Embarcaciones de sustentación dinámica

DINAMICA DE VEHICULOS MARINOS. HIDROFOILS.

1 Alejandro Díez Fernández

INDICE

1. Introducción.

2. Definiciones.

3. Primeros diseños y evolución histórica.

4. Normativa internacional OMI aplicable a las embarcaciones de sustentación dinámica, y

evolución de la misma.

5. Principio de funcionamiento.

5.1. Sustentación dinámica.

5.2. Resistencia del elemento hidroala con la líneas de flujo.

5.3. Cavitación de la hidroala.

6. Estabilidad en los buques hidroala.

6.1. Hidroalas de aletas que cortan la superficie.

6.1.1. Modalidad de flotación sobre el casca.

6.1.2. Momento escorante provocado por la evolución.

6.1.3. Relación del momento de zozobra y el momento escorante.

6.1.4. Momento escorante provocado por la presión del viento.

6.1.5. Evaluación del momento mínimo de zozobra.

6.2. Estabilidad en las modalidades de transición y soportado por las aletas

sustentadoras.

6.3. Hidroalas de aletas totalmente sumergidas.

6.4. Carga constituida por los pasajeros.

7. Tipos y aplicaciones del hidrofoil.

8. Bibliografía y material de Internet.



1. INTRODUCCIÓN.

Un barco convencional se mantiene a flote en virtud del principio de Arquímedes, es

decir, el casco se hunde hasta que desplaza un volumen de agua cuyo peso iguala al del buque.

Este principio produce la flotabilidad del casco, pero resulta un inconveniente cuando se trata

de moverlo. Cuando un barco se desplaza debe abrirse camino en el agua apartándola y

sufriendo un rozamiento con la misma. En esta situación existen dos posibilidades: franquear

el montón de agua que hay delante, cosa que en la práctica es imposible, o esperar a que ésta

se disperse en forma de ola. Esta segunda alternativa es la que ocurre normalmente con los

cascos convencionales. El inconveniente de este método consiste en que la ola se aleja hacia

adelante con una velocidad proporcional a la raíz cuadrada de la longitud del casco de la

embarcación. Únicamente cascos muy largos, como los de los grandes barcos, pueden

moverse con la velocidad adecuada. Para superar la velocidad de la ola es necesario consumir

mucha energía y la navegación en estas condiciones ya no es conveniente.

El hidroala resuelve el problema de la resistencia de la ola elevándose por encima del

agua y manteniendo sumergidas unas alas o patines que lo sostienen mientras la velocidad sea

lo bastante alta. Como las olas no golpean el fondo del casco tienen poca influencia sobre la

estabilidad del barco y la navegación. A bajas velocidades funciona como un barco normal

capaz de flotar y moverse lentamente en el agua, lo que es necesario para maniobrar en un

puerto o permanecer fondeado. Cuando el casco se mueve lentamente en el agua, el efecto de

las alas no se percibe, pero cuando los motores impulsan la embarcación con velocidad

suficiente, las alas funcionan como las de un avión y levantan el hidrofoil por encima del agua.

2. DEFINICIONES.

En este apartado vamos a definir el concepto de hidrofoil y una serie de conceptos

necesarios para la comprensión de este estudio.

Un hidroala (hydrofoil en inglés), es un tipo de barco cuyo casco sobresale del agua

cuando la velocidad es lo bastante elevada, gracias a la acción de un plano de sustentación o

ala que funciona según el mismo principio que las alas de un avión. Esta técnica permite a los

barcos aumentar su velocidad disminuyendo la fricción entre el casco y el agua y evitando los

efectos de las olas.

Del Código Internacional de Seguridad para naves de gran velocidad (Código NGV

2000) adoptado el 5 de diciembre de 2000 mediante Resolución MSC.97(73), del que



hablaremos en apartados posteriores, podemos extraer las siguientes definiciones

relacionadas con la materia en estudio.

Nave de gran velocidad: Es aquella capaz de desarrollar una velocidad máxima igual o

superior a 3,7·V0,1667 , donde V es el volumen de la flotación de proyecto. A excepción de las

naves cuyo casco está completamente sustentado por encima de la superficie del agua.

Nave hidroala: Buque cuyo casco queda completamente por encima de la superficie

del agua en la modalidad sin desplazamiento, sustentado por las fuerzas hidrodinámicas

generadas por las aletas de soporte.

