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A Ingenia Mecánica de

ANALISIS Y DISEÑO AERO-HIDRODINAMICO

DE UNA LANCHA ACUATICA DE

PROPULSION A VELA

TRABAJO DESARROLLADO PÓR:

HHUAMANI CORAHUA LUIS MIGUEL CODIGO 10130137

Ingeniería Mecánica de Fluidos

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A Ingenia Mecánica de

Dedicamos este trabajo a la

comunidad en general para que

puedan mejorar sus

conocimientos en lo que

respecta al estudio de la

aerodinámica.

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A Ingenia Mecánica de

INDICE

INTRODUCCION

OBJETIVOS

MARCO TEORICO

CAPÍTULO I

Sistemas de propulsión a vela

1.1. Definición……………………………………………………………………….5

1.1.1. Conceptos importantes…………………………………………………6

1.1.2. Componentes de un sistema de propulsión a vela………………..7

1.1.3. Aerodinámica de un sistema de propulsión a vela………………..9

1.1.4 Aerodinámica de un sistema de propulsión a vela………..…….12

CAPÍTULO II

Consideraciones de diseño

2.1 Diseño del plano antideriva: orza. ……….……………………………..16

2.1.2 Definición de la sección de la orza…………………………………….17

2.1.2 Criterio para elección del perfil…………………………………….17

2.2 Diseño del plano velico…….……………………………………....21

2.2.1 Diseño de la superficie vélica……………………….………...22

2.2.2 Estimación del abatimiento………………………………………..26

CONCLUSIONES……………………………………………………………….......27

ANEXOS………………………………………………………………………………28

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………31

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A Ingenia Mecánica de

INTRODUCCION

En el siguiente trabajo mostraremos una los efectos de aero e hidrodinámicos en

un sistema de propulsión a vela aplicado a un yate de vela, para ello definiremos

en primer lugar que es un sistema de propulsión a vela, de igual manera

mostraremos el mecanismo de acción y sus principales componentes en un

aspecto general ya sea para yates a vela o para otros dispositivos que cuenten

con este sistema de propulsión a vela, como barcos veleros o embarcaciones

menores. También analizaremos conceptos importantes como la aerodinámica

como la fuerza de sustentación y fuerza de resistencia y explicaremos la

aerodinámica en la navegación a vela.

En la segunda parte mostraremos los criterios para el diseño de orza y el plano

velico, para ello aplicaremos la teoría dada en clase para los criterios de selección

de perfiles de máxima sustentación y menor perdida, también analizaremos el

tipo de familia elegido explicando la nomenclatura usada para finalmente hacer un

balance de fuerzas aerodinámicos e hidrodinámicas y así conseguir la estabilidad

y eficiencia del sistema desarrollado.

OBJETIVOS

Observar que fenómenos asociados a la teoría de la aerodinámica ocurren en el

sistema de propulsión a vela elegida y las consideraciones para su diseño.

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A Ingenia Mecánica de

CAPITULO I

Sistema de propulsión a vela

1.1. Definición:

Cuando uno habla de sistemas de propulsión a vela hace referencia a lo que

denominamos como veleros, estos a su vez sufren modificaciones como

actualmente se usan los yates veleros, los cuales serán parte de nuestro estudio.

Contrariamente a lo que suele suponerse, la propulsión de la embarcación no se

produce por el mero empuje del viento sobre las velas. Si así fuera los veleros

serían muy poco maniobrables y sólo podrían navegar en la dirección del viento.

Esta circunstancia fue cierta durante la utilización exclusiva de velas cuadradas -y

efectivamente, con una limitación seria de la maniobrabilidad, lo que llevó a

combinar durante siglos la vela con los remos, para poder avanzar cuando el

viento era desfavorable-, pero la aparición de nuevos aparejos con velas

triangulares o trapezoidales unidas al palo por un solo borde (llamado gratil)

permitió ampliar la capacidad de maniobra de los barcos al aprovechar otras

fuerzas, que serían descritas por el físico Daniel Bernoulli en 1738.

