Como navegan los veleros contra el viento
Como navegan los veleros contra el viento
Como navegan los veleros contra el viento
Como navegan los veleros contra el viento, parece intuitivo que los veleros, propulsados solo por el viento, pueden viajar fácilmente con el viento detrás de ellos, pero puede parecer imposible para ellos darse la vuelta y regresar a casa con el viento soplando directamente contra ellos.
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Veleros
Pero este movimiento inverso es posible porque la vela de un barco en movimiento tiene la forma de una superficie aerodinámica como el ala de un avión. A medida que el aire se mueve sobre el ala de un avión, de un lado a otro, el viento que fluye sobre la parte superior del ala debe viajar más lejos que el viento que fluye debajo de la superficie inferior del avión. 'ala. Esto crea una diferencia de presión que eleva el avión.
En un velero, el viento que sopla contra el bote en ángulo infla la vela y forma una lámina similar, creando una diferencia de presión que empuja la vela perpendicular a la dirección del viento.
De acuerdo con "La física de la navegación explicada" (Sheridan House Inc, 2003), por Bryon D. Anderson, profesor de física en la Universidad Estatal de Kent, esta fuerza de la forma de la vela se combina y equilibra con otras fuerzas, incluidas las de la quilla del barco. (la pieza larga y delgada que sobresale del fondo de la olla).
Juntos, las fuerzas de arrastre del agua y la presión del viento contra la vela impulsan la embarcación hacia adelante. Se mueve en un ángulo opuesto a la dirección del viento, llamado sotavento en terminología de navegación.
Según la revista Physics Today del Instituto Americano de Física, la quilla es particularmente importante porque sin su acción de equilibrio, un barco simplemente rodaría en el viento.
La navegación en barlovento tampoco funciona si un barco apunta directamente en la dirección del viento, según The Physics of Sailing. El viento debe moverse contra la embarcación en un ángulo de al menos 40 grados para la mayoría de las embarcaciones. Si te inclinas demasiado hacia el viento, las fuerzas del bote se desequilibran y mueves el bote hacia los lados.
Un marinero que tiene la intención de viajar hacia el viento hasta un punto exactamente alineado con la dirección del viento tendrá que zigzaguear hacia adelante y hacia atrás para lograr su objetivo. Al usar esta técnica de "virar" y moverse en un ángulo lo más cercano posible a la dirección del viento, los marineros pueden llegar a un punto en cualquier dirección, independientemente de la dirección del viento.
La fuerza de la viscosidad actúa sobre los objetos que se mueven en el líquido. Se opone a su movimiento. Un objeto estrecho encuentra menos resistencia a la viscosidad que un objeto ancho. Por lo tanto, es más fácil para un barco moverse en su dirección larga que moverse lateralmente. Sin embargo, los fuertes vientos pueden empujar un bote a un lado.
Las quillas aumentan la resistencia del bote al deslizamiento lateral. Una quilla es una aleta delgada unida a la línea central inferior del bote. Los bolos vienen en muchas formas. Aprovechan la viscosidad del agua para oponerse al deslizamiento lateral. Al mismo tiempo, tienen muy poca resistencia al movimiento de avance de los barcos. Esto ayuda al bote a mantenerse en curso.
El timón es otra parte submarina en forma de aleta ubicada en la parte trasera del bote. Se puede girar hacia la izquierda y hacia la derecha en un eje vertical. Cuando el timón está alineado con la quilla, sirve como una extensión y ayuda a que el bote se siga moviendo en línea recta. Cuando el timón se gira desde esta alineación, el bote en movimiento gira.
La fuerza de la viscosidad reduce el deslizamiento de un bote, pero no puede eliminarlo por completo. También se opone al movimiento de avance del bote. A continuación, ignoraremos el deslizamiento lateral y la resistencia al agua para avanzar. Estos efectos podrían confundirse con nuestras descripciones.
Movimientos restringidos
El viento en el bote puede soplar en cualquier dirección, pero el bote solo puede moverse en la dirección de su quilla. La situación es similar a una cuenta en un cable fijo. La perla solo puede moverse en la dirección del cable, pero la fuerza sobre la perla puede apuntar en cualquier dirección. Imagine un cable duro alineado de izquierda a derecha y una fuerza activa que actúa sobre el cable (Figura 2, izquierda).
La perla se movería hacia la izquierda si la fuerza activa apuntara directamente a la izquierda o diagonalmente a la izquierda. La fuerza efectiva que impulsa el cable es solo una parte de la fuerza activa. Esta parte de la fuerza se llama componente de la fuerza en la dirección del cable. La fuerza de actuación es más efectiva cuando apunta hacia el cable. Su efectividad disminuye a medida que el ángulo que forma con el cable se ensancha y se vuelve totalmente ineficaz cuando es perpendicular al cable. La situación es simétrica para las fuerzas que apuntan a la derecha.
Las mismas ideas se aplican al barco (Figura 2, derecha). La fuerza activa en el bote es la fuerza del viento. Solo una parte de la fuerza del viento impulsa el bote hacia la quilla. Esta parte es el componente de la fuerza del viento en la dirección de la quilla. Lo llamaremos la fuerza principal aquí. La fuerza de la cabeza es la fuerza que impulsa el bote. El bote se mueve en la dirección de la fuerza de rumbo.
Si la fuerza de rumbo apunta hacia la proa, el bote se mueve hacia adelante. Si esta fuerza apunta hacia la popa, el bote retrocede. Como una cuenta en un alambre, la fuerza de rumbo más fuerte ocurre cuando la fuerza completa del viento está alineada con la quilla. A medida que el ángulo entre la fuerza total del viento y la quilla se ensancha, la fuerza de rumbo se debilita. Se desvanece cuando este ángulo entre la quilla y la fuerza total del viento alcanza los 90 grados.
