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Física extraña (6): Navegar contra el viento




Nuestro barco de vela prototípico (Image*After)

En esta entrega vamos a revisar otro comportamiento que inicialmente nos puede parecer contrario a la física: la navegación en contra del viento.[1]

¿No me digáis que nunca os lo habéis planteado de pequeños? Seguro que habéis hecho un barquito con una cáscara de nuez o algo así, le habéis puesto una vela de papel, le sopláis desde atrás y el barquito avanza… pero cuando le soplas por delante, el barco retrocede.

Pero entonces, ¿cómo hacen los barcos de verdad para navegar contra el viento? ¿Es que no respetan las leyes de la… mecánica? ¡Un momento! ¡En esta serie se respetan las leyes de la termodinámica! ¡Y las de la mecánica, también!

Vaya por delante que no soy navegante, ni marino, ni patrón, ni tengo barco, ni barca, así que si meto la pata con la terminología, me lo perdonáis.

El caso es que a todos nos resulta intuitivo que si un barco recibe el viento por popa,[2] el viento empuja a la vela, que a su vez, como está unida al barco, lo empuja… y el barco se mueve hacia adelante.

No es mucho más difícil intuir cómo funciona cuando el viento viene un poco ladeado, pero todavía básicamente por detrás. Creo que se denomina viento ancho, largo, abierto, a la cuadra o por la aleta, dependiendo de cuán cerca esté de la popa (aunque la Wikipedia no me aclara cuál es cada uno[3] ). El viento se descompone en dos componentes: una perpendicular a la vela y otra paralela a la vela, lo mismo que hacemos con la reflexión de un rayo en un espejo o una fuerza en un plano inclinado. La componente paralela a la vela la dejamos como está y la componente perpendicular cambia de sentido, empujando a la vela (y por tanto al barco).

Pero, ¿qué ocurre cuando el viento viene más bien de proa?[4] Esto es lo que se llama “viento de bolina”. Este sistema ya no nos sirve, porque el barco se iría hacia atrás.[5]

En ese caso, lo que hacemos el ladear la vela también, para que la componente perpendicular del viento sobre la vela, esté apuntando hacia adelante.

El problema es que ahora el barco se está moviendo de lado… así que aquí es donde entra en juego la quilla. Los barcos no son redondeados por abajo, sino que tienen una especie de aleta ventral, alargada y plana (llamada quilla), que recorre todo el casco por debajo.

¿Qué es lo que hace esa quilla? Dado que el agua es un fluido relativamente denso, la quilla hace que cualquier fuerza aplicada al barco de forma oblicua se convierta en longitudinal, de modo que ese movimiento que  veíamos oblicuo hacia adelante, ahora es completamente hacia adelante.

Si intentas dibujar la posición adecuada de la vela, verás que esto se puede hacer teóricamente con cualquier dirección de viento menos con viento completamente de proa. Obviamente, una cosa es la teoría y otra la práctica, de modo que mucho antes de estar completamente de proa ya es imposible aprovechar el viento contrario para navegar (dependiendo del diseño del barco y la vela, puede ser antes o puede ser después). Por eso, cuando un barco debe navegar contra el viento, lo que hace es ir en zigzag.

Pero claro, el aire es mucho menos denso que el agua, de modo que el barco, debido a la quilla, no se mueve en la dirección transversal a la quilla en su parte sumergida, pero sí que sigue moviéndose transversalmente en la parte no sumergida. ¿Qué es lo que ocurre entonces? Que el barco bascula sobre su centro de gravedad longitudinal, volcándose.

Por eso en las carreras de barcos vemos a los tripulantes colgados del barco por un lado, tratando de enderezarlo todo lo posible, llevando su centro de gravedad hacia el punto donde sopla el viento.

¿Quieres más? Pues aún hay más. Visto esto, ¿dirías que es mejor recibir el viento completamente de popa, viento abierto o viento de bolina? Uno diría que con el viento de popa, estaríamos aprovechando toda la fuerza del viento, mientras que con viento abierto o de bolina estaríamos aprovechando algo así como F\,\cdot{}\,sen(a) (siendo F la fuerza del viento y a el ángulo entre el viento y la vela). Y además seguro que aún perdemos algo de eficiencia en la quilla y no toda la fuerza diagonal se convierte en longitudinal. Luego siempre será peor viento abierto o de bolina que de popa…

¿No?

