¿Por qué el alcance de la viga es el punto de vela más rápido en los veleros modernos?

Question

He oído que el alcance de la viga (perpendicular al viento) es el punto de vela más rápido en los veleros modernos, pero no he oído una explicación satisfactoria de la física que hay detrás de esta afirmación.

Las velas triangulares propulsan la embarcación formando un perfil de aire y generando sustentación. Si se trata de una hoja de aire rígida, como un ala de avión, tengo entendido que la sustentación debería ser proporcional a la velocidad del aire sobre la hoja. Eso implicaría que navegar de ceñida debería ser más rápido, ya que el viento aparente es mayor cuando se navega contra el viento real. Al mismo tiempo, si uno navega hacia el ojo del viento, la vela pierde su forma y deja de actuar como una hoja de aire.

La tensión entre estos dos procesos indicaría un punto óptimo entre la navegación de ceñida (lo más cerca posible de la dirección del viento mientras se mantiene la forma de la vela; normalmente a unos 45˚ del viento) y un alcance amplio.

Podemos descartar la posibilidad de correr delante del viento (navegar directamente en dirección contraria a él), porque entonces la vela actúa como un paracaídas en lugar de como una hoja de aire, por lo que el barco nunca puede ir más rápido que el viento (mientras que, en un mar infinito de agua sin fricción y sin resistencia del aire, la navegación en contra del viento haría que el barco acelerara eternamente, ¡mucho mejor!)

Además, supongo que hay que tener en cuenta la dirección de la fuerza del viento. Si podemos suponer que la fuerza del viento sobre la vela es perpendicular a la botavara (lo que no estoy muy seguro de que podamos), entonces en un alcance de la manga la componente delantera del vector de fuerza del viento es mayor que cuando se navega de cerca, donde la botavara está más alineada con la línea central del barco. Tal vez ese sea el factor más importante.

También hay que tener en cuenta las olas, que viajan en la misma dirección que el viento y, por lo tanto, también favorecerían un alcance de la viga, pero supongamos que no son significativas.

Así que, como lego en la materia, no estoy seguro de que mi línea de pensamiento se sostenga realmente (por así decirlo). ¿Es correcto mi pensamiento, y si es así, cuál de los fenómenos es el principal responsable de que el alcance del rayo sea el más rápido?

Answer 1

El punto de vela más rápido depende del barco (tanto de la forma de su casco como de su plano vélico), de la fuerza del viento y del estado del mar. En general, un alcance de la viga es no el punto más rápido de la vela.

Por ejemplo, con viento muy flojo, algunos barcos irán más rápido en un tramo cerrado debido al aumento del viento aparente por ir hacia el viento. Para los barcos que navegan más rápido que el viento, el factor limitante de la velocidad es lo cerca que pueden navegar del viento aparente; cuando van más rápido que la velocidad del viento, el viento aparente está siempre por delante de la manga. Un ángulo más amplio con respecto al viento verdadero les permite ir más rápido antes de que sus velas estén completamente enrolladas, por lo que un alcance amplio es el más rápido.

Consulta los diagramas polares en este sitio:

https://76trombones.wordpress.com/2009/10/17/polar-diagrams-vmg/

90 grados con respecto al viento verdadero no suele ser lo más rápido.

En cuanto a por qué algunos ángulos son más rápidos que otros, eso es un poco complicado y está fuera del alcance de esta respuesta. Basta con decir que, a medida que se navega más cerca del viento, la componente de sustentación en la dirección de avance es menor, además de que aumenta la resistencia. Por lo tanto, se reduce la velocidad al acercarse a un rumbo cercano. A medida que te alejas hacia un rumbo, las velas acaban estancándose y son menos eficientes. En algún punto entre un rumbo de ceñida y una empopada encontrarás el ángulo de máxima velocidad, que a veces es de aproximadamente 90 grados con respecto al viento verdadero, pero no siempre.

Por cierto, debo añadir que el término "alcance del rayo" no tiene una definición precisa. Algunas fuentes dicen que el alcance del rayo es de 90 grados con respecto al verdadero viento, otros dicen que su 90 grados a la aparentemente viento. La mayoría de las fuentes introducen los puntos de vela antes del concepto de viento aparente y eluden por completo la diferencia. Para los barcos que sólo van a una fracción de la velocidad del viento (es decir, la gran mayoría de ellos) no es una distinción tan importante. En la respuesta anterior, he utilizado la definición de viento verdadero, pero incluso si se elige la definición de viento aparente, un alcance de la manga no siempre es el más rápido. Los barcos que van más rápido que el viento tienen sus velas ajustadas a un tiro cerrado, independientemente de su punto de vela.

Answer 2

En un tramo de manga, la botavara está por encima del costado del barco, y la elevación del viento es un vector dirigido hacia la proa, en la dirección de la marcha.

