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Escrito por Jesús

miércoles, 02 de diciembre de 2009

Sistema de boyas para evitar el choque de barcos y ballenas

Solucionando los problemas técnicos de fabricación y ruido de los cables de amarre

Continuo con la historia de la instalación de un sistema de boyas para la detección de las ballenas y evitar los choques contra los barcos, que dejé en la primera parte: La conservación de la ballena franca (parte I)

Cualquier cable no vale

Kemp expuso el problema a los ingenieros del WHOI Walter Paul y Don Pedro. Entre los tres juntos tienen casi un siglo de experiencia trabajando en amarres. Su idea innovadora implicó el uso de dos segmentos de amarre. Un segmento altamente extensible sujetando la boya de superficie, de 30 pulgadas de diámetro y alrededor de 32 a 66 pies (10 a 20 metros) bajo el agua, y un segundo segmento elástico conectado a un ancla del fondo marino.

La intención era separar el hidrófono de los movimientos en la línea inferior de amarre y de los violentos tirones de la boya de superficie, que es frecuentemente azotada por fuertes vientos y grandes olas. La línea superior actuaría como un cable elástico o un amortiguador. La línea de fondo, sujeta desde el ancla por la esfera de flotación, seguiría siendo recta y dotaría de una plataforma estable y tranquila para los hidrófonos.

El concepto, sin embargo, era más fácil decirlo que hacerlo. La línea superior, por ejemplo, tenía que sobrevivir al castigo de las tensiones y cargas, cuando se extiende hacia arriba y abajo por el efecto de las olas, o doblarse sin romperse, hacia los lados de la boya en amplios círculos como un perro enérgico encadenado a una estaca.

Ese desafío le fue encargado a Paul, cuya tesis de doctorado en 1967 se refería a la mecánica en las cuerdas textiles. Su tarea, en esencia, era tejer una nueva "cuerda" con propiedades mecánicas sin precedentes.

Paul utilizó la tecnología de explotación para aprovechar mejor los neumáticos. Fabricados sólo de goma, los neumáticos se expandirían demasiado y se debilitarían después de pocos kilómetros. Por eso cordones sintéticos con hilos de nylon y poliéster están incrustadas en el cuerpo del neumático para agregar fuerza y mantener el estiramiento bajo control.

"Los neumáticos son uno de los productos más ingeniosos desarrollados para mercados masivos", dijo. "Enormes esfuerzos han ido en la comprensión de la mecánica de los neumáticos. Un subproducto del desarrollo del nemático son los conjuntos de cables que pueden ser utilizados para reforzar las mangueras de goma".

Pablo ya había estado experimentando con cables de goma para los amarres. Pero para el diseño de estos cables para los nuevos amarres, sin embargo, primero tenía que saber lo que estaría en su contra. Llamó a su colega, Mark Grosenbaugh, un científico senior del WHOI.

Tejedores de sueños

ensamblaje de boyas anti-choque con ballenas

Con los años, Grosenbaugh y sus estudiantes graduados han desarrollado un programa de computadora que puede simular las fuerzas que pueden actuar en los amarres, flotabilidad, gravedad, corrientes, olas, arrastre, y así sucesivamente.

"Puedo construir un amarre digital, pegarlo en un océano digital, y calcular todas las fuerzas en cada uno de los componentes", dijo Grosenbaugh. "Los resultados nos dicen cosas como qué tan grande debe ser la boya para que no se sumerja en condiciones de tormenta, a que profundidad debe colocarse la esfera del subsuelo, y cuánto debe pesar el ancla para no dejarse arrastrar (Respuesta: ¡más de 1.500 libras para estos amarres!). También se calcula la cantidad de movimiento que los hidrófonos soportarían con respecto al movimiento de la boya de superficie".

El ingrediente clave resultó ser el elemento superior de los amarres, apodado el cable "Gumby". Grosenbaugh calculó que para soportar las tensiones en los amarres, en cualquiera de las condiciones meteorológicas previstas y altura de las olas, el cable sujeto al pie tendría que ser de al menos el doble de su longitud.