Pues no, claro que no. Si fuera así, no hubiéramos escrito este párrafo…

Lo primero es pensar que un barco puede tener más de una vela, y si el viento viene de popa, la segunda vela básicamente no sirve de nada. En cambio, si el viento viene de lado, la segunda vela la aprovechamos también. Y no digamos si tiene más mástiles.

Lo primero es pensar que un barco puede tener vela en más de un mástil, y si el viento viene de popa, la segunda vela, la de delante, que queda tapada por la de detrás, básicamente no sirve de nada. En cambio, si el viento viene de lado, la segunda vela la aprovechamos también. Y no digamos si tiene más mástiles.

Pero es que aún hay más: el barco se mueve de frente, así que a la hora de calcular cuánto lo frena el aire (el que hay delante, no el viento que lo empuja por detrás), lo que debemos mirar es la superficie transversal al movimiento. Mirando los siguientes dibujos, te das cuenta de que con el viento de popa y las velas completamente transversales es cuando más frena el aire.

El punto óptimo por el que debe venir el viento depende del diseño del barco y de las velas, pero raramente es completamente por la popa.

Ala, la próxima vez que os quedéis aislados en una isla desierta, ya sabéis un truco más.

  1. A vela, claro. Con motor o remo no tiene mérito. []
  2. Para entendernos: la popa es la parte de atrás del barco. []
  3. Si alguien lo sabe: ¡escríbenos un artículo! []
  4. Para entendernos: la proa es la parte de delante. []
  5. De hecho, en el caso anterior, cuando el viento viene de popa pero un poco de lado, tampoco es así exactamente como se hace, pero no importa, estamos simplificando. []

Sobre el autor:

J ( )

 

{ 21 } Comentarios

  1. Gravatar Alvaro | 09/06/2011 at 10:54 | Permalink

    No es que sea un experto, pero respecto a que con viento de popa la segunda vela no hace nada, no es cierto. De hecho en regatas verás que sacan el spinnaker (ver wikipedia). En mi poca experiencia en vela, las empopadas las haciamos con el foque a un lado y la mayor al otro (orejas de burro).

    Direcciones del viento: http://goo.gl/vkv7A y http://goo.gl/OMW5O

    Velas: http://goo.gl/JgvvI

    Saludos!

  2. Gravatar Javier | 09/06/2011 at 11:22 | Permalink

    Intersante artículo, me gustaría mencionar que también se puede navegar más rápido que el propio viento: http://www.fasterthanthewind.org/2010/07/video-from-richard-jenkins-world-land.html http://en.wikipedia.org/wiki/Sailing_faster_than_the_wind Saludos

  3. Gravatar petro | 09/06/2011 at 11:50 | Permalink

    uf, no se ni por donde empezar! ¡es que has dado justo en el clavo! Este es un tema que me tiene fascinado. Yo creo que has definido el asunto de forma tan simple que has cometido errores de bulto. Me explico: ¡Has despreciado el efecto de sustentación! Las velas de los veleros no funcionan como paneles planos que utilizan la acción-reacción del empuje del viento, funcionan como las alas de los aviones. El aire se divide en dos flujos en el mástil: una parte pasa por la parte cóncava y la otra por la convexa. Explicándolo de forma breve: la parte que pasa por el lado convexo lo hace más rápido por lo que la presión es menor respecto al otro lado generando una fuerza en dirección perpendicular al flujo del viento (viento aparente). En los barcos de vela no se puede despreciar el movimiento del barco por lo que debemos distinguir entre viento y viento aparente. El viento sería la velocidad y dirección en la que se desplaza el aire respecto a la tierra (mas bien el agua) y el viento aparente sería lo mismo respecto al barco. Es imprescindible tener en cuenta todo esto (y habría que explicarlo un poco mejor, a ser posible con dibujos, diagramas,…) ya que si no, no se puede explicar como: ¡Los veleros pueden navegar a velocidad superior a la del viento! Eso si que es alucinante!! Me gustaría poder redactarlo un poco mejor pero en estos momentos no tengo tiempo. De todas formas, me parece un tema fascinante y la serie es estupenda, gracias por vuestro trabajo. De verdad.

  4. Gravatar J | 09/06/2011 at 03:24 | Permalink

    Alvaro: como no sabía lo que es el spinnaker, me he ido a buscarlo a la Wikipedia, y he visto que eso no es lo que quería representar en el dibujo del artículo. En el artículo, son dos velas, una en cada mástil, una detrás de otra, mientras que en el velero que muestra la Wikipedia, el spinnaker no se ve tapado por la vela triangular.

