cx = 0,052/(0,5 * 0,138) = 0,75

El gran desacuerdo para los diseñadores es que después de reducir la fricción al mínimo, el palista no nota el efecto de forma apreciable. Algunos diseñadores se jactan de reducir la superficie mojada en un 5%, pero en un solo año, los arañazos y golpes pueden doblar fácilmente el Coeficiente de Fricción (Cf) de un kayak nuevo de fibra. Esto reduce considerablemente el esfuerzo de los diseñadores. La actitud displicente de la mayoría de los kayakistas se evidencia en un aumento de resistencia del 50%. Pero a menudo, esto no es fácil notarlo, porque el efecto se produce gradualmente.

 

4.2             Resistencia Residual

Al desplazarse en el agua, el casco de la embarcación, crea un efecto de “rastro” como si se tratara de un arado, creando un oleaje típico para cada tipo de casco.

Patrón de olas típico

Este “rastro” se caracteriza por crear dos patrones de olas. En el primero, las olas divergentes, se abren en abanico desde la proa y la popa. Su importancia es menor. El segundo, se forman también en la proa y popa trenes de olas transversales, cuyas crestas se encuentran en ángulo recto con la dirección del rumbo. Estas olas son la evidencia visible de pérdida de energía,  empujando el agua hacia fuera en la proa y de succión en la popa para regresar a su estado original. La longitud de estas olas (de cresta a cresta) es igual a la eslora natural de una ola que viaja a la misma velocidad que el casco.

Simulación con ordenador de un patrón de olas

Froude determinó que la velocidad en nudos de las olas es igual a:

1,34 x L ^ 1 / 2 en pies.

A baja velocidad, se genera un gran número de olas a lo largo del casco. A medida que aumenta la velocidad, disminuye el número de olas, hasta que el casco se encuentra acunado entre las crestas de las olas de la proa y la popa. En este punto, se alcanza la denominada “velocidad del casco". Para un determinado desplazamiento de la embarcación, esto marca la velocidad máxima alcanzable. Desde este punto, para alcanzar una velocidad mayor, se requiere un aumento de potencia muy considerable.

De este razonamiento podría parecer que para aumentar la velocidad, sólo tenemos que aumentar la eslora. Esto está lejos de ser así porque hay otras consideraciones a tener en cuenta, en el orden siguiente:

·         Eslora

·         Coficiente Longitudinal

·         Coeficiente de la Sección Media

·         Detalle de la forma en los extremos

4.2.1       Coeficiente Longitudinal

El Coeficiente Longitudinal, también conocido como Coeficiente Prismático, es un número significativo que facilita la evaluación de cómo se distribuye el volumen (desplazamiento) a lo largo del casco. Se determina dividiendo el volumen sumergido por el volumen de un sólido de lados paralelos con la mayor superficie de la misma sección media y la eslora del casco.

Cp = Vc / (Am x L)

 El resultado por lo general se encuentra entre 0,45 a 0,63, para cascos bien terminados.

Para nuestro Kayak Tipo sería:

        Cp = 0,117 /0,052 * 4.57 = 0,45 

4.2.2       Relación Desplazamiento /eslora

Existen una serie de coeficientes que permiten determinar el afinamiento del casco. La relación Desplazamiento/Eslora es sólo uno de ellos. Esta relación produce un número redondo que los diseñadores parecen preferir.

Los valores típicos están entre 25 y 30 para las embarcaciones de competición, de 40 a 50 para las canoas de recreo y de 50 a 60 para canoas de larga distancia. De hecho, debido a su poca relación peso y eslora, los “corredores de maratón” pueden superar fácilmente su velocidad de "casco", mientras mantienen el mismo desplazamiento. Algunos confunden esto con el “planeo”, pero no lo es. El planeo sólo se alcanza cuando el casco se apoya en la carga dinámica. La alta velocidad para canoas solo es posible teniendo excelente relación Desplazamiento/Eslora y manga estrecha. Las dos se combinan para producir un tren de olas muy pequeño que son el mayor elemento resistente a velocidades superiores a S / L 1.34.

Como el volumen de agua desplazada es igual al peso de la embarcación, cualquier aumento en el desplazamiento significa mover más agua en el camino a recorrer. Por tanto, cuanto menor sea el desplazamiento del agua, menos energía se necesita para hacer el trabajo.

 

4.2.3       Manga

El efecto de la manga en la creación de olas varía con el cuadrado de la manga y la primera potencia de la eslora (RR = B ^ 2 l), aunque esto es solo teórico. En general, lo único bueno que podemos decir sobre el aumento de la manga es que aumenta la estabilidad y la capacidad, pero influye fundamentalmente en el aumento de superficie mojada y por tanto, de reducción de la velocidad.