Modalidad sin desplazamiento: Es el régimen operacional normal de una nave en que

el peso de ésta, queda sustentado en gran medida o de manera predominante por fuerzas no

hidrostáticas.

Modalidad de transición: Régimen del buque entre las modalidades con

desplazamiento y sin desplazamiento.

Aleta sustentadora: Plancha de perfil currentilineo o construcción tridimensional en la

que se produce una sustentación hidrodinámica cuando el buque está en marcha.

Aleta sustentadora totalmente sumergida: Es una aleta sustentadora que no contiene

ningún elemento sustentador que atraviese la superficie del agua en la modalidad de

sustentación sobre aletas.

3. PRIMEROS DISEÑOS Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA.

La primera evidencia histórica en la

que podemos ver en diseño de una

embarcación la utilización del efecto hidroala

se puede encontrar en una patente realizada

por el ingeniero parisino, Emmanuel Farcot

Denis, en 1869, que afirmaba que "la

adaptación a los lados y el fondo del buque de

una serie o planos inclinados o cuña formada

piezas, que el buque es impulsado tendrá el

efecto de levantamiento en el agua y reducir

el calado”. Puede que este diseño haya sido construido y probado en la realidad, pero no

existe constancia documental de la utilización de este diseño en ningún tipo de buque o

embarcación.

Primer diseño hidroala



El concepto de hidrofoil o hidroala, tal y

como lo conocemos en nuestros días nace en

1906, en un artículo publicado en el número de

marzo de la revista Scientific American escrito por

el William E. Meacham, en el que explicaba los

principios físicos del efecto hidroala y la

estructura y diseño básico que deberían tener

éstas embarcaciones. Como veremos a los largo

del desarrollo de este trabajo el principio físico

aplicado a estas embarcaciones y a la aeronáutico

es el mismo y dado que el primer vuelo de los

hermanos Wright es de 1903 por lo que podemos

considerar que la aparición de los hidrofoils y el

desarrollo de la aeronáutica con contemporáneos.

A partir de la publicación de este artículo el ingeniero Alexander Graham Bell se

interesó por la aplicación a que pudieran tener este tipo de embarcaciones por lo que

comenzó a esbozar y desarrollar los conceptos teóricos y tecnológicos de lo que actualmente

se conoce como una

embarcación hidroala.

Junto con el también

ingeniero, y pionero de la

aviación, Casey Baldwin,

comenzaron sus ensayos en el

verano de 1908. Bladwin

estudió los trabajos del

también inventor e ingeniero

italiano Enrico Forlanini,

conocido por sus diseños de helicópteros, hidroalas y dirigibles. empezó a probar modelos

basados en sus diseños, lo que le permitió junto a Bell el desarrollar el hidroala.

Durante una gira mundial de Bell entre 1910 y 1911, él y Baldwin se encontraron con

Forlanini en Italia. Navegaron por el Lago Maggiore en el hidroala de Forlanini, describieron

CaseyBaldwin la experiencia como algo tan suave como volar.

Alexander Graham Bell

El hidroala de Forlanini navegando en el Lago Maggiore, 1910



De regreso a sus laboratorios y talleres, en Nueva Escocia, se ensayaron varios

prototipos hasta culminar en el llamado HD-4. Usando motores Renault se alcanzó una

velocidad máxima de 87 Km/h, con una rápida aceleración, superando las olas sin dificultad,

lográndose una buena gobernabilidad y estabilidad en la navegación.

A raíz de estos experimentos y prototipos,

Alexander G. Bell envió un informe a la Marina de los

Estados Unidos describiendo los experimentos y las

futuras posibilidades que este tipo de embarcaciones

podrían tener para los intereses la Marina, le

permitió obtener de esta, dos motores de 350 HP, y

con ellos el 9 de septiembre de 1919 el HD-4

estableció un record mundial de velocidad sobre el

agua alcanzando los 114 Km/h, record que

permaneció vigente durante diez años.

En otros lugares se hicieron también

diferentes investigaciones para este tipo de

embarcaciones. Entre 1873 y 1914, el diseñador naval

británico John I Thornycroft trabajó en una serie de

modelos dotados de un casco escalonado y una única

Prototipo HD-4 Prototipo HD-4 en navegación.



ala inclinada. En 1909 su compañía construyó un barco de 22 pies de largo, el Miranda III,

propulsado por un motor de 60 CV. El modelo siguen, el Miranda IV llegó a alcanzar los 35

nudos. [1].

