viernes, junio 10, 2011

Física extraña (6): Navegar contra el viento

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Nuestro barco de vela prototípico (Image*After)
En esta entrega vamos a revisar otro comportamiento que inicialmente nos puede parecer contrario a la física: la navegación en contra del viento.[1]
¿No me digáis que nunca os lo habéis planteado de pequeños? Seguro que habéis hecho un barquito con una cáscara de nuez o algo así, le habéis puesto una vela de papel, le sopláis desde atrás y el barquito avanza… pero cuando le soplas por delante, el barco retrocede.
Pero entonces, ¿cómo hacen los barcos de verdad para navegar contra el viento? ¿Es que no respetan las leyes de la… mecánica? ¡Un momento! ¡En esta serie se respetan las leyes de la termodinámica! ¡Y las de la mecánica, también!
Vaya por delante que no soy navegante, ni marino, ni patrón, ni tengo barco, ni barca, así que si meto la pata con la terminología, me lo perdonáis.

El caso es que a todos nos resulta intuitivo que si un barco recibe el viento por popa,[2] el viento empuja a la vela, que a su vez, como está unida al barco, lo empuja… y el barco se mueve hacia adelante.
No es mucho más difícil intuir cómo funciona cuando el viento viene un poco ladeado, pero todavía básicamente por detrás. Creo que se denomina viento ancho, largo, abierto, a la cuadra o por la aleta, dependiendo de cuán cerca esté de la popa (aunque la Wikipedia no me aclara cuál es cada uno[3] ). El viento se descompone en dos componentes: una perpendicular a la vela y otra paralela a la vela, lo mismo que hacemos con la reflexión de un rayo en un espejo o una fuerza en un plano inclinado. La componente paralela a la vela la dejamos como está y la componente perpendicular cambia de sentido, empujando a la vela (y por tanto al barco).
Pero, ¿qué ocurre cuando el viento viene más bien de proa?[4] Esto es lo que se llama “viento de bolina”. Este sistema ya no nos sirve, porque el barco se iría hacia atrás.[5]
En ese caso, lo que hacemos el ladear la vela también, para que la componente perpendicular del viento sobre la vela, esté apuntando hacia adelante.
El problema es que ahora el barco se está moviendo de lado… así que aquí es donde entra en juego la quilla. Los barcos no son redondeados por abajo, sino que tienen una especie de aleta ventral, alargada y plana (llamada quilla), que recorre todo el casco por debajo.
¿Qué es lo que hace esa quilla? Dado que el agua es un fluido relativamente denso, la quilla hace que cualquier fuerza aplicada al barco de forma oblicua se convierta en longitudinal, de modo que ese movimiento que veíamos oblicuo hacia adelante, ahora es completamente hacia adelante.
Si intentas dibujar la posición adecuada de la vela, verás que esto se puede hacer teóricamente con cualquier dirección de viento menos con viento completamente de proa. Obviamente, una cosa es la teoría y otra la práctica, de modo que mucho antes de estar completamente de proa ya es imposible aprovechar el viento contrario para navegar (dependiendo del diseño del barco y la vela, puede ser antes o puede ser después). Por eso, cuando un barco debe navegar contra el viento, lo que hace es ir en zigzag.

Pero claro, el aire es mucho menos denso que el agua, de modo que el barco, debido a la quilla, no se mueve en la dirección transversal a la quilla en su parte sumergida, pero sí que sigue moviéndose transversalmente en la parte no sumergida. ¿Qué es lo que ocurre entonces? Que el barco bascula sobre su centro de gravedad longitudinal, volcándose.
Por eso en las carreras de barcos vemos a los tripulantes colgados del barco por un lado, tratando de enderezarlo todo lo posible, llevando su centro de gravedad hacia el punto donde sopla el viento.
¿Quieres más? Pues aún hay más. Visto esto, ¿dirías que es mejor recibir el viento completamente de popa, viento abierto o viento de bolina? Uno diría que con el viento de popa, estaríamos aprovechando toda la fuerza del viento, mientras que con viento abierto o de bolina estaríamos aprovechando algo así como F\,\cdot{}\,sen(a) (siendo F la fuerza del viento y a el ángulo entre el viento y la vela). Y además seguro que aún perdemos algo de eficiencia en la quilla y no toda la fuerza diagonal se convierte en longitudinal. Luego siempre será peor viento abierto o de bolina que de popa…
¿No?
Pues no, claro que no. Si fuera así, no hubiéramos escrito este párrafo…

Lo primero es pensar que un barco puede tener más de una vela, y si el viento viene de popa, la segunda vela básicamente no sirve de nada. En cambio, si el viento viene de lado, la segunda vela la aprovechamos también. Y no digamos si tiene más mástiles.

Lo primero es pensar que un barco puede tener vela en más de un mástil, y si el viento viene de popa, la segunda vela, la de delante, que queda tapada por la de detrás, básicamente no sirve de nada. En cambio, si el viento viene de lado, la segunda vela la aprovechamos también. Y no digamos si tiene más mástiles.
Pero es que aún hay más: el barco se mueve de frente, así que a la hora de calcular cuánto lo frena el aire (el que hay delante, no el viento que lo empuja por detrás), lo que debemos mirar es la superficie transversal al movimiento. Mirando los siguientes dibujos, te das cuenta de que con el viento de popa y las velas completamente transversales es cuando más frena el aire.
El punto óptimo por el que debe venir el viento depende del diseño del barco y de las velas, pero raramente es completamente por la popa.
Ala, la próxima vez que os quedéis aislados en una isla desierta, ya sabéis un truco más.
  1. A vela, claro. Con motor o remo no tiene mérito. []
  2. Para entendernos: la popa es la parte de atrás del barco. []
  3. Si alguien lo sabe: ¡escríbenos un artículo! []
  4. Para entendernos: la proa es la parte de delante. []
  5. De hecho, en el caso anterior, cuando el viento viene de popa pero un poco de lado, tampoco es así exactamente como se hace, pero no importa, estamos simplificando. []

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