Pero para asegurarse de que nunca estaría sobrecargado, la clave era encontrar de manera precisa la disposición geométrica de la espiral en el tejido (de los materiales de refuerzo de caucho y textiles). Al igual que las cintas alrededor de un árbol de mayo, las cuerdas se envuelven en un ángulo calculado cuidadosamente al mismo tiempo que se optimiza la capacidad de carga de la trama y la capacidad de estiramiento del cable.

"Uno coje un tejido con una geometría particular y luego se mira cómo cambia cuando se tire de él: ¿Cuánto sufren las fibras cuando el cable se estira? ¿Cómo se comporta con una gran tensión en los materiales? Y se comienza a partir de ahí", dijo Paul. "Se debe calcular un modelo de interacciones muy complejas y predecir cómo el cable va a responder. Entonces se construyen cables reales y se ponen a prueba. Si no sabes lo que estás haciendo, puedes intentarlo durante años sin encontrar la solución ".

Cuando tuvieron los resultados de las pruebas predichas con este modelo, los ingenieros del WHOI solicitaron una patente en diciembre de 2008.

"Gumby" resiste la ondulación

Pero otros obstáculos técnicos se mantuvieron. Por ejemplo, el caucho se expande, el cobre, no. Los hilos de cobre que transmiten las señales eléctricas de la línea de hidrófonos pueden ser alargados sólo un par de veces antes de que se partan.

También Paul había abordado ese problema. En versiones anteriores del cable, se insertó en forma de espiral una bobina de cordón industrial como un cable de teléfono en la cavidad de la manguera. El cable en espiral podía estirarse y doblare sinuosamente. Pero todavía había cierta preocupación de que después de muchos ciclos de estiramiento, los conductores de cobre dentro de la médula se volvieran frágiles con este duro trabajo y acabaran rompiéndose.

Pero es posible con pruebas de laboratorio investigar este tipo de avería: los cables de la bobina no se rompieron incluso después de que se estira más de seis millones de veces sobre el número típico de los ciclos de onda que experimentarían en un año en el océano. En una prueba de amarres en el Océano Pacífico las señales eléctricas resistieron de manera fiable incluso después de varios años de implementación.

Para las boyas de las ballena, sin embargo, Paul tomó el siguiente paso: incrustó hilos de cobre enrollados directamente en el exterior de la manguera extensible. De esta manera, dijo Peters, "la manguera Gumby absorbe el castigo, el cable va sólo de viaje".

También estaban los golpes de ruido del cable", dijo Peters. "El sonido viaja de manera eficiente a lo largo de cualquier cadena de tiempo, como una línea de atraque. Si algo mecánico en el amarre está haciendo ruido, vibra a lo largo de la línea, y el de hidrófono lo recogerá. Los amarres son comúnmente relacionados con las cadenas y grilletes, con el sonido de "clank, Clank", gimen y rechinan".

Así Peters y sus colegas sustituyeron los acoplamientos ruidosos de todo el sistema con conexiones mecánicas atornilladas fuertemente que redujeran el ruido y el desgaste. Peters desarrolló accesorios personalizados para el final de las mangueras que terminaban en los conectores eléctricos, y en los que los hidrófonos y otros componentes podían ser fácilmente conectados. El resultado es una larga, tranquila, vía eléctrica directa totalmente protegida del agua de mar, que transmite las señales que escuchan los hidrófonos a la boya de superficie de arriba.

Para que los amarres tuviesen éxito, cada componente tenía que trabajar, y todos los componentes tenían que trabajar juntos.

En la última parte veremos como se implementa el sistema de software, la ayuda financiera al proyecto, la primera tormenta que resistió el sistema y las capacidades de estas boyas para la investigación, no sólo de las ballenas sino en general de las profundidades del mar.

Ir a: La conservación de la ballena franca (parte I)

Imágenes: Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI)

Etiquetas (Tags): Boya Cable Amarre Choque Ballena Barco