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A Ingenia Mecánica de 1.1.1 Conceptos Importantes

Mecanismo:

Cuando un velero recibe viento de través o en ceñida, el aire recorre la curvatura

de la vela. El flujo de aire que atraviesa por la parte convexa de la vela (lado

de sotavento) encuentra un canal más estrecho, y, para poder atravesarlo, sufre

una aceleración respecto del aire circundante, que produce al mismo tiempo una

disminución de la presión. Por el contrario, el flujo de aire que pasa por la parte

cóncava de la vela (lado de barlovento) encuentra un canal más amplio y sufre

una desaceleración respecto del aire circundante, al mismo tiempo que un

aumento de la presión.

Acción del viento sobre la vela en ceñida.

Cuanto más viento llega hasta la vela, más potente es este efecto: al disminuir la

presión del lado de sotavento, mayor caudal de aire recibe cuando se divide el

flujo que llega hasta la vela, debido a que el aire es atraído por las zonas de baja

presión. El efecto exactamente contrario sucede en el lado de barlovento: a mayor

presión, menor aire que es atraído y que debe recorrer el espacio ampliado por la

concavidad de la vela; más disminuye la velocidad y más aumenta la presión;

hasta que se llega a un punto de equilibrio que es cuando se alcanza la máxima

velocidad para esas condiciones de viento.

La fuerza total producida por la acción del viento sobre la vela, como puede

apreciarse en el esquema, es oblicua respecto de la dirección de la embarcación,

y la descomposición de esa fuerza determina que la fuerza mayor es

perpendicular a la dirección del barco. Esa fuerza es compensada por la

acción de la quilla,

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A Ingenia Mecánica de del quillote o de la orza, y del timón, que reducen (aunque no eliminan) la

tendencia a navegar de costado hacia sotavento y limitan la inclinación del velero

(denominada escora).

1.1.2 Componentes de un sistema de propulsión a vela

Orza

Una orza es una pieza, que puede ser retráctil, habitualmente de madera,

de hierro o más comúnmente en la actualidad defibra de vidrio, utilizada para

evitar la deriva producida por el viento. La orza puede estar situada a los

costados, como en las embarcaciones antiguas, o en una caja central colocada

bajo la quilla de la embarcación, puede tener forma rectangular como en el caso

de los veleros de la clase Optimist, ovalada como en los de las clases 420 y 470 o

trapezoidal como en el caso de los cruceros monocasco. También hace referencia

a la orza de avante o de novela, que es la orza a popa del trinquete.

La orza es una pequeña quilla replegable que pivota en una apertura en el casco de una

embarcación.

Carena

Carena se denomina al volumen limitado por el casco y por la superficie de

flotación en un buque. También puede denominarse carena al volumen

sumergido. La obra viva es la parte del buque por debajo de la superficie de

flotación, por tanto, correspondiente a la carena. La parte superior es la o b ra

m u e rt a , y se consideran espacios de la misma al c a sc o , desde la flotación hasta

la cubierta más alta que sea continua, resistente y estanca, y a las

superestructuras que sean estancas. La obra muerta es, también, la reserva de

flotabilidad que tiene el buque para hacer

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A Ingenia Mecánica de frente a un incremento del volumen sumergido. Con respecto a la obra viva y a la

obra muerta, podemos hablar de la superficie y del volumen de cada una de ellas.

Vela

Una vela es toda superficie—generalmente una pieza de tela o lámina de material

plástico— utilizada para propulsar una embarcación mediante la acción del viento

sobre ella. El conjunto de todas las velas de la embarcación forma el velamen,

que es parte de lo que se denomina el aparejo de la embarcación.

Una clasificación general, sería:

Vela cuadrada o cuadra: Las velas cuadradas o cuadras se denominan

específicamente según su disposición sobre el palo. Por orden ascendente

se denominan:

- Las del palo mayor: mayor, gavia baja, gavia alta, juanete mayor

baja, juanete mayor alto, sobrejuanete mayor, sosobre mayor y

monterilla.

- Las del trinquete: trinquete, velacho bajo, velacho alto, juanete de

proa bajo, juanete de proa alto, sobrejuanete de proa y sosobre de

proa.

- Las del palo de mesana: mesana, sobremesana baja, sobremesana

alta, perico bajo, perico alto, sobreperico y sosobreperico.