En Alemania, el Barón Von Schertel trabajó en el campo de los hidroalas en los años

previos a la Segunda Guerra Mundial, pudiendo considerarse éste como el verdadero pionero

de la aplicación comercial y militar de los hidroalas. Tras la Guerra, el equipo técnico de

Schertel fue capturado por los soviéticos, pero el propio Barón Schertel se trasladó a Suiza,

donde fundó la compañía Supramar AG.

En 1952 Supramar botó el primer

hidroala comercial, el PT10, en el Lago

Maggiore, entre Suiza e Italia. El PT10 era del

tipo surface-piercing, siendo capaz de

transportar 32 pasajeros a una velocidad de 35

nudos. En 1968, el empresario Hussain Najadi

adquirió los modelos de la compañía Supramar

y expandió su mercado de transporte de

viajeros hasta Japón, Hong Kong, Singapur,

Reino Unido, Noruega y los Estados Unidos.

La compañía estadounidense General Dynamics compró la licencia de Supramar para

la fabricación de hidrofoils y El Pentágono premió su primer proyecto de investigación y

desarrollo en el campo de super cavitación. La Hitachi Shipbuilding de Osaka (Japón), fue otra

que obtuvo la licencia de Supramar, así como muchas navieras y astilleros de países de más

desarrollados.

Entre 1952 y 1971, Supramar

diseñó varios modelos de hidroala:

PT20, PT50, PT75, PT100 y PT150. Salvo

el PT150, todos eran del tipo surface-

piercing. Se construyeron más de 200

unidades de los modelos de Supramar,

la mayoría de ellos por los astilleros

Rodriquez en Italia.

HMCS Bras d´Or

Hidrofoil Ruso Clase Raketa



A finales de la década de 1960 la Marina Canadiense construyó y probó un hidroala de

alta velocidad destinado a la lucha antisubmarina, el HMCS Bras d'Or (FHE 400), pero el

proyecto fue abandonado debido a un cambio de prioridades estratégicas de esta Armada. El

Bras d'Or era del tipo surface-piercing y durante las pruebas mostró un buen comportamiento,

alcanzando una velocidad máxima de 63 nudos.

La Unión Soviética experimentó ampliamente con hidroalas, construyendo modelos

para la navegación fluvial y ferrys con diseños estilizados, especialmente durante las décadas

de 1970 y 1980. Ejemplos de estos hidroalas son los barcos de la clase Raketa y la sucesora la

Meteor, de mayor tamaño o el más pequeño de la clase Voskhod, diseñados en la Oficina de

Estudios Especiales (OKB)-Alexeiev, situada en Nizhny Nóvgorod y liderada por el ingeniero

Rotislav Alexeiev, creador del ekranoplano.

4. NORMATIVA INTERNACIONAL OMI APLICABLE A LAS EMBARCACIONES

DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA, Y EVOLUCIÓN DE LA MISMA.

La primera normativa internacional donde se recogen las características de seguridad u

estabilidad de este tipo de embarcaciones y por ende todas las de sustentación dinámica es la

Resolución A.373 de 14 de noviembre de 1977 por el cual se define el “Código de seguridad

para naves de sustentación dinámica”, creado según la misma OMI proclama para facilitar la

investigación y el desarrollo de este tipo de naves y facilitar la aceptación internacional de la

mismas en materia de seguridad y diseño. En sus 18 capítulos, 3 anexos y dos apéndices,

recoge todos los aspectos de su construcción. Desde el compartimentado, habilitación, y

Ekranoplano, en navegación. Este aprovecha otro efecto hidrodinámico no estudiado en este trabajo: el efecto suelo.



seguridad contraincendios a su estabilidad, maniobrabilidad y diseño de máquinas y sistemas

auxiliares.

Posteriormente aparece la Resolución A.749 (18) aprobada el 4 de noviembre 1993, el

Código de Estabilidad sin Avería para todos los tipos de buques regidos por los instrumentos

OMI. Este nuevo código recoge la estabilidad de todos los buques incluidos los tratados en

este estudio, por lo tanto los temas relativos a la estabilidad y flotabilidad de los hidrofoil que

el anterior convenio se definía de una forma muy somera en su capítulo 2, se desarrolla en

más profundidad en Capítulo 4.8 dedicado a las naves de sustentación dinámica en sus tres

regímenes de navegación, con flotabilidad, transición y en modo sin desplazamiento.