 

4.2.4       Coeficiente de la Sección Media

La mejor práctica para reducir la resistencia residual consistente en la reducción de resistencia a la fricción. El Cx óptimo se encuentra entre 0,80 y 0,95, pero los valores ideales rara vez se logran para canoas. Los valores típicos están entre 0,70 y 0,80.

 

4.2.5       Detalles de proa y popa

Ningún otro elemento de la embarcación muestra más libertad de imaginación para el diseñador que en los extremos del casco. En un momento u otro, se han probado casi todas las formas imaginables.

Es importante aquí considerar que las formas adoptadas para la proa y la popa condicionan la posición del Centro de Carena (centro de empuje). Si éste se encuentra muy a popa, la embarcación será “resistente” al cambio de rumbo. Si se encuentra muy a proa, puede hacer que la embarcación sea demasiado sensible a los cambios de rumbo y por ello, inestable en situaciones de “cuchareo”.

Nuevamente, es la forma de la línea de agua lo que es importante en cuanto a la rapidez del kayak y con qué facilidad gira en el agua.

El casco de un kayak de mar es raramente simétrico de proa a popa, y generalmente tienen su punto más ancho detrás del cockpit. Esto comúnmente es denominado como forma Sueca (Swedish), en contraste a los cascos que tienen su punto más ancho en un punto más adelante del centro, que son referidos como forma de Pez (Fish).

 

La diferencia principal estriba en la posición longitudinal del Centro de Empuje, más a popa en el casco tipo “sueco” y más a proa en el casco tipo “pez”.

4.2.6       Guiñada

Con cada palada, la canoa es propulsada hacia adelante, pero como la potencia se aplica fuera del centro, la canoa no navega en línea recta, sino haciendo pequeños zig-zags. Esta desviación del rumbo, llamada "guiñada", es más evidente en las paladas de los palistas principiantes, pero incluso los expertos tienen algún problema.

La pérdida de energía en los cambios de rumbo puede ser sustancial. Una "solución" puede ser una quilla externa, como la ya vista tipo “cola de Delfín” pero más recientemente, los diseñadores se han inclinado hacia las líneas de quilla recta. La mejora aumenta la superficie mojada, lo que puede tener un inconveniente. Si se observa una canoa, podemos ver que la proa describe un arco más pequeño que la popa, de lo que podemos deducir dos cosas:

1.)                   Este aumento del plano lateral en la popa puede ser ventajoso en la prevención del giro.

2.)                   La reducción del plano lateral a proa, permite describir a ésta un arco más grande.

El efecto en la maniobrabilidad de una embarcación con asiento aproante o apopante es bien conocido. Toda persona que ha intentado dirigir una canoa con diferencia de calados “aproante” ha experimentado el efecto de falta de estabilidad para mantener el rumbo.

 

4.2.7       Efecto del timón sobre la Velocidad.

Veamos qué efecto tiene un timón en un kayak y “qué nos cuesta” su uso en términos de velocidad. Supongamos que disponemos de timón y lo metemos a una banda (en este caso, a Estribor.).

Observamos que aparece una fuerza “Pr” situada en la pala del timón, provocada por la presión de los filetes líquidos que actúan contra la pala.

Si se descompone Pr en dos fuerzas, Pn y R, perpendicular al timón y en su sentido, el modelo no varía, pero podemos estudiar separadamente el efecto de cada fuerza. R es una fuerza de “retención” al movimiento de avance. Pn es la fuerza que vamos a estudiar.

Aplicando en el Centro de Gravedad dos fuerzas iguales y contrarias a Pn, (Pn´ y –Pn),  el equilibrio no varía, pero permite estudiar el efecto de Pn separadamente. 

 

Se observa que aparece un par de fuerzas Pn, -Pn , responsable del momento evolutivo de la embarcación, en este caso, hace caer la proa a a Er.,  (en rojo en la figura).

Descomponiendo ahora (Pn’) en dos fuerzas, una longitudinal y otra perpendicular al plano de deriva, aparecen dos fuerzas, Pt y Pr. (verde y azul respectivamente en la figura). Pt es responsable de la tendencia al desplazamiento lateral (abatimiento) y Pr, es una retenida al avance de la embarcación.

En conclusión, al meter el timón a una banda, se producen tres efectos: Retención de Velocidad (fuerzas R y Pr), Momento Evolutivo (Pn,-Pn) y Desplazamiento Lateral (Pt).