    He cambiado un poco el párrafo, a ver si te gusta más.

  5. Gravatar J | 09/06/2011 at 03:37 | Permalink

    Petro: lo que dices no deja de ser cierto, pero a mí al menos me resulta más fácil verlo cualitativamente como lo he explicado que tratando de imaginar la diferencia de presiones entre las dos partes de la vela. Que conste que cuando expliqué la sustentación de los aviones de aeromodelismo http://eltamiz.com/elcedazo/2010/06/03/como-volar-aviones-de-radiocontrol/ intenté hacerlo por la diferencia de presiones, pero no pareció ser muy aceptado. En el fondo, decir que “Aquí hay más presión que Allá, y eso produce una fuerza en sentido hacia Allá” es lo mismo que decir “el viento empuja”, pero en bonito.

    He intentado no entrar en el tema de “navegar más rápido que el viento”, porque cuando yo aprendí esto ya me pareció suficientemente mágico, pero te animo a que escribas un artículo y lo publiquemos aquí. ¿Te apetece?

  6. Gravatar J | 09/06/2011 at 03:45 | Permalink

    Alvaro: por cierto, ni que decir tiene que tampoco sé lo que es el foque o la mayor (¿la vela más grande?), salvo lo que he oído en “Master & Commander”.

  7. Gravatar chapu77 | 09/06/2011 at 08:25 | Permalink

    Me gustó la explicación… lo de la sustentación que mencionan es un efecto adicional que se suma al descrito por J en el artículo, verdad?

    Con respecto a lo del spinnaker: sin ser experto puedo decir que la explicación del viento trasero de J es válida en el contexto de solo dos velas (mayor y genoa) es válido. El spinnaker existe claro para aprovechar y sacar mayor velocidad. En este caso normalmente se suele bajar la genoa.

  8. Gravatar Suso | 09/06/2011 at 10:41 | Permalink

    Perdona, pero creo que todo el artículo es erróneo. Como bien dice Petro, el efecto más importante que empuja el barco es la sustentación, y no la acción-reacción del viento contra la vela. Por eso los veleros navegan mucho más rápido de bolina (o ceñida), es decir, con el viento formando un ángulo agudo con la proa (con el viento totalmente de frente no se puede navegar). De este modo las velas van cortando el viento, produciéndose la sustentación. Por eso las velas tienen normalmente forma triangular. De hecho existen veleros con velas rígidas, más parecidas al ala de un avión que a una vela convencional. El fenómeno de la sustentación es tan importante que hasta alcanzar cierto ángulo límite, cuanto más de proa se tenga el viento mayor es la velocidad que se consigue, a pesar de que la fuerza que se produce es perpendicular a la vela. Las velas diseñadas para trabajar con el viento de popa son las velas cuadras, aparejo que hoy en día no se usa, ya que además de ser mucho más ineficiente requieren de un gran número de personas para su manejo. En los veleros de regatas existe una vela específica, el spinnaker, para navegar en empopada, que tiene forma de globo. En este caso se trata de recoger el máximo viento posible que viene por la popa, como una especie de paracaídas en horizontal.

  9. Gravatar Eagle | 10/06/2011 at 12:55 | Permalink

    Sin entrar en profundidad, yo creo que la explicación es perfectamente válida para un inculto como yo en estos temas. Es más, ni me había parado a pensar que se puede navegar con viento en contra (así de básico soy para los barcos, jeje), como para meterme en “sustentaciones” o que se puede navegar más rápido que el viento (esto merece una explicación a parte, es muy curioso que se pueda hacer).

    Quizá para contentar a los que ya saben del asunto estaría bien un artículo de ampliación con los conceptos que indican (spinnaker, velas triangulares, navegar más rápido, etc.). Pero vamos, a mí tal como está me ha dejado claras muchas curiosidades.

  10. Gravatar Sergio B | 10/06/2011 at 01:02 | Permalink

    Buen articulo, impresionante ingenio la quilla. Creo que no hay que obsesionarse con la sustentación,no creo que sean efectos distintos simplemente como explicarlos. Lo de la velocidad es tan cuento como lo de la acción reacción, las alas funcionan con presión estática, el cambio de velocidad en la parte de arriba y en la de abajo se iguala con la de la presión dinámica, por lo que sobre el ala estrictamente por la variación de velocidad no se produce ninguna fuerza. La vorticidad y esas cosas que se explican por la turbulencia, o bueno, no se explican pero se intuye que vienen de ahí son los responsables, pero es mas simple entenderlo como que recorren un camino mas corto y no sufren perdida de presión dinámica o pensar que es acción y reacción. Por eso la sustentación es por el angulo de ataque, vamos, que las alas son placas planas, la forma y lo demás, es para que funcionen bien. Si intentas imaginarte la vela como una ala, el caso de la cascara de nuez, con su vela hecha con una caja de cerillas, la verdad es que soplando por detrás, sin ningún angulo respecto la dirección del viento, no tiene sustentación ninguna, solo resistencia.

