Los principios de la vela en las competiciones de vela olímpica
La gente suele pensar que un velero sólo puede moverse en la dirección en la que sopla el viento, es decir, a favor del viento. Pero el foque permite que el velero también se mueva en contra del viento (se mueva contra el viento).
Antes de entender cómo movernos contra el viento, primero debemos entender algo sobre las velas.
Se llama borde de ataque al primer borde de una vela que recibe el viento, y se encuentra en la parte delantera del barco. El borde de salida del alerón trasero se llama borde de salida de la vela. La línea horizontal imaginaria que va desde el borde de ataque hasta el borde de salida de la vela se llama cuerda. La curvatura de la vela se llama calado y la distancia vertical desde la cuerda hasta el punto de máximo calado se llama profundidad de la cuerda. El lado de la vela que se llena de aire para formar una curva cóncava se llama lado de barlovento. El lado que sopla hacia afuera para crear una forma convexa se llama lado de sotavento. Ahora que entendemos estos términos, pasaremos a navegar. El barco se mueve en dirección de barlovento utilizando la fuerza generada por cada lado de la vela. La fuerza positiva en el lado de barlovento (empuje) y la fuerza negativa en el lado de sotavento (tracción) se combinan para formar una fuerza neta, las cuales actúan en la misma dirección. Aunque no estés de acuerdo, la atracción es la más fuerte de las dos fuerzas.
En 1738, el científico Daniel Boehring descubrió que la velocidad del flujo de aire aumenta en proporción al flujo de aire libre circundante, lo que resulta en una disminución de la presión, lo que hace que el aire fluya más rápido. Esto sucede en el lado de sotavento de la vela: el aire se mueve más rápido y crea un área de baja presión detrás de la vela.
El principio de Bernoulli actuando sobre los paraguas
¿Por qué se acelera el aire? El aire, como el agua, es móvil. Cuando el viento converge y es dividido por la vela, parte del viento se adhiere al bulto (el lado de sotavento) y levanta la vela. Para que el aire "no adherido" que está encima pase a través de la vela, ésta debe doblarse en dirección opuesta al flujo de aire que no se ve afectado por la vela. Pero ese libre flujo de aire tiende a permanecer recto e impedir la navegación. La combinación de flujo de aire libre y la vela curva crea un canal estrecho a través del cual debe pasar el flujo de aire inicial. Como no puede comprimirse, el aire debe acelerar para pasar por el estrecho conducto. Por eso la velocidad del aire aumenta en el lado convexo de la vela.
Una vez que esto sucede, la teoría de Bernoulli entra en vigor. El aumento del flujo de aire en un pasaje estrecho es más rápido que el aire circundante y la presión caerá en áreas donde la velocidad del flujo de aire aumenta. Esto crea una reacción en cadena. A medida que el aire nuevo se acerca al borde de la vela donde golpeó por primera vez el viento y se separa, fluye más hacia el lado de sotavento: el aire es atraído hacia áreas de baja presión y repelido por áreas de alta presión. Ahora incluso una masa de aire más grande tiene que ser exprimida más rápidamente en el estrecho canal creado por la superficie elevada de la vela y el libre flujo de aire, lo que resulta en una menor presión de aire. Esta situación se desarrolla hasta alcanzar la velocidad máxima de las condiciones de viento existentes y desarrollarse una zona de máxima baja presión en el lado de sotavento. Tenga en cuenta que el flujo de aire sólo aumenta después de alcanzar el punto más profundo de la superficie (profundidad cordal). Hasta llegar a este punto, el aire continúa convergiendo y acelerando. Más allá de este punto, el aire se separa y disminuye su velocidad hasta que vuelve a igualar la velocidad del aire circundante. (Manteniendo un ángulo óptimo entre la vela y el viento)
En el medio, ocurre lo contrario en el lado de barlovento de la vela. A medida que fluya más aire sobre el lado de sotavento, fluirá menos aire sobre el lado de barlovento a través del espacio ampliado entre el lado convexo de la vela y la corriente de aire libre. Debido a que estos flujos de aire se dispersan, su velocidad cae a una velocidad menor que la del aire circundante, lo que hace que la presión aumente.
Fuerzas generadas por una vela dentro de una lámina de aire
Ahora que entendemos estas fuerzas potenciales, ¿cómo las usamos realmente para mover un barco? Necesitamos crear una relación ideal entre la vela y el viento para que el viento no sólo acelere el flujo, sino que también fluya a lo largo del lado convexo de la vela. Parte de esta relación entre la vela y el viento se llama ángulo de ataque. Representa una vela recta contra el viento. El aire se divide uniformemente a cada lado: la vela se inclina en lugar de llenarse en una forma curva, el aire no se acelera para crear un área de baja presión en el lado de sotavento y el barco no se mueve. Pero si la vela está exactamente en el ángulo correcto con respecto a la dirección del viento, de repente se llena de viento y crea fuerza aerodinámica.