La normativa OMI mas reciente sobre las naves de sustentación dinámica es el Código

Internacional de seguridad para naves de gran velocidad (Código NGV 2000) de 5 de diciembre

de 2000 en Resolución MSC. 97(73) en vigor en el ordenamiento jurídico español el 1 de Julio

de 2002. Este código se aplica a todas las naves de alta velocidad de transporte de pasajeros

que no se aleje más de ocho horas de un puerto de refugio, por lo tanto no es una normativa

específica para un buque de sustentación dinámica, pero en su Anexo 6 sobre estabilidad de

las naves hidroala desarrolla los criterios de estabilidad que han de cumplir esta

embarcaciones, de un modo muy similar a la Resolución anteriormente vista.

En el apartado quinto de este estudio estudiaremos los criterios de estabilidad

establecidos por la OMI para este tipo de embarcaciones en sus distintos regímenes de

funcionamiento.

5. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

El funcionamiento del hidroala se basa en

obtener una fuerza que eleve el casco de la nave gracias

a la sustentación generada por medio de un ala

sumergida en el agua.

A baja velocidad, el hidroala se comporta, como

un barco convencional. A medida que la velocidad

aumenta, la presión del agua bajo el ala, bebido a su

forma hidrodinámica, unida a la disminución de la

presión que se forma sobre la misma genera una fuerza

de sustentación opuesta al peso de la nave y una vez alcanzada cierta velocidad es suficiente

para elevar completamente el casco sobre el agua. La única parte del barco que permanece



sumergida, por supuesto, descontando las alas, son las hélices y el timón de dirección. Con el

casco elevado sobre el agua, la única resistencia al avance es la que ofrecen las alas que lo

mantienen elevado, que es mucho menor a la que ofrecería el casco sumergido navegando a la

misma velocidad.

5.1. SUSTENTACIÓN DINÁMICA.

Como ya hemos vistos anteriormente el hidroala en una embarcación diseñada para

navegar con una resistencia mínima con el agua, gracias a que su obra viva se encuentra fuera

del agua durante el régimen de navegación debido la sustentación que los elementos del

hidroala generan en su movimiento a través del agua. Vemos a continuación el desarrollo de

de las expresiones que matemáticas para el cálculo de la esta fuerza de sustentación sobre el

agua.

La fuerza ascensional puede calcularse utilizando la ecuación:

Donde:

ρρρρ es la densidad del agua.

V es la velocidad.

C es el coeficiente de

elevación.

S es el área de la superficie de sustentación.

El coeficiente de elevación viene determinado por la expresión:

En la realidad, desplazándose en líquidos viscosos, la derivada del coeficiente de

elevación respecto del ángulo de ataque y cero se toma de acuerdo a la expresión:

Donde es el perfil del hidroala.



Se realiza la reducción de los valores a una hidroala normalizada, estando los ángulos

en radianes. La influencia de la superficie de agua libre se explica por la función:

Donde:

c es el mayor espesor de la lámina.

h es la profundidad de la lámina.

Modificando el ángulo cero debido a la proximidad de la superficie libre se calcula

utilizando la ecuación:

La influencia de la resistencia inducida por la línea de agua se aproxima por la

expresión:

La relación de aspecto λ corresponde a la duración, dividido por el acorde de bandas

rectangulares. Función ξ es función de la profundidad a la que se encuentra el hidroala. Esta

función puede ser calculada por la ecuación:

La segunda expresión de este apartado se puede aplicar para alas en posición plana. En

el caso de las inclinar la hidroala, se aplican una serie de diagramas especiales para el cálculo

de los empujes adicionales. Levantar las láminas de los estabilizadores cruce con la superficie

del agua se calcula mediante la adopción de una proyección horizontal en lugar de la lámina de

superficie, la profundidad y es sustituida por su valor medio.

5.2. RESISTECIA DEL ELEMENTO HIDROALA CON LAS LÍNEAS DE FLUJO (Agua).

La resistencia del elemento sustentador de la embarcación o hidroala con relación al

fluido se define ecuación:



Donde:

ρρρρ es la densidad de líquidos.

V es la velocidad.

CX es el coeficiente de resistencia.

S es el área de la hidroala.