  11. Gravatar Suso | 10/06/2011 at 09:44 | Permalink

    Insisto una vez más: El efecto de la presión del viento que “hincha” las velas es la fuerza más importante sólo cuando se navega con viento de popa. Cando se navega en ceñida (“de bolina”) se produce una depresión por efecto Venturi, provocado por la curvatura de la superficie de la vela, que “absorbe” el barco en dirección perpendicular a la vela. Esa fuerza se suma a la otra para impulsar el barco, y por eso todos los barcos con velas triangulares navegan mucho mejor con viento por la amura (es decir, de proa pero un poco en diagonal). En algunas embarcaciones incluso las velas llevan unas láminas (“sables”) que dan algo de rigidez a las velas favoreciendo esa forma curva y facilitando la navegación con poco viento. Esto está bastante bien explicado en el artículo de la wikipedia al respecto. Por cierto, bastante mejor el artículo en inglés sobre los ángulos del viento que en español.

  12. Gravatar Illo | 14/06/2011 at 09:25 | Permalink

    Me pregunto si las planchas de surf a vela también tendrán quilla.

  13. Gravatar Illo | 14/06/2011 at 09:30 | Permalink

    Me respondo a mí mismo: http://usuarios.multimania.es/windsurf23/p12_team.jpg

  14. Gravatar Sergio B | 14/06/2011 at 01:02 | Permalink

    @Suso: Alrededor de la vela, como si fuera un ala, el aire en contacto con la superficie tiene velocidad relativa a la superficie nula. Según nos alejamos de la superficie del ala la velocidad del aire aumenta rápidamente hasta alcanzar la exterior. A esta zona, pequeña en general, se le llama capa limite y es donde se genera la sustentación y la resistencia aerodinámica y depende del angulo respecto al viento de la linea media de la vela (si buscas sustentación en la wiki veras que no habla ni un momento de perfiles), se comporta igual una placa plana colocada en el angulo correcto, por lo que las distintas curvaturas no sirven para sustentar. ¿No sirve para nada? Si, para controlar la capa limite y reducir la resistencia que genera o para que la entrada en perdida “stall” sea mas o menos ligera, pero no para sustentar.

    ¿Como genera esta capa limite sustentación? Partiendo de que la velocidad es 0 en contacto con la vela, el aire que esta ahí esta sometido a tensiones viscosas por el aire que circula a mayor velocidad, lo que genera una fuerza en la dirección contraria en la superficie de la vela. Supongamos una placa plana inclinada, el aire de la parte de arriba debe de alcanzar una velocidad normal positiva para igualar la velocidad exterior, en cambio el de la parte inferior necesita acelerar con una velocidad normal negativa, por lo tanto la fuerza viscosa que se ejerce en la parte de arriba se reduce y se aumenta en la parte de abajo. Aportan a la sustentación los dos lados igual. Curiosamente, si bien en la dirección vertical se suman, en la dirección horizontal se restan, por lo que este razonamiento da resistencia aerodinámica nula, es una paradoja con nombre y todo. Esto no es así por que se producen desprendimientos, los torbellinos que salen detrás y que se ven muy bien en un rió, que generan una circulación de velocidad, por lo que el aire en la capa limite no tiene la velocidad que tocaría por el angulo lo que hace que la sustentación no sea igual arriba y abajo y que los términos horizontales no se anulen.

    Y eso es teoría incomprensible y de capas limites laminares, no turbulentas, que a alta velocidad los desprendimientos son el fenómeno dominante. La teoría comprensible, cuando estas en transonico, hay que tener en cuenta que las presiones provocan cambios de densidad, cuando te vas a supersonico, hay que tener en cuenta la onda de choque, si entras en hipersonico, se tiene que tener en cuenta hasta las reacciones químicas. La aerodinamica es un problema tremendamente complejo, defender una simplificación frente a otra, no me parece muy importante y tu explicación es tan valida como la de el.