Vela de cuchillo: Se denomina de cuchillo porque va orientada en el centro

del buque, envergada en el palo. Se llama también vela áurica. Comprende

esta clase las trapezoidales como la vela cangreja y la vela de estay.

También son velas de cuchillo las de forma triangular, como los foques

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A Ingenia Mecánica de

1.1.3 Aero-hidrodinámica: Sustentación y resistencia en sistemas de

propulsión a vela

Para un entendimiento de la navegación a vela por completo, desde las fuerzas

aerodinámicas que nos propulsan, hasta las fuerzas hidrodinámicas que evitan

los efectos indeseados de la propulsión a vela, se expone a continuación una

breve introducción sobre el comportamiento de los cuerpos en movimiento dentro

de un fluido que en un caso será agua, en el caso del timón y la orza, y aire, en el

caso de las velas pero que comparten los mismos principios.

Un cuerpo simétrico en movimiento sumergido en un fluido ideal se representa

con unas líneas de corriente que se distribuyen alrededor del cuerpo de forma

simétrica, por ambas caras el fluido tiene la misma velocidad y presión por lo que

hay una línea que divide simétricamente el cuerpo. La presión total es la suma

de la presión estática y la dinámica, esta última viene definida por la ecuación de

Bernoulli de la siguiente manera:

q = ½*ρ*V^2

El fluido se frena en la parte delantera, en la zona denominada punto de

estancamiento, donde la velocidad es cero y la presión dinámica es máxima. En la

zona de atrás la velocidad aumenta lo que supone una presión negativa.

Cuando el cuerpo no es simétrico o se enfrenta a un fluido con un ángulo

denominado ángulo de ataque, el fluido se comporta de forma distinta en una

cara y en la otra. Esto se debe a un reparto desigual de las velocidades y presión

en las caras. Se sabe que las partículas del fluido que viajan por la cara con

forma más curva o en el cuerpo simétrico la cara más separada a la entrada del

fluido (sotavento) viajan a mayor velocidad ya q tienen que recorrer mayor

espacio en el mismo periodo de tiempo y por lo tanto en esa cara la presión es

menor. Por el contrario en la cara que recibe directamente el fluido (barlovento),

este viaja a menor velocidad y se alcanza mayor presión dinámica. Esta diferencia

de presión en las caras genera una fuerza de empuje perpendicular a la dirección

del fluido y en sentido ascendente denominada Fuerza de Sustentación.

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A Ingenia Mecánica de

Por otro lado aparece otra resistencia que se denomina Resistencia Inducida que

se debe a las corrientes descendentes que se crean y que hacen variar el ángulo

de ataque del perfil dando como resultado una disminución del empuje y un

aumento de la resistencia.

A continuación se muestran las expresiones de la fuerza de sustentación y

resistencia total.

• Fuerza de sustentación:

L=½ ρ CL SP V2

• Resistencia total:

D t =D f +D i

D f =½ ρ Cf Sm V2

D i =½ ρ C L Sp V2

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A Ingenia Mecánica de • Donde:

ρ: Es el peso específico del fluido alrededor del cuerpo (kg/m3).

C L: Es el coeficiente de sustentación (adimensional).

SP: Es la superficie proyectada del cuerpo (m2).

V: Es la velocidad del fluido con respecto al cuerpo (m/s).

Cf: Es el coeficiente de fricción (adimensional). Sm: Es la superficie

mojada del cuerpo (Sm= 2S p).

Tanto la resistencia inducida D i, como el coeficiente de sustentación CL,

dependen de la relación de aspecto y el ángulo de ataque.

C L: α*2π/1 + (3/A Re)

D i: C L2/ (π*A Re)

Siendo la relación de aspecto efectiva la cual varía entre una a dos veces

la relación de aspecto geométrico, según el sistema de fluido alrededor del

cuerpo se acerque más a la condición bidimensional explicada con

anterioridad.

Para terminar con este apartado de la aero-hidrodinámica hay que explicar el

concepto del Ángulo de Barrido. Este es un ángulo de ataque para el cual el

cuerpo no es capaz de generar fuerza de sustentación debido a la separación

del fluido de la cara de sotavento. Depende principalmente de la velocidad del

fluido, la relación entre el grosor y la cuerda y del tipo de sección del perfil

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A Ingenia Mecánica de 1.1.4 Aerodinámica de un sistema de propulsión a vela

Una vez conocido los conceptos previos a lo que significa las partes de los

sistemas de propulsión a vela, como los yates a vela, explicaremos el

funcionamiento y comportamiento aerodinámico de estos.