El coeficiente de resistencia (Cx )

es la suma de los coeficiente de perfil

(Cpr), el coeficiente de resistencia

inducida (Cin) y los coeficientes de arrastre de onda (CW):

El coeficiente de perfil (Cpr) aparece debido a la viscosidad de líquido, e incluye dentro

de su expresión la fricción con el fluido y la forma del perfil del hidroala. Para pequeños

ángulos de ataque sobre la superficie, puede ser calculado por la ecuación:

Donde:

ξξξξ, es el coeficiente de resistencia de una placa equivalente determinada por el diagrama

Prandtl-Shlihting-Nikuradze.

m, depende de C y (varía de 0,4 a 0,7).

ϕϕϕϕ, es la descompresión en la parte superior de una lámina.

k, es tomado de la expresión del párrafo siguiente de la lamina de sustentación.

La salida del flujo del alrededor de una lámina de superficie limitada, en torno a los

extremos de dicha superficie va acompañado de un la formación de vórtices libres. La razón de

la aparición de estos vórtices es la diferencia de presión entre dos partes de superficie. Por ello

las líneas de flujo en la parte superior de la superficie se desplazan hacia la izquierda mientras

Flujo laminar en la superficie de un hidroala.



que en la parte baja el flujo se desviará hacia la derecha, por este motivo la fuerza

hidrodinámica desvía hacia atrás, y el ángulo de ataque disminuye.

El coeficiente de resistencia inducida (Cin ) puede ser calculada por la ecuación:

Donde

δδδδ, es la corrección de una lámina rectangular, comparándola con una hidroala elíptica:

λλλλ, es la relación de aspecto, y ξ se toma de expresión de la sección Levante.

Cuando una lámina que se está moviendo en las proximidades de una superficie libre,

un sistema de onda aparece abajo. En la práctica el cálculo de coeficiente de resistencia de

onda, se puede utilizar la fórmula más simple, donde el Fr el número de Froude basado en una

hidroala tipo.

La ola de arrastre solo puede ser calculada en regímenes de alta velocidad, de otro

modo la expresión anterior dará a los valores negativos y se debe tener en cuenta que este

método sólo es aplicable para aguas tranquilas.

5.3. CAVITACIÓN DE LA HIDROALA.

La presión del flujo

hidrodinámico se distribuye a lo

largo de la hidroala cuando ésta se

encuentra en movimiento a través

del fluido. En este flujo laminar,

bajo algunas condiciones, puede

ocurrir que la presión del flujo

hidrodinámico del agua sea igual a

la presión de vapor saturado del

fluido. En este momento se

Efecto de cavitación en un hidroala.



produce la rotura de la continuidad del líquido, apareciendo el fenómeno de cavitación.

En presencia de cavitación, el empuje hidrodinámico disminuye y puede producirse la

destrucción y erosión de la hidroala. Cuando la superficie cavitante atraviesa el seno del agua,

el aire puede atraer a la parte superior de una lámina y disminuir la sustentación

instantaneamente y no abruptamente. Por eso, la cavitación de bandas cerca de la superficie

libre debe ser evitada en cualquier condición. Según Bernulli ecuación, la presión produce

sobre la hidroala en función de la profundidad del agua viene dada por h:

Similitud condición para flujos de cavitación es la igualdad de la cavitación números (2).

Cada lámina tiene un cierto perfil de la distribución de la presión. La presión local se define por

el coeficiente:

Cavitación aparece cuando p = p - d. Coeficiente de presión en la parte superior de un

segmento de perfil puede ser estimado por la fórmula de Lavrentiev, para q=1:

Para cerca de las láminas de la superficie del agua, Vaganov del coeficiente:

Para cada perfil, se dibuja un diagrama experimental de generación de cavitación

(relación entre la aparición de cavitación con el ángulo de ataque y el coeficiente de

cavitación). Para calcular la velocidad crítica, cuando ocurre la cavitación, es conveniente

utilizar la ecuación:

en caso de corrección de descompresión ϕ se define por la expresión:



El espesor máximo del hidroala para regímenes subcavitantes a una determinada

velocidad está determinada por la ecuación:

Para aproximaciones estimadas, utilizamos la fórmula de Kru:

y la fórmula de Valhner:

Para aumentar la velocidad del buque sin cavitación apariencia, la aplicación de

barrido y deslizando las láminas se recomienda. Si el perfil normal de un móvil de aluminio es

el mismo que el perfil de la lámina de recta, entonces la velocidad de aparición de la cavitación

puede expresarse a través de la correspondiente velocidad de la recta de aluminio (11),