Nos quedaremos aquí con uno de los conceptos que queríamos resaltar: el timón, no solo produce un efecto evolutivo sino que además, produce una retenida al avance. Cierto que en un kayak sin timón, hay que proporcionar el efecto evolutivo dando más potencia a una pala que a otra, pero esto, no tiene que representar una disminución de velocidad mientras que se mantenga la media de la potencia aplicada con ambas palas.

 

4.2.8       Método KAPER para medir el Rendimiento de un Kayak

Entre otros aspectos a tener en cuenta en la elección de un kayak es su rendimiento frente a una "palada". Este es un aspecto difícil de medir para realizar una comparación entre las diferentes ofertas de kayak. Es evidente que el rendimiento es una palabra que puede abarcar muchos aspectos, como capacidad de giro, maniobrabilidad, estabilidad, etc.,  pero en lo que casi todo el mundo piensa, es en la velocidad. Por supuesto que ganaría el "ranking" aquel que a igualdad de potencia en la palada, avanzara más metros. Para ello, se ha intentado establecer un criterio, es decir, obtener un coeficiente que evalúe la resistencia al avance del kayak. Uno de los métodos para evaluar un kayak es mediante el rendimiento de un kayak por el Método Kaper.

El Método Kaper, fué diseñado especialmente para medir la resistencia al avance y se utiliza solo para canoas y kayaks. Fue desarrollado originalmente por John Winters, Ingeniero Naval, especializado en el diseño de este tipo de embarcaciones.

Se basa en datos estadísticos obtenidos por las pruebas de los modelos. Su método fue posteriormente ampliado por Matt Broze para relaciones mayores  velocidad / eslora e incorporar más variables en las ecuaciones.

La figura siguiente es el resultado de la aplicación del Método Kaper al Kayak Tipo.

Centrando nuestra atención en la línea Rt (Línea roja), podemos comparar el rendimiento de dos kayaks a diferentes velocidades entre 1,5 y 5,5 nudos.

Por razones de cálculo, limitado a este tipo de embarcaciones, el rango de parámetros válidos para el método de Kaper es el siguiente:

  • coeficiente prismático 0.48-0.64
  • popa sumergida relación de 0.0 a 0.04
  • A ninguna de las otras variables que no sea el ángulo de entrada de la línea de flotación se le permite ser igual a cero.

Existen varios programas que permiten conocer estos valores a nivel comparativo.

NOTA: El centro de flotación utilizado en el método de Kaper se mide desde la proa y se dimensiona dividiendo la distancia por la longitud de la línea de flotación.

 

5         EVALUACIÓN DE Estabilidad

La estabilidad es la tendencia que debe tener una embarcación para recobrar su posición inicial cuando ha sido apartada de ella por acción de fuerzas exteriores como puedan ser la mar o el viento.

·        Atendiendo al concepto de estabilidad podemos distinguir:
Estabilidad estática, el conjunto de fuerzas que actúan sobre el barco en una escora determinada.

·        Estabilidad dinámica, el trabajo que hay que efectuar para llevarlo desde el ángulo de inclinación hasta la posición de equilibrio.

Las posiciones relativas del Centro de Gravedad y del Centro de Carena de un buque, determinan el par de estabilidad y éste depende de las posiciones relativas del Centro de Gravedad y del Centro de Carena. Para los diferentes casos podemos distinguir los equilibrios siguientes:

1.- EQUILIBRIO ESTABLE O ESTABILIDAD POSITIVA
Cuando al escorar un buque, a causa de una fuerza exterior, M se encuentra situado por encima de G, el brazo del par generado hace adrizar al buque

2.-EQUILIBRIO INDIFERENTE O ESTABILIDAD NULA
En el caso de que coincidan G y M no se genera ningún par de fuerzas por lo que el buque quedará en la posición escorada.. GM nulo.


3.- EQUILIBRIO INESTABLE O ESTABILIDAD NEGATIVA.

Las tres situaciones se dan en la estabilidad del kayak (con el palista a bordo, naturalmente).  Si el palista no modificara su posición, dentro de un pequeño ángulo, el kayak se encuentra en Equilibrio Estable. Una pequeña escora será corregida automáticamente por el par adrizante.

Si se continúa escorando, pasa a Equilibrio Indiferente, a partir de cuyo ángulo de escora se convierte en Equilibrio Inestable.

En la figura anterior, con una escora relativamente pequeña, el kayak se encuentra en Equilibrio Inestable. El par de fuerzas compuesto por Peso-Empuje, tiende a escorar aún más el kayak. Entonces, ¿porqué no vuelca?. De hecho, es de las cosas más frecuentes. Sin embargo, cualquier palista con un poco de experiencia, puede responder a esto. Porque el palista inclina su peso al lado contrario a la escora, compensando (dentro de ciertos márgenes) la escora producida.