En este apartado trataremos de explicar las fuerzas que se generan por la

navegación a vela entre las que hay unas claramente beneficiosas como son las

que nos propulsan y otras perjudiciales como son la resistencia y la fuerza

aerodinámica lateral. Esto nos ayudara a entender las funciones del timón y la

orza.

La propulsión moderna a vela, que es la que nos interesa para este capítulo, se

basa en la propulsión gracias a la sustentación creada por un perfil aerodinámico.

Las velas deben poder propulsar el barco ya venga el viento de la banda de

estribor como de la banda de babor, por lo que el perfil que usaremos será una

fina tela que adoptara una forma aerodinámica no permanente.

Como explicamos anteriormente para que se genere una fuerza de empuje es

necesario que exista un cierto ángulo de ataque entre el fluido y el perfil, en este

caso entre el viento y la vela. Gracias a este ángulo empezaran a surgir fuerzas

que se explican a continuación con apoyo del esquema.

Esquema de fuerzas en un velero

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A Ingenia Mecánica de

En principio tenemos un velero con una única vela donde Vb es la velocidad del

velero, Vr es el viento real, Va es el viento aparente creado por la composición de

los vectores Vb y Vr. El ángulo α es el que forma el perfil aerodinámico (vela) y el

viento aparente que es el que realmente nos propulsa.

Como consecuencia de este flujo de aire a través del perfil se crea una vector L

que es la sustentación aerodinámica y por consiguiente un vector D referente a la

resistencia al avance. Al unir estos dos últimos vectores obtenemos la Fuerza

Aerodinámica total de la cual se descomponen dos vectores que son el Fap o

fuerza aerodinámica propulsora y el vector Fal o fuerza aerodinámica lateral.

En consecuencia a estos dos últimos vectores que componen la fuerza

aerodinámica total obtenemos por un lado la propulsión que mueve el barco y por

otro lado la Fuerza aerodinámica lateral que pasaremos a describir.

Fuerza aerodinámica lateral:

A modo de resumen la fuerza aerodinámica lateral provoca los siguientes efectos:

• Deriva o abatimiento.

• Par escorante.

• Estabilidad de rumbo.

La deriva es el desplazamiento lateral del barco y el abatimiento es el ángulo que

forma la dirección proa-popa con respecto a la dirección real de desplazamiento

de la embarcación. Como consecuencia de ese desplazamiento lateral la obra

viva del velero genera mayor resistencia al avance. Para luchar contra este efecto

indeseado de la propulsión a vela se crea lo que se denomina Plano anti-deriva u

orza que generara una fuerza de sustentación que iguale a esta deriva. Esta

fuerza de sustentación creada por la orza se generará gracias al ángulo de

ataque que exista entre el avance del barco y por lo tanto el movimiento del fluido

y el plano anti-deriva. La fuerza de sustentación se aplica en un punto

denominado CRL o Centro de Resistencia Lateral.

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A Ingenia Mecánica de

El par escorante es otra de las consecuencias de la fuerza aerodinámica lateral y

se debe a que dicha fuerza se aplica en el Centro de Presión Velica o CPV y este

no se encuentra a nivel del mar sino a una cierta altura ya que las velas se sitúan

de forma vertical y también debido a la fuerza de sustentación creada por el plano

anti-deriva u orza aplicada en el CRL. Estas dos fuerzas multiplicadas por la

distancia del CDL y CPV provocan un par escorante. Para contrarrestar este par

se procede de dos formas distintas, por un lado mediante las formas del barco,

que al hacerlas más llenas aumentan la estabilidad por formas y por otro lado

bajando el centro de gravedad dotando de lastre fijo, normalmente de plomo, a la

orza.

Por último la estabilidad de rumbo es la característica de que el velero mantenga

el rumbo sin necesidad de mover el timón. Esto se consigue teniendo bien situado

el CRL y CPV. Pueden ocurrir tres casos distintos:

CPV a proa de CRL, la embarcación tiende a arribar, es decir separar la

proa del viento.

