Dinámica de las velas durante las maniobras de bordada
La bordada —maniobra que consiste en navegar contra el viento, cambiando de dirección en zigzag— es una de las maniobras de navegación más difíciles, pero necesarias. Si bien es común, no se comprenden bien el movimiento de las velas y las fuerzas del viento durante el viraje.
Un nuevo estudio realizado por matemáticos de la Universidad de Nueva York y la Universidad de Michigan aborda estas cuestiones de frente.
Ofrece una detallada caracterización del comportamiento de las velas durante una amplia gama de movimientos de viraje y con diversos tipos de velas. Sus hallazgos sirven como marco de trabajo para mejorar el diseño de las velas y como una vía para que los actuales veleros autónomos, vitales en la investigación oceanográfica, sean más eficientes y fiables al cambiar de dirección en condiciones de viento impredecibles.
"La bordada es más que un simple giro", explica Christiana Mavroyiakoumou, instructora del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York y autora principal del artículo.
Imagen: Christiana Mavroyiakoumou, del Instituto Courant (arriba, en el Conservatorio de Agua de Central Park), y Silas Alben, de la Universidad de Michigan, estudiaron el comportamiento de las velas durante una amplia gama de movimientos de viraje y con distintos tipos de velas. Crédito: Jonathan King/NYU
"Se trata de una maniobra de gran importancia, donde el rendimiento de la vela puede ser decisivo para una regata o una travesía en general. Al descubrir qué determina un giro exitoso y cuánto tiempo lleva, esta investigación ofrece a navegantes e ingenieros un nuevo recurso para dominar el viento".
"Se ha trabajado mucho en la optimización de las formas de las velas y los cascos de los veleros, pero aún queda mucho por comprender sobre las interacciones fluido-estructura durante las maniobras inestables", añade el profesor Silas Alben de la Universidad de Michigan, autor del artículo junto con Mavroyiakoumou. "La maniobra de bordada es un importante ejemplo en el que el modelado simplificado puede ayudarnos a comprender la física básica".
Los investigadores estudiaron la dinámica del movimiento de la vela durante una maniobra de bordada: cuando el ángulo de ataque de la vela, o el ángulo entre el viento y la cuerda de la vela, se invierte para navegar a barlovento. En una bordada exitosa, la vela gira para adoptar su forma especular, mientras que en una bordada fallida, permanece atascada en un estado cercano a su forma inicial.
Los investigadores combinaron modelos matemáticos y simulaciones numéricas para comprender mejor cómo interactúan las velas con el viento de fondo durante la bordada. Esto se modeló examinando cómo se mueve una vela con el viento y cómo este cambia en respuesta. En general, sus cálculos revelaron lo siguiente:
- Tres factores juegan el papel más importante para que la bordada ocurra o no: la rigidez de la vela (o, por el contrario, su capacidad para extenderse), su tensión antes de encontrar el viento y el ángulo final de la vela en relación con el viento. Más específicamente, una vela menos flexible y, por lo tanto, menos curvada (o desviada), cuya tensión antes de encontrarse con el viento es alta y que está en un ángulo de 20 grados con respecto al viento después de virar, tiene más probabilidades de dar como resultado una bordada exitosa.
- La masa de la vela, así como la velocidad y aceleración del giro, influyen principalmente en la rapidez con la que se produce el giro.
- Las velas flojas son más difíciles de girar durante la bordada.
Los investigadores añaden que, más allá de la navegación de competición, esta investigación podría beneficiar a los vehículos de vela automatizados en diferentes condiciones de viento.
El estudio aparece en la revista Physical Review Fluids: Sail dynamics during tacking maneuvers