El ángulo de ataque debe ser muy preciso. Si el ángulo se mantiene demasiado cerca del viento, la parte delantera de la vela "virará" o aleteará. Si su ángulo es demasiado amplio, el flujo de aire que fluye a lo largo de la superficie curva de la vela se separará y el aire circundante se reunirá. Esta separación crea "zonas de pérdida" de aire en rotación, lo que hace que la velocidad del viento disminuya y la presión aumente. Debido a que la curvatura de la vela siempre hará que el extremo de cola de la vela forme un ángulo con el viento mayor que el ángulo que forma con el borde de la vela que primero golpea el viento, el aire en el borde de salida de la vela no puede fluyen a lo largo de la superficie curva y regresan en la dirección del aire libre circundante.
Lo ideal es que el flujo de aire no empiece a separarse hasta que llegue al borde de salida de la vela. Pero a medida que el ángulo de ataque de la vela se amplía, el punto de separación avanza gradualmente y mantiene todo lo que hay detrás en la zona de pérdida. Podrás ver que además de tener el ángulo de ataque correcto para permitir el paso del aire, otro factor importante en la relación entre el viento y la vela es que la vela debe tener la curvatura correcta para mantener el aire pegado a la popa. Si la curva es demasiado pequeña, el flujo de aire no se doblará y no habrá un efecto de compresión que resulte en una mayor velocidad. Si la curva es demasiado grande, no se puede conectar el flujo de aire. Por lo tanto, la separación sólo puede ocurrir si la curvatura no es demasiado grande y el ángulo de ataque no es demasiado amplio.
Así, ahora sabemos cómo se desarrolla la presión de la vela tanto teórica como prácticamente. Pero, ¿cómo hacen avanzar estas presiones el barco? Echemos un vistazo más de cerca a lo que está pasando.
Al nivel del mar, la presión del aire es de 10 toneladas por metro cuadrado. A medida que aumenta el flujo de aire en el lado de sotavento de la vela, desde arriba sabrás que la presión del aire disminuirá. Se supone que habrá una caída de 20 kilogramos por metro cuadrado. Del mismo modo, la presión del aire en el lado de barlovento aumentará, digamos 10 kg por metro cuadrado (recuerde que la presión de tracción hacia abajo es más fuerte que la presión de empuje). Y aunque la presión de sotavento es negativa y la presión de barlovento es positiva, ambas actúan en la misma dirección. Así que ahora tenemos unos *** 30 kilogramos de presión por metro cuadrado. Multiplique esto por un tamaño de vela de 10 m² y habremos generado una fuerza combinada de ***300 kg en esa vela.
Cada punto de la vela ejerce una presión diferente. La presión más fuerte se produce en la profundidad de la cuerda, la parte más profunda de la superficie curva de la vela. Aquí también es donde el flujo de aire es más rápido y la caída de presión es mayor. A medida que el aire retrocede y se separa, la fuerza disminuye. La dirección de estas fuerzas también cambia. En cada punto de la vela, esta fuerza permanece perpendicular a la superficie de la vela. El punto más fuerte en la parte delantera de la vela también está en la dirección de avance. En el centro de la vela, la fuerza cambia hacia la dirección lateral o hacia la escora. En la parte trasera de la vela, la fuerza se debilita gradualmente a medida que disminuye la velocidad del viento, lo que resulta en una dirección hacia atrás o hacia atrás.
Las presiones sobre la vela se pueden calcular en todas partes para determinar las fuerzas relativas en cada lado de la vela, proa, popa y remolque. Debido a que la fuerza hacia adelante sigue siendo la más fuerte, la fuerza total ejercida sobre la vela sigue siendo ligeramente hacia adelante, pero principalmente en dirección lateral. El aumento de la acción de la vela para obtener más impulso hacia adelante también da como resultado un mayor aumento de la fuerza lateral. Entonces, ¿cómo avanza un barco cuando la fuerza ejercida por el viento en su costado es máxima? Esto implica el ángulo de ataque de la vela al viento, así como la resistencia del barco al agua. La fuerza del agua que actúa sobre un barco cuando navega contra el viento
La dirección de la fuerza resultante es casi perpendicular a la cuerda de la vela. Cuando la cuerda de la vela es paralela a la línea central del barco, la fuerza principal se ejerce casi por completo hacia los lados. Pero si la vela está un poco inclinada de modo que la fuerza generada por la vela esté ligeramente hacia adelante, el barco se moverá hacia adelante inmediatamente. ¿Por qué sucede esto? La línea central del barco, o quilla, actúa sobre el agua de forma similar a como actúa una vela sobre el viento. La fuerza creada por la quilla es una fuerza opuesta a la fuerza de escora de la vela: mantiene el barco exactamente en la dirección de la fuerza creada por la vela. Y aunque la fuerza combinada de la vela siempre actúa en el lado de barlovento, el ángulo de ataque correcto mantendrá el barco avanzando.
Cuanto más lejos esté el ángulo de la vela de la línea central del casco, más puntos de fuerza se aplicarán al frente que a los lados. Combinando un ligero ajuste en la fuerza de avance con la fuerza de retroceso del agua respecto al aire, conseguiremos que el barco se dirija hacia el viento porque ahora hay menor resistencia de la corriente.