CPV a popa de CRL, la embarcación tiende a orzar, es decir a acercar la

proa al viento.

CPV en la vertical de CRL, la embarcación tiene equilibrio velico.

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A Ingenia Mecánica de

CAPITULO II

Consideraciones de diseño

En los sistemas de propulsión a vela, en nuestro caso un yate velero, vemos que

hay ciertos fenómenos asociados a la teoría de la aerodinámica que son

necesarios tener en cuenta, ya que estos producen importantes consecuencias ya

sea en el rendimiento o diseño del sistema de propulsión a vela.

Analizaremos los efectos tantos aerodinámicos como hidrodinámicos en un yate

velero, este análisis a la vez es válido para toda embarcación que sea de este

tipo, ya que parte de un análisis general que puede ser aplicado a uno en

particular.

Para esto aplicaremos parte de la teoría aplicada en clase como la de aplicar los

criterios de elección de un perfil de máxima sustentación y de la selección de la

familia ya sea el caso si es necesario aplicar un hipersustentador.

Este capítulo analizara lo siguiente:

Diseño de la orza, parte importante para la flotabilidad del yate.

Diseño del plano velico, esto se refiere a los efectos aerodinámicos en

las velas.

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A Ingenia Mecánica de 2.1 Diseño del plano anti-deriva. Orza

Una vez que ya hemos visto como se generan las fuerzas de sustentación en los

perfiles hidrodinámicos y que conocemos los principios de la navegación a vela y

sus consecuencias, podemos pasar a describir con detalle el plano anti-deriva y a

diseñar el nuestro.

La orza como debe cumplir dos funciones para contrarrestar los efectos

indeseados de la propulsión a vela que son:

Función Hidrodinámica: Generar fuerza de sustentación para evitar la

deriva con el menor ángulo de ataque posible y la menor resistencia.

Función Adrizante: Debe servir para disminuir el KG, o lo que es lo mismo,

para bajar el centro de gravedad y asi contrarrestar el par escorante.

Para cumplir con estos dos propósitos podemos definir la orza como un cuerpo

hidrodinámico que genere una sustentación equivalente a la fuerza aerodinámica

lateral que hace derivar a nuestro barco, con la mínima resistencia al avance y

con un volumen suficiente para albergar el lastre que se desee en caso de diseño.

La orza está definida por un gran número de parámetros que se relacionan entre

si y que definirán la forma de la misma. Estos parámetros son, la superficie

proyectada de la orza (Sp), el calado de la orza (Tk), la relación de aspecto (A R),

la relación de aspecto efectiva (A Re), la cuerda media (Cm), el desplazamiento

de la orza (Ao), el ángulo de barrido (Sweep angle), la relación de afinamiento

(Tr), así como otros parámetros que si bien no son propios de la orza,

condicionarán su diseño, como es el Angulo de Dellenbaugh y la superficie vélica

proyectada.

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Aerodinámica

2.1.1 Definición de la sección de la

Ingenia Mecánica de

A lo largo del curso hemos visto diferentes tipos de criterios para elegir un perfil,

ya sea de acuerdo a las fuerzas de sustentación y arrastre, las cuales podemos

hallar a través de los coeficientes de sustentación y arrastre. Uno de los factores

determinantes en el buen diseño de la orza es la elección de la sección del perfil

hidrodinámico. Una buena o mala elección de este perfil nos ofrecerá mayor o

menor coeficiente de empuje y mayor o menor resistencia. Para elegir la sección

más apropiada a nuestro diseño tenemos que saber cuánto empuje queremos

generar, con que ángulo de ataque queremos conseguir dicho empuje y la

velocidad con la que vamos a hacer trabajar al perfil, todo ello lógicamente con la

menor resistencia posible.

La sección viene definida por varios factores como es la relación entre su grosor y

la cuerda media, la posición longitudinal del punto de mínima presión o máxima

velocidad o lo que es lo mismo, de máximo grosor, el coeficiente de sustentación

en el caso de tenerlo y la posición del centro de presión. Por otro lado cada perfil

tiene un comportamiento que lo define y estos son; la posición donde el fluido

pasa de régimen laminar a turbulento y el ángulo de ataque máximo a partir del

cual se entra en perdida.

