01 – Sustentación

DINÁMICA DE FLUIDOS – Teoría de la sustentación vélica

Extraído de NORTH-U. CURSO TECNICO

Cuarenta años más tarde gracias a un curso de North Sails, fabricantes de mis velas para el Wit Blits, me entero que algunas cosas que me decía mi padre tenía algo de razón. Me decía: “Existe una turbulencia en la cara de sotavento de una vela.” Yo me imaginaba que la turbulencia era un monstruo que mordía.

Ahora estamos en condiciones de saber cómo trabajan las velas.

1 Sustentacion

(Fig.  1).

Vamos  a usar  el  principio  de  Bernoulli y su consecuencia, el efecto Venturi, sobre las presiones involucradas cuando se acelera un flujo laminar.

¿Cómo comienza la circulación alrededor de la vela, sin la ayuda de un implemento mecánico para crearla?

El proceso siguiente, como el descrito por C. A Marchaj, muestra qué ocurre con el flujo de aire cuando pasa por una vela.

Primer  Paso

Durante el primer instante el viento fluye a través de ambos lados de la vela, desde el gratil a la baluma. Hay que imaginar dos moléculas, la L y la W que estaban juntas, en flujo laminar, pero que al chocar contra el gratil se separan.

La curva de la vela hace que la corriente de aire se curve en consecuencia.  Naturalmente, la molécula del lado de barlovento, el cóncavo, alcanza antes la baluma por ser su recorrido más corto. Según Venturi se aumenta la presión. El siguiente diagrama muestra la situación cuando la primera partícula de aire alcanza la baluma, en la cara de barlovento de la vela. Es lo que durante siglos hemos esperado que haga el viento sobre la vela.

2 PrimerPaso

(Fig. 2).

Segundo Paso

Esta primera partícula de aire se desliza alrededor de la baluma para alcanzar su partícula hermana, que venía desde el gratil por la cara de sotavento de la vela.  Estas deberían chocar en la parte de atrás del punto de estancamiento, en donde no hay corriente de aire en ninguna dirección.

3 SegundoPaso

(Fig.  3).

Tercer Paso

En el instante siguiente, se  forma un remolino de aire (vórtice) a sotavento de la baluma.

4 TercerPaso

(Fig.  4).

Una ojeada al gráfico muestra que es natural que así suceda.

Cuarto  Paso

Con la misma naturalidad, este remolino (vórtice) se ve empujado hacia atrás de la vela por la corriente libre de aire.  A medida que se corre, él arrastra al punto de estancamiento, dejándolo directamente detrás de la baluma.  Desde ahora las partículas de aire de la cara de sotavento deberán acelerarse a través de la parte externa de la curva, viajando a mayor velocidad para encontrarse con sus partículas hermanas, las de barlovento.

5 CuartoPaso

(Fig.   5).

El propio remolino se  mueve detrás de la corriente de la vela perdiéndose.  Nosotros lo llamaremos “remolino inicial”.

Quinto  Paso

Ahora el remolino inicial ha empezado una circulación general alrededor de la vela, mucho más que el lanzador de béisbol, al darle un efecto circular a la pelota en la ejecución del golpe.

6 QuintoPaso

(Fig. 6).

Una forma de visualizar cómo trabaja el remolino inicial, es pensar en él como un pequeño engranaje que se acopla y mueve a un gran engranaje, para comenzar su movimiento circular. Esta corriente circulatoria se combina con la corriente libre, para producir la corriente resultante o total.  La circulación desacelera la corriente libre de barlovento de la vela, causando una zona de alta presión y acelera la corriente de sotavento,  causando una zona de baja presión. La distancia entre las moléculas de sotavento aumenta y la densidad del aire disminuye. Este es el secreto, la baja presión de la cara de sotavento es una succión, y que como demostró el ingeniero polaco C. A. Marchaj campeón de Finn, bastante mayor que la de barlovento. El viento no solo empuja las velas sino que principalmente la succiona.

7 Remolino

El diagrama de la distribución de presiones (Fig.  16),  muestra que el lado de sotavento de la vela hace el mayor  trabajo, como en el caso de la pelota de béisbol.  Sustentación es, entonces, la fuerza total ejercida por perfiles perpendiculares al flujo de un fluido. En el caso de un avión donde el flujo es horizontal, sustentación es una fuerza vertical hacia arriba.  Y el término coincide con la palabra, por eso se mantiene en el aire.

8 Presión

Para los estudiosos del tema, se cuenta una anécdota que viene del inicio de la aviación. Un constructor y aviador se estaba terminando su avión de madera forrado con lona. Acababa de forrar la parte superior de las alas, cuando le llegó el motor. Quiso probarlo inmediatamente y pensó que con recorrer la pista de aterrizaje sería suficiente.  Al alcanzar una cierta velocidad notó con estupefacción que el avión se elevaba. ¿Como puede aguantarse en el aire si la parte de abajo de las alas no tiene lona?

Mi padre tenía razón al decir que en la cara de sotavento se producía un remolino, pero se equivocaba al pensar en que eso era malo. No debió perforar la vela, porque disminuyó su rendimiento. Durante siglos nos hemos transportado a vela suponiendo que las empuja el viento y solo en el siglo XX nos enteramos que no es exactamente así.

C. A. Marchaj lo describió perfectamente en el siguiente gráfico, publicado en su libro “Sailing Theory and Practice” de Adlard Coles Ltd.

9 Flujo aire

 

“De todas las criaturas que viven sobre la tierra y el mar, solo son los barcos, sin dejarse engañar por pretextos estériles, son los que no tolerarán la mala técnica de sus maestros.”

Joseph Conrad

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