Donde θ es el ángulo de ataque de la hidroala. La velocidad crítica con la que comienza

el fenómeno de la cavitación para un ángulo θ de 30-50 grados y cavitación 0.1-0.4 número se

puede expresar por:

6. ESTABILIDAD EN LOS BUQUES HIDROALA.

La última definición de las características de estabilidad, tanto estática como dinámica

viene definida y regulada por el Código Internacional de Seguridad para naves de gran

velocidad (Código NGV 2000) adoptado el 5 de diciembre de 2000 mediante Resolución

MSC.97 (73), en su Anexo 6 sobre estabilidad de las naves hidroala, en este apartado vamos a

analizar esta normativa y las regulaciones



Se examinará la estabilidad de estas naves en sus modalidades de flotación sobre el

casco, de transición y de soporte sobre las aletas sustentadoras. Al determinar la estabilidad se

tendrán también en cuenta los efectos de las fuerzas exteriores. Los procedimientos siguientes

se exponen a título de orientación para determinar la estabilidad. El Código NGV analiza la

estabilidad para los dos tipos de naves de sustentación dinámica, las que sus aletas cortan la

superficie y las que tienen éstas totalmente sumergidas.

6.1 HIDROALAS DE ALETAS QUE CORTAN LA SUPERFICIE.

6.1.1. MODALIDAD DE FLOTACIÓN SOBRE EL CASCO.

La estabilidad en aguas tranquilas será la suficiente para satisfacer que no supere 8º a

ninguna banda en cualquier condición de carga y teniendo en cuente el movimiento de los

pasajeros.

6.1.2 MOMENTO ESCORANTE PROVOCADO POR LA EVOLUCIÓN.

El momento escorante que se produce durante la maniobra de la nave en la modalidad

con desplazamiento puede deducirse de la fórmula siguiente:

Donde:

MR momento escorante.

Vo velocidad de la nave durante la evolución (metros por segundo).

∆ desplazamiento (toneladas).

KG altura del centro de gravedad por encima de la quilla (metros).

L eslora de la nave medida en la flotación (metros).

Esta fórmula es aplicable cuando la relación entre el radio de la curva de evolución y la

eslora de la nave es de 2 a 4.

6.1.3. RELACIÓN MOMENTO DE ZOZOBRA Y EL MOMENTO ESCORANTE.



La relación entre el momento de zozobra y el momento escorante para satisfacer el

criterio meteorológico. Se puede verificar la estabilidad del hidroala en la modalidad con

desplazamiento para ver si satisface el criterio meteorológico K mediante la fórmula siguiente:

Donde:

Mc momento mínimo de zozobra, determinado tras haber tomado en

consideración el balance.

Mv momento escorante aplicado dinámicamente, provocado por la presión del

viento.

6.1.4. MOMENTO ESCORANTE PROVOCADO POR LA PRESIÓN DEL VIENTO.

El momento escorante Mv es el producto de la presión del viento Pv por la superficie

expuesta al viento Av y por el brazo de palanca Z de dicha superficie

El valor del momento escorante se supone constante durante todo el periodo de

escora.

Se supondrá que la superficie expuesta al viento Av incluye las proyecciones de las

superficies laterales del casco, la superestructura y otras estructuras situadas por encima de la

flotación. El brazo Z de la superficie expuesta al viento es la distancia vertical entre el centro de

acción del viento y la flotación; podrá considerarse que dicho centro coincide con el centro de

de la superficie expuesta.

La presión de un viento (en Pa) de fuerza 7 de la escala de Beaufort en función de la

posición del centro de la superficie expuesta al viento figura en la tabla:

VALORES TÍPICOS DE LA PRESIÓN DE UN VIENTO DE FUERZA 7 DE LA ESCALA DE

BEAUFORT A 100 MILLAS MARINAS DE TIERRA

Z por encima de la flotación (m)

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Pv (Pa) 46 46 50 53 56 58 60 62 64



6.1.5. EVALUACIÓN DEL MOMENTO MÍNIMO DE ZOZOBRA.

El momento mínimo de zozobra se determina partiendo de las curvas de estabilidad

estática y dinámica, teniendo en cuenta el balance.

Cuando se utilice la curva de estabilidad estática, Mc se determina igualando las áreas

situadas bajo las curvas de los momentos zozobrante y adrizante (o brazos de palanca),

teniendo en cuenta el balance, según se indica en la figura 4.8.7.1.1.5.1., donde θz es la

amplitud de balance y MK es una línea trazada paralelamente al eje de abscisas de manera que

las áreas rayadas S1 y S2 sean iguales.