2.1.2 Criterio para elección del perfil de acuerdo al tipo de familia

En 1929 se empezaron a desarrollar unos perfiles por la asociación

estadounidense NACA, siglas del Comité Nacional de la Aeronáutica entre los que

destacan para el uso en timones y orzas son la serie 63 y 65. Para entender la

nomenclatura de los perfiles NACA se expone la siguiente grafica detallando a

que corresponde cada uno de los dígitos.

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A Ingenia Mecánica de

En este perfil NACA 641-212 se describe un perfil no simétrico donde su primer

digito el 6 nos indica que es de la serie-6, el segundo digito nos indica la posición

longitudinal del punto de mínima presión en 1/10% de la cuerda, en este caso

esta como se ve en la imagen al 40% de la longitud de la cuerda. El subíndice 1

nos indica que la resistencia se mantiene 0,1 por arriba y por abajo del coeficiente

de empuje o sustentación. El cuarto digito que en nuestro caso es un 4 indica el

coeficiente de sustentación por 1/10, en este caso CL es de 0,2. Para terminar

los

2 últimos números que en nuestro caso son el 12 indica la relación de grosor de la

sección, o lo que es lo mismo, el espesor máximo Tmax entre la cuerda que en

este caso es del 12%.

En el diseño de orzas y timones no queremos que sean asimétricos las secciones

porque en ese caso crearían empuje sin necesidad de un ángulo de ataque. Para

explicar estas secciones se expone a continuación un ejemplo de una sección

simétrica.

En esta sección de la serie 6, el punto de mínima presión se encuentra al 30% de

la cuerda, tiene un coeficiente de sustentación C L de 0 y nos indica por ultimo

con los dígitos 09 que la relación de espesor T max/C es del 9%.

Las secciones más usadas en las orzas son la serie de 63 y 65 a diferencia de la

serie de 4 dígitos ya que esta última tiene más resistencia para un ángulo de

ataque de 0 grados. Para elegir la más propicia se expone a continuación la

siguiente grafica donde se relaciona la resistencia en función del espesor para un

ángulo de ataque de 0 grados.

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A Ingenia Mecánica de

Resistencia en función del espesor

Para ángulos de ataque muy pequeños de entre 0 a 6 grados como los que se

usan para crear el empuje por la orza es preferible usar la serie 65 a la 63 ya que

reduce la resistencia como se observa en la siguiente gráfica.

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A Ingenia Mecánica de

A partir de 6 grados es preferible usar la serie 63 ya que retrasa la separación del

fluido y la entrada en régimen turbulento. De lo que se deduce que para el timón

usaremos la serie 63 ya que sabemos que los ángulos en los que trabajará el

timón son mayores que los de la orza y por supuesto mayores de 6 grados.

Como se muestra en la siguiente gráfica, la sustentación depende de la sección y

el ángulo de ataque.

Para pequeños ángulos de ataque de hasta 11 grados tanto la serie 63-021 como

la serie 63-009 o 65-009 tiene un coeficiente de empuje similar entrando en

barrena estos dos últimos con un espesor del 9% para ángulos de ataque

superiores a 11 grados. Por todo esto podemos concluir que en el caso de la

orza es preferible usar una sección de la serie 65 ya que tiene menos resistencia

para ángulos nulos o muy pequeños y usar una relación de espesor de entre el

9% donde la resistencia aumenta mucho para ángulos menores a 2 grados y

mayores a 11 y relaciones de espesores menores de 21%.

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A Ingenia Mecánica de

2.2. Diseño del plano velico

Una vez visto en el anterior capitulo los criterios para el diseño de la orza

haremos lo mismo para el plano velico. El cuál es el conjunto de sistemas que

permite que el barco navegue con propulsión a vela.

Esto consiste en el dimensionamiento de la superficie vélica y el diseño de la

jarcia firme, así como la botavara y mástil. También consiste en distribuir la

superficie velica a lo largo de la eslora del barco para que la navegación que nos

ofrezca finalmente el barco sea lo más rápida, y cómoda posible.

