Oteando desde Getxo

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El Abra, Getxo, Las Arenas

domingo, enero 12, 2014

Movimientos del buque en la mar

Un buque que navega tiene dos tipos de movimientos
  •      Los deseados por el navegante, para mover el buque de un punto a otro y conseguir que alcance los objetivos para el que fué construido
  •       Los no deseados, que se producen principalmente por efecto de las olas y el viento sobre el buque y que ocasionan dificultades, molestias y peligros para el buque, personas y  cargamento, por lo que se intenta minimizarlos.
En esta nota solo me voy a referir al segundo tipo de movimientos, que en inglés se denominan ship motions, en contraposición a los del primer tipo denominados ship movements. Todo se refiere a buques que navegan en superficie.

El movimiento de un buque en el espacio se descompone, como el de cualquier otro sólido, en el movimiento de su centro de gravedad y el movimiento o giro alrededor de ese punto. Los seis movimientos posibles, según la siguiente tabla, consisten en tres traslaciones y tres giros, que se refieren respectivamente a   la trayectoria del centro de gravedad y a los ejes respecto a los que se producen los giros. Se indican los nombres en los idiomas Español e Inglés.

Eje de referencia
Traslaciones
Giros r/ eje de referencia
Longitudinal x
avance ( surge)
 balance ó rolido ( roll )
Transversal y
deriva ( sway)
 cabeceo ( pitch )
Vertical z
arfada ( heave)
 guiñada ( yaw )

En el siguiente dibujo se representan los tres ejes respecto a los cuales se refieren los movimientos de traslación y de giro.


De los indicados movimientos del buque los más conocidos son el balance alrededor del eje longitudinal x y el cabeceo alrededor del eje transversal y. Después viene en importancia el movimiento de guiñada, giro alrededor del eje vertical z, que tiene gran significación en la maniobrabilidad del buque controlada por el timón y hélices empujadoras. Los otros movimientos (traslaciones) son menos conocidos y prácticamente no se consideran como parámetros que condicionen el diseño del buque.

A continuación indico algunas características de los tres movimientos más importantes y su control en la etapa del proyecto del buque. En esta dirección se representan unas animaciones simples de estos movimientos (pinchando con el ratón).

Balance: Este movimiento está muy condicionado por la estabilidad transversal del buque y tiene una gran importancia sobre la comodidad de las personas a bordo y la seguridad de las cargas transportadas que en caso de grandes balances pueden moverse y poner en peligro el equilibrio y estabilidad del buque. 

En este movimiento los dos factores importantes son la amplitud del mismo, medida en grados de escora, y su periodo, el tiempo transcurrido en un ciclo completo de babor al estribor. Hay fórmulas aproximadas que relacionan el valor del periodo del balance con algunas dimensiones del buque y con algunas características como la estabilidad transversal, medida por su altura metacéntrica, que pueden servir de guia en la fase del proyecto inicial. Una fórmula sencilla es esta
        T = k B / Raiz cuadrada (GM)
        T: período de balance en segundos
        K: constante que varía entre 0,7 y 0,8  según tipo y tamaño de buque
        B: manga en metros
GM: altura metacéntrica transversal en metros

La disminución de la amplitud del balance se consigue mediante quillas de balance, que se colocan en casi todos los buques de cierto tamaño y mediante estabilizadores, activos (de aletas retráctiles) o pasivos (tanques con líquido que se mueve sincronizadamente).

Si el período de balance en una determinada situación del buque coincide con el período de la fuerza excitadora, producida por el paso de las olas, se produce el llamado fenómeno de resonancia, en el que la amplitud de del balance va aumentando progresivamente hasta poder producir el vuelco del buque, si no se impide mediante un cambio de rumbo o de velocidad que rompa el sincronismo.

Cabeceo: Este movimiento está muy relacionado con la eslora del buque y con su momento de inercia longitudinal, condicionado por la distribución de sus pesos, propio y de la carga. Es un factor importante en el comportamiento del buque en mares agitadas pero es difícil de tenerlo en cuenta en la fase del proyecto inicial. Un movimiento amplio de cabeceo junto con un calado insuficiente a proa puede producir golpeteos o machetazos en el fondo del casco y producir averías estructurales, por lo que las Sociadades de Clasificación suelen requerir un calado mínimo en proa en la condición de lastre.

Guiñada: Este movimiento consiste en el giro del buque alrededor de su eje vertical, movimiento que puede estar producido por las acciones de viento y oleaje y a su vez se controla fundamentalmente mediante el o los timones. 

Es un movimiento muy importante en el diseño del buque dentro de  la consideración de los aspectos de su maniobrabilidad. En el programa GetxoNaval (Ref.3) hay un módulo dedicado a este control de la maniobrabilidad en la etapa del proyecto inicial  y en concreto  los ángulos de guiñada se relacionan con los llamados primero y segundo ángulo de rebasamiento (overshooting).

Referencias:
  1. El proyecto básico del buque mercante. Ricardo Alvariño, Juan José Azpíroz, Manuel Meizoso. Fondo Editorial de Ingeniería Naval del COIN
  2. Teoría de olas y comportamientos en la mar. Josep R. Vidal Bosch
  3. Programa GetxoNaval


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