  15. Gravatar Eagle | 14/06/2011 at 01:06 | Permalink

    @Sergio B: he leído tu comentario, pero eso sí, no he entendido nada de nada (bueno, supersónico sí, como la familia de los famoso dibujos). Por eso digo que la explicación inicial, para los ignorantes como yo en esto, está perfecta.

  16. Gravatar Alnair | 21/06/2011 at 11:23 | Permalink

    La razón principal por la que el viento de popa no es tan efectivo como el través (90º de la popa) es porqué en el primer caso la velocidad del barco se resta a la velocidad del viento, es decir, cuanto más rápido va el barco menos viento le llega a las velas. Por contra, en el segundo caso no es así, por muy rápido que vaya el barco, la velocidad del viento aparente no disminuye.

    De hecho, el rumbo más rápido para un velero suele estar entre el largo (viento viene a 45º de popa) y el través (viento viene a 90º de popa). Es estos casos al avanzar cada vez más rápido el barco, el viento aparente cambia de ángulo, ya que a la dirección del viento se le combina la del barco, llegando a un punto en el que el viento parece venir ligeramente de frente y la velocidad del viento y la del barco producen un viento aparente superior al real, llegando a alcanzar velocidades de navegación mayores a la del própio viento.

    Es algo parecido a lo que pasa en los aerogeneradores actuales. Están impulsados por el viento, pero la punta de las palas viajan a una velocidad muy superior a este, ya que al moverse en perpendicular si velocidad no se resta a la del viento.

  17. Gravatar J | 21/06/2011 at 12:06 | Permalink

    ¡Ostras! Con el comentario de Alnair acabo de entender porqué las hélices tienen esa forma tan rara, con mucho paso en el centro y casi planas en la punta… que curioso.

    Por cierto, estamos preparando un artículo sobre por qué (cualitativamente) es posible navegar más rápido que el viento, donde profundizaremos un poco en estas ideas al estilo de El Cedazo (ASQI).

  18. Gravatar Macluskey | 21/06/2011 at 05:17 | Permalink

    Doy fe (porque lo he visto) de que J está preparando un artículo donde habla precisamente de esto: por qué es posible para un barco navegar más rápido que el viento. Esperemos que se publique en breve, porque ve a ser super-didáctico…

  19. Gravatar Jerbbil | 30/06/2011 at 09:45 | Permalink

    Muy buenas,

    Me ha gustado mucho el artículo. Ahora bien, lo que yo más destacaría, es el dibujito del tripulante contrapesando para que el barco no escore demasiado. Épico.

    Bueno, ahora en serio. Un artículo muy bueno. Gracias y saludotes amplios.

  20. Gravatar chamaeleo | 13/06/2012 at 04:06 | Permalink

    Hola “J”, te felicito por el artículo porque aclara muy bien la duda que plantea, que es la navegación contra el viento. Es un tema que siempre me ha resultado anti-intuitivo, y una explicación como ésta ayuda bastante a comprender mejor el tema.

    Lo que dicen algunos comentarios acerca del principio de sustentación no lo veo, a mi modo de ver, como algo prioritario que se deba explicar en este artículo, ya que no lo considero el objetivo. No obstante, tal vez alguna pequeña mención “Nota: si bien la razón principal del empuje del viento no es la de acción-reacción, sino el principio de sustentación generado por diferencia de presiones, para simplificar tendremos en cuenta sólo las fuerzas resultantes finales, que a efectos prácticos viene a ser lo mismo” lo podría bordar.

    Al fin y al cabo la explicación que das se basa en las direcciones resultantes de las fuerzas (no en su módulo), y mientras las direcciones sean más o menos las mismas tanto en el caso de acción-reacción como en el caso de sustentación, para mí la explicación es válida para ambos casos. Y ya si algún día se hace algún artículo más detallado, bienvenido sea.

    Finalmente quisiera plantear un problema a ver si algún lector inspirado puede dar con la respuesta. A veces practico ciclismo, y el viento lateral es un horror que te frena bastante la marcha. Y seguramente el viento lateral haga crecer el consumo de combustible en los vehículos terrestres. Una aerodinámica bien estudiada que se apoye de estos principios, ¿permitiría incrementar las prestaciones en estos casos?

  21. Gravatar nahan | 03/05/2013 at 03:47 | Permalink

    Me gustaria navegar contra el viento pero se que no se duede solo en angulos y viento en popa lo que se y como saber en que direccion biene el viento si le pongo una banderita ariba del mastil y vere la direccion del viento para guiar mi vela estoy en lo crrecto o no

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