En nuestro caso el diseño del aparejo, que comprende las velas, la jarcia de labor,

la jarcia firme, la botavara el mástil y en definitiva todos aquellos sistemas que nos

permiten navegar a vela, se diseñaran con un doble fin; la navegación de crucero

y la navegación de regata. Esta conjunción de estilos de navegación en muchos

aspectos se contrapone pero intentaremos llegar a unos puntos en común para

favorecer ambos estilos de navegación. Por un lado la navegación de crucero

exige superficies velicas menores y más repartidas entre la proa y la popa, con

una altura del centro de presión velica CPV no muy elevado, mientras que la

navegación de crucero nos exige arboladura más agresiva, con mástil más alto,

gran superficie vélica.

Tendremos que tener en cuenta e intentar llegar a un acuerdo por lo tanto entre

los siguientes puntos:

Estabilidad de la embarcación: Para que la embarcación no tenga una

gran escora debido a la fuerza aerodinámica lateral, la altura del centro

de presión vélica estará limitada CPV.

Resistencia de la embarcación: Debemos diseñar un plano vélico de

acuerdo con la resistencia que tenga nuestro barco al avance. Esto

consiste en diseñar una superficie vélica suficientemente grande como

para propulsar el barco.

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A Ingenia Mecánica de

Zona de navegación: Según la zona de navegación limitaremos la

superficie vélica del velero para adaptarlo al viento de dicha zona. Un

diseño de regata costera el viento reinante en la zona no limitará la

superficie vélica, mientras que un crucero oceánico sí.

La vela funciona como un perfil aerodinámico que genera una sustentación, por

ello si deseamos que el velero navegue bien en rumbos de ceñida se le deberá

dotar a este perfil aerodinámico de una relación de aspecto elevada, sabiendo

que por lo tanto el centro vélico subirá.

2.2.1 Diseño de la superficie vélica

Para introducirnos en la nomenclatura del diseño de la vela se expone el siguiente

dibujo donde se expone el foque o vela de proa y los mayores como dos

triángulos rectángulos:

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A Ingenia Mecánica de Donde se detalla los siguientes parámetros:

I: Es la distancia vertical entre el punto inferior del foque hasta su punto más

alto.

J: Es la distancia horizontal entre el punto más a proa del fique hasta su

punto más a popa

P: Es el equivalente a la I pero esta vez de la vela mayor, es decir la

distancia vertical desde la base de la mayor hasta su punto más alto que se

encontrará en el extremo del mástil.

E: Es en la vela mayor el equivalente a la J del foque, es decir la distancia

horizontal desde el extremo más a proa de la vela mayor, al extremo más a

popa.

Como hemos dicho que vamos a diseñar el plano vélico para rumbos de ceñida

empezaremos definiendo la superficie vélica en ceñida, que es la suma de las

superficies velica proyectada cuando se navega de ceñida. Para resumir los

cálculos esta es la suma de la superficie velica proyectada del foque y la

superficie vélica proyectada de la mayor.

As = Af + Am

Superficie vélica del foque Af = 0,5*I*J

Superficie velica de la mayor Am = 0,5*P*E

Para poder dimensionar I, J, P y E tenemos que conocer a que altura queremos

que se encuentre el centro de presión velica CPV, para ello usamos la gráfica del

ángulo de Dellenbaugh. Para poder acceder a la gráfica del ángulo de

Dellenbaugh que se muestra a continuación es necesario conocer cuál es nuestra

eslora de flotación Lwl, y el estilo de navegación, que este caso es de regata.

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A Ingenia Mecánica de

Grafica del ángulo de Dellenbaugh vs la eslora de flotación

Con la expresión del ángulo de Dellenbaugh podemos despejar el

brazo escorante HA:

279*Superficie vélica*Brazo escorante

Angulo de Dellenbaugh = Desplazamiento*GM

Equilibrio velico

Es de vital importancia la buena colocación del centro de presión vélica ya que su

posición en conjunción con la posición del centro de resistencia lateral tratado

antes, nos indicará la tendencia del barco a arribar o a orzar, en resumen nos

marca el equilibrio vélico del barco.

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A Ingenia Mecánica de

Para situar el CPV hay que tener en cuenta que:

CPV a proa de CRL, la embarcación tiende a arribar, es decir separar la proa

del viento.