Deslizar y aumentar fuerzas
Es común ver objetos arrastrados por el viento. El viento lleva las hojas consigo en otoño. Los impulsa en la misma dirección en que sopla. Pero además de empujar, los vientos ejercen otro tipo de fuerza sobre los objetos. El siguiente experimento simple ilustra el otro tipo de fuerza del viento.
Sostenga una hoja de papel a la altura de los ojos y sople sobre ella. El aire que fluye de tu boca empuja el papel lejos de ti. La fuerza de este viento empuja el papel en la dirección del flujo. Este tipo de fuerza de empuje se llama resistencia física.
Ahora sostenga el mismo papel debajo de sus labios y sople (Figura 3). El aire que sale de tu boca fluye sobre el papel; No puedes empujarlo. Aún así, el papel se mueve hacia arriba hacia la corriente de aire que fluye. En este caso, el aire circulante aspira el papel. En física, este tipo de fuerza de succión se llama elevador.
La fuerza de arrastre es el componente de la fuerza del viento en la dirección del viento. La fuerza de elevación es el componente de la fuerza del viento a 90 grados de la dirección del viento. La fuerza de elevación que actúa sobre el ala de la aeronave los levanta y los sostiene, de ahí el término "elevación". no obstante, las fuerzas de elevación alcanzan actuar en cualquier dirección con en relación con al suelo, dependiendo del objeto y la dirección del viento. Las fuerzas de elevación opuestas actúan a ambos lados de la vela. Su efecto combinado es chupar el frente de la vela (Figura 4). Entonces llamaremos a esta suma la fuerza de elevación.
El viento ejerce tanto fuerzas de arrastre como fuerzas de elevación sobre los objetos. La fuerza total del viento sobre el objeto es la suma de las fuerzas de arrastre y elevación. Cuando la fuerza de elevación está presente, la dirección en la que sopla el viento es diferente de la dirección de la fuerza total del viento que ejerce el viento sobre un objeto. La dirección de la fuerza total del viento depende de las fuerzas relativas de la resistencia y las fuerzas de elevación.
Cuando la fuerza de elevación es relativamente pequeña en comparación con la resistencia, la fuerza total del viento está cerca de la dirección del viento. Cuando la fuerza de elevación es relativamente grande en comparación con la resistencia, la fuerza total es casi perpendicular al viento. Cuando la vela corta directamente hacia el viento, no se infla y no se crea elevación; solo actúa como arrastre en tales casos en la aleta, vela plana. La fuerza de arrastre se crea principalmente por el viento que sopla hacia la parte posterior de la vela. La fuerza de elevación es creada por el viento que fluye a través de la superficie frontal de la vela. (Figura 5).
Figura 5 arrastre, levantamiento y fuerza total del viento en varios ángulos de ataque
La dirección de la fuerza total del viento siempre está entre las direcciones de la fuerza de arrastre y las fuerzas de elevación. Una sola vela siempre será empujada contra el viento; si crea elevación, será empujado diagonalmente por el viento.
Un velero no puede navegar directamente en el viento. La fuerza de arrastre lo empujará contra el viento. Para ir del punto A al punto B directamente al viento, el bote debe zigzaguear. Navegue desde A diagonalmente a favor del viento hasta el punto C. En C, gira y navega diagonalmente a favor del viento hacia el punto B (Figura 6). El barco puede zigzaguear varias veces en su camino de A a B.
Para navegar de A a C, el barco se gira primero hacia C usando el timón. Una vez que la quilla se alinea en la dirección de A a C, el timón se alinea nuevamente con la quilla y la vela se coloca en ángulo con respecto a la quilla, creando una fuerza de rumbo que apunta hacia C. Esto conduce el bote, como una cuenta en una cuerda, de A a C. La figura 7 muestra las relaciones entre las direcciones del viento, la vela, la quilla (bote) y las fuerzas cuando el bote navega diagonalmente hacia el viento.
Una vez en C, usando el timón, el bote se gira hacia B. El timón se alinea con la quilla y se permite que la vela se incline hacia el otro lado del bote, hasta un punto donde se apunta la fuerza de rumbo. hacia B. conducir el bote hacia B; de nuevo, como una perla en un hilo. La configuración de viento completo del recipiente de la figura 7 se gira hacia C hacia B;
DISCUSIÓN
Para que un bote navegue diagonalmente hacia el viento, las velas deben generar suficiente fuerza de elevación, en comparación con la fuerza de arrastre que todavía está actuando sobre ellas. La relación entre las fuerzas de elevación y tracción depende del viento y la vela. Para avanzar hacia un viento constante (figura 7), la vela debe mantener el ángulo de ataque necesario (el ángulo formado por la vela con el viento) y su curvatura.
De lo contrario, la resistencia será la fuerza dominante. Por ejemplo, una bandera en el mástil no se puede utilizar como vela porque se balancea en la dirección del viento y no puede sostener una curvatura. Ejerce una fuerza de arrastre sobre el mástil en la dirección del viento. Las velas triangulares son "naturales" para crear una fuerza de elevación significativa.
Es fácil manipularlos (conectarlos al bote) para que conserven su forma curva y su ángulo de ataque. Otras velas de igual forma pueden crear una elevación significativa, continuamente que mantengan su curvatura y ángulo de ataque. El US Coast Guard Eagle en la Figura 8 usa una variedad de velas que cortan el viento mientras navegan diagonalmente contra el viento.
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