La figura muestra como el desplazamiento del palista genera un nuevo par adrizante y restablece el equilibrio con una Estabilidad Positiva.

Naturalmente, el restablecimiento del equilibrio se hace a costa del esfuerzo del palista, de forma que un kayak con poca estabilidad inicial o navegando en aguas turbulentas puede causar un exceso de fatiga.

A pesar del movimiento del palista, la estabilidad de un kayak nunca está 100% asegurada. El elemento más importante en el mantenimiento de la estabilidad es el uso como estabilizador de la pala del remo.

Cualquier kayaquista sabe que en un kayak parado, el solo hecho de introducir una pala horizontalmente en el agua, le proporciona un “punto de apoyo” para mantener la estabilidad, con un poco de habilidad y menos esfuerzo.  Aún en presencia de olas, puede mantenerse la estabilidad con este procedimiento.

Pero, ¿qué ocurre con el kayak navegando y peor aún, en presencia de olas?. El uso de la técnica combinada de mantenimiento de la estabilidad con la propulsión es proverbial.  El conocimiento del doble uso de la pala como elemento de propulsión y al mismo tiempo, como punto de apoyo para mantener la estabilidad, determina en gran medida el dominio de la embarcación, tanto en aguas tranquilas como en presencia de olas de altura incluso superiores a la eslora.

Para mantener la estabilidad longitudinal, algunos kayakistas hablan de mover el peso del cuerpo hacia adelante para cambiar la distribución longitudinal de peso, pero esta acción, no tiene gran influencia en un kayak de mar. Si se es muy flexible, puede moverse cerca del 10% del peso corporal hacia delante, alrededor de 30 cms. 1 litro (1 kilo) de agua en el extremo del kayak tiene un efecto similar en tu distribución a 8 litros (8 kilos) en un compartimiento estanco.

De ahí que si el palista pesa 80 kilos,  mover el 10% de su peso (8 kilos) unos 30 cms. hacia adelante del punto de equilibrio tendrá un efecto prácticamente insignificante.

 

5.1             Casco redondo o de pantoque vivo

La baja estabilidad transversal de un kayak, puede “desconcertar” a un palista novato por la rapidez con que pierde la estabilidad, máxime si se trata de un kayak con casco redondo.

 

En este punto es conveniente recordar que un casco de chapas (de “pantoque vivo”) introduce el equivalente a las “quillas de balance virtuales” que retrasan el balance y también, por supuesto, la recuperación.

 

6         Conclusión

Durante  siglos, los barcos fueron construidos “a ojo”, como resultado de habilidades y conocimientos acumulados que fueron transmitidos a las generaciones posteriores. Las mejoras se fueron haciendo muy lentamente, en la mayoría de los casos, por tanteos y aproximaciones sucesivas. La comparación entre embarcaciones del mismo tipo pero de distinto constructor, se hacía muy difícil por falta de elementos que permitieran evaluar objetivamente ambas embarcaciones. Se necesitaba una normalización de criterios para que la evaluación fuera imparcial.

Sólo en los últimos 100 años, la ciencia ha jugado un papel importante en el diseño de un barco. Incluso hoy en día, los barcos rara vez son "diseñados". En general, suelen ser adaptaciones de formas anteriores con más o menos variaciones para dar personalidad a una embarcación. Dado el aparente éxito de este método, muchos han cuestionado la necesidad de realizar un enfoque más científico al diseño de una embarcación. El valor, por supuesto, radica en el carácter laborioso de aproximaciones sucesivas y la preponderancia del fallo sobre el éxito.

El diseñador, utilizando métodos desarrollados a través de la experimentación (y por supuesto, de tanteo), es capaz de mejorar la “raza” de una embarcación con mayor rapidez mientras reduce al mínimo los errores y los riesgos mediante la aplicación de principios hidrodinámicos a su alcance. El conocimiento de los parámetros análogos de cada embarcación permite evaluar elementos tan sutiles y subjetivos como “maniobrabilidad”, “volumen”, “diseño marinero”, etc.

En este Artículo hemos tratado de proporcionar al kayakista una herramienta de evaluación válida para muchos tipos de embarcaciones pequeñas. Por ello, a efectos de seguridad, cualquier embarcación debe ser estudiada profundamente antes poner en circulación los planos de diseño.

Tenemos en estudio un programa de cálculo, en el que introduciendo los datos de la embarcación, podamos conocer las relaciones detalladas anteriormente y realizar de forma cuantitativa, una comparación entre dos modelos de kayaks diferentes, independiente de los factores subjetivos, como estética, color, etc. que pueden condicionar la adquisición.

 

Referencias:

    “Teoría del Buque”. Antonio Bonilla

    Articles from: John Winters

 

 

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