CPV a popa de CRL, la embarcación tiende a orzar, es decir a acercar la

proa al viento.

CPV en la vertical de CRL, la embarcación tiene equilibrio vélico.

Hay que tener en cuenta también que cuando el barco escora debido a la acción

del viento, el centro de carena suele desplazarse a popa produciéndose así un

trimado hacia proa y tanto más se desplaza a popa el centro de carena cuanto

más a popa se encuentre la manga máxima y por lo tanto el CRL se desplazará a

proa.

Por lo que a la hora de equilibrar la posición del centro vélico hay que tener en

cuenta el avance del CRL. Es por eso que al CPV longitudinalmente se le dotará

de un avance o LEAD para dotar al velero de estabilidad de rumbo. El Lead

óptimo para una embarcación moderna de aparejo fraccionado ronda entre el 3%

y 7% de la eslora de flotación Lwl.

Esquema representativo del CPV y el CRL

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A Ingenia Mecánica de 2.2.1 Estimación del abatimiento

Vimos el diseño de la orza y concluimos que la orza es la que crearía la fuerza

hidrodinámica lateral que hará que el velero no abata, o que su deriva sea la

menor posible.

Sabemos que la fuerza hidrodinámica lateral (Fhl) que tiene que crear el barco

tiene que ser igual a la fuerza aerodinámica lateral (Fal). Para calcular la fuerza

hidrodinámica por lo tanto tenemos que calcular previamente la fuerza

aerodinámica lateral que viene definida por la siguiente expresión:

Desplazamiento*GM*sin (ángulo Dellenbaugh)

• Fuerza aerodinámica lateral = Brazo escorante

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A Ingenia Mecánica de

CONCLUSIONES

De acuerdo a lo analizado se concluye que en el caso de la orza es

preferible usar una sección de la serie 65-012 ya que tiene menos

resistencia para ángulos nulos o muy pequeños y usar una relación de

espesor de entre el

9% donde la resistencia aumenta mucho para ángulos menores a 2

grados y mayores a 11 y relaciones de espesores menores de 21%.

El ángulo de abatimiento de la embarcación está relacionado directamente

con la fuerza aerodinámica lateral generada por la vela, dado que la fuerza

hidrodinámica lateral es igual a esta, y este ángulo se despeja con el

coeficiente de CL el cual se halla si es conocida la fuerza de sustentación

generada por la orza.

Hay que tener en consideración que en el momento de diseñar el plano

velico se da el caso que el rumbo más complicado al que se debe

enfrentar una embarcación a vela es el rumbo de ceñida, es decir cuando

forma un ángulo menor de 45 grados con respecto al viento, debido a que

es en el que se navega por la sustentación creada por el perfil

aerodinámico y no por el empuje del viento como puede ser el rumbo de

popa, diseñaremos para este rumbo el plano vélico.

2

A Ingenia Mecánica de

ANEXO

PLA N O V E LICO

2

A Ingenia Mecánica de

EJ EMPLOS DE S ISTEM A DE P ROPULSIO N A V EL A

Proceso de incineración

Diseño de Vela para deportes olímpicos

3

A Ingenia Mecánica de

Vela crucero FEELING 52

Depósito de vertedero controlado

3

A Ingenia Mecánica de

BIBLI O GR AF I A

Documentos bibliográficos:

Principles of Yacht Design. Lars Larsson y Rolf E Eliasson. 1994

Aero-Hydrodynamic of Sailing. C.A. Marchaj. Segunda Edición

Reglamento para construcción y clasificación de yates ABS (American

Bureau of shipping), 1986

The Design of Marine Screw Propellers. T. P: O’ BRIEN CGIA, AMRINA

Documentos electrónicos:

http://guias.masmar.net/Apuntes-N%C3%A1uticos/T%C3%A9cnica-de-

Vela/Aerodin%C3%A1mica.-Teor%C3%ADa-de-la-vela.-Las-fuerzas.-Origen#

http://www.lsf.com.ar/libros/05/ingenieria-de-aguas-residuales-tomo-1/

http://www.sectormaritimo.com/lista/detalle.asp?id_contenido=582

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http://www.ricepropulsion.com/TNLS/que_es_la_propulsion.htm