En un arrastre cercano, la botavara está cerca de la línea central del barco, y la sustentación del viento es un vector dirigido hacia el lado del barco, casi ortogonal a la dirección de avance.

Una embarcación de tiro cerrado depende de la presión del agua contra el lado de sotavento de la quilla para mantenerla en movimiento hacia adelante, en lugar de ser empujada lateralmente.

En un tramo de manga, hay menos presión del agua en el lado de sotavento, y el barco puede cortar el agua con menos resistencia.

Esto es una simplificación, ya que los ángulos de navegación reales varían, pero la mayor velocidad en un alcance se debe a que el viento levanta el barco en la dirección de su viaje en lugar de tirar de él lateralmente en contra de la dirección de su viaje, como en un arrastre cercano.

Otra forma de decir esto es que si consideras que el bote es un pozo naranja húmedo y resbaladizo sostenido entre el pulgar y el índice (entre el viento y el agua), apretar la punta cónica del pozo lo disparará, pero apretar los lados planos del pozo tendrá poco efecto.

Answer 3

El rumbo más rápido no es exactamente perpendicular al viento verdadero, sino ligeramente a sotavento. El desplazamiento óptimo a favor del viento es el ángulo de viento aparente que el barco puede navegar (beta), que es pequeño para los barcos eficientes (15deg) y los barcos de hielo (<10deg).

La geometría se explica aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/Sailing_faster_than_the_wind#Maximum_speed_course_sailing_angle

Answer 4

Los tramos de viento en contra son mucho más rápidos, como se vio en la última Copa América.

La razón es sencilla: si la resistencia del casco es baja, se puede obtener un "viento de cara" importante que se añade al vector de viento real para obtener el viento aparente.

Este viento aparente debe tener un ángulo "sensible" con respecto al barco, es decir, una componente lateral suficiente para que pueda "empujar" la vela.

Cuanto menor sea la resistencia del barco, más lejos del viento se encuentra este óptimo. El AC72 utilizado en la Copa América alcanzó velocidades superiores a los 40 nudos con un viento de 20 nudos; en ese momento, el ángulo de viento aparente era de 19 grados, aunque el barco está nominalmente en un tramo amplio.

Se puede encontrar un buen diagrama y una explicación en https://www.nauticed.org/sailing-blog/americas-cup-apparent-wind/

Answer 5

La idea de que el vector de sustentación de la vela tiene que estar cerca del sentido de la marcha no es correcta. Sólo un componente del vector de sustentación tiene que estar en la dirección de la marcha, y puede ser sólo un pequeño componente.

Creo que esto es más fácil de entender si se hace una suposición simplificadora. Olvídate de los perfiles aerodinámicos y demás. Piensa en la orza del barco como una especie de patín, incapaz de moverse lateralmente, pero capaz de avanzar o retroceder sin apenas resistencia. (Como un barco de hielo).

Del mismo modo, piensa en la vela como algo que puede avanzar fácilmente en el aire, pero no hacia los lados, como si el aire fuera una sustancia como la gelatina, y la vela fuera un cuchillo. En esa situación, la embarcación actúa como un vínculo entre el aire y el agua, en el sentido de que si la embarcación se desplaza hacia delante en el agua, el aire debe moverse lateralmente, porque la vela no es paralela a la orza. Del mismo modo, si el aire se desplaza lateralmente, el barco debe avanzar (o retroceder). Cuanto más cerca esté la vela de la orza, más se moverá el barco.

Supongamos que la vela y la orza no son paralelas, sino que forman un pequeño ángulo entre sí. Si el aire no está inmóvil con respecto al agua, sino que se mueve a través de ella una cierta distancia, eso hará que el barco se mueva otra distancia, porque la vela sólo puede cortar el aire, y la orza sólo puede cortar el agua.

De hecho, cuanto más cerca esté la vela de la orza, más lejos tendrá que desplazarse el barco, porque ni la vela ni la orza pueden deslizarse lateralmente en su medio. En el límite en el que el ángulo se aproxima a cero, la distancia que debe recorrer el barco se aproxima al infinito. Esto no depende de la dirección a la que apunte el barco, siempre que no esté directamente a favor o en contra del viento. Funciona en cualquier otro punto de la vela.

Por supuesto, no hay arrastre cero en el agua ni en el aire, y la componente de la fuerza del aire paralela al desplazamiento puede llegar a ser bastante pequeña, por lo que viajar perpendicularmente al viento puede dar los mejores resultados, lo que responde a tu pregunta. Pero ten en cuenta que todo depende del ángulo entre la vela y la orza. Cuanto más cerca, más rápido puede ir en principio, si no fuera por la resistencia.

De hecho, cuanto menor sea la resistencia, tanto en el agua como en el aire, más rápido podrá ir el barco. Mira este vídeo.