Cuando se utilice la curva de estabilidad dinámica, primero hay que determinar un

punto auxiliar A. A este fin se traza hacia la derecha la amplitud de la escora a lo largo del eje

de abscisas, obteniéndose el punto A', ver la figura anterior. Paralelamente al eje de abscisas

se traza la línea AA' igual al doble de la amplitud de la escora (AA' - 2θZ), obteniéndose así el

punto auxiliar A. Se traza la línea AC, tangente a la curva de estabilidad dinámica. Desde el

punto A se traza la recta AB paralela al eje de abscisas e igual a un radián (57,3º). Desde el

punto B se traza una perpendicular que corte la tangente en el punto E. La distancia es igual

al momento de zozobra si se mide a lo largo del eje de ordenadas de la curva de estabilidad

dinámica. Sin embargo, si sobre el eje de ordenadas se trazan los brazos de palanca de



estabilidad dinámica, será el brazo de palanca de zozobra y en tal caso el momento de

zozobra Mc se obtendrá multiplicando la ordenada en metros por el desplazamiento

correspondiente en toneladas.

Mc = 9,81 ∆ (kN m)

La amplitud de balance θZ se determina mediante ensayos con modelos y a escala

natural en olas irregulares, y es la máxima amplitud de balance de 50 oscilaciones de una nave

que se desplace perpendicularmente en la dirección de las olas con un estado de la mar que

corresponda a las condiciones más desfavorables previstas en el proyecto. A falta de tales

datos se supondrá una amplitud igual a 15º.

La eficacia de las curvas de estabilidad debe limitarse al ángulo de inundación.

6.2. ESTABILIDAD EN LAS MODALIDADES DE TRANSICIÓN Y SOPORTE DE LAS ALETAS SUSTENTADORES.

La estabilidad queda limitada por los 8º grados de escora en cualquier condición

verificando que la estabilidad correspondiente a las modalidades de transición y de soporte

sobre aletas sustentadoras para todas las condiciones de carga, considerando el servicio a que

esté destinada la nave.

La estabilidad en éstas modalidades podrá determinarse por cálculo o basándose en

los datos obtenidos en experimentos realizados con modelos, y se verificará mediante pruebas



a escala natural sometiendo la nave a una seria de momentos escorantes conocidos mediante

pesos de lastre excéntricos, y registrando los ángulos de escora producidos por tales

momentos. Estos resultados, cuando se obtengan en las modalidades de flotación sobre el

casco, despegue, soporte continuo sobre aletas sustentadoras y retorno a la flotación sobre el

casco, darán una indicación de los valores de la estabilidad en las diversas situaciones de la

nave durante la fase de transición.

Se establecerá el tiempo que se tarda en pasar de la modalidad de flotación sobre el

casco a la de soporte sobre aletas sustentadoras y viceversa. Este tiempo no deberá exceder

de dos minutos.

En la modalidad de soporte sobre aletas sustentadoras, el ángulo de escora originado

por la concentración de pasajeros en una banda no excederá de 8º. En la modalidad de

transición, el ángulo de escora debido a la concentración de pasajeros en una banda no

excederá de 12º.

En la siguiente figura se muestra uno de los posibles métodos de determinación, en la

fase de proyecto, de la altura metacéntrica (GM) en la modalidad de soporte sobre aletas

sustentadoras para una determinada configuración de aletas.

Donde:

nB , porcentaje de la carga del hidroala soportada por la aleta sustentadora anterior



nH , porcentaje de la carga del hidroala soportada por la aleta sustentadora posterior

LB ,envergadura de la aleta sustentadora anterior

LH ,envergadura de la aleta sustentadora posterior

a, distancia libre entre la parte inferior de la quilla y el agua

g, altura del centro de gravedad por encima de la parte inferior de la quilla

Ig , ángulo de inclinación de la aleta sustentadora anterior con respecto a la horizontal

IH , ángulo de inclinación de la aleta sustentadora posterior con respecto a la horizontal

6.3. HIDROALAS DE ALETAS TOTALMENTE SUMERGIDAS.

Modalidad de flotación sobre el casco

En la modalidad de flotación sobre el casco la estabilidad en la modalidad de flotación

sobre el casco será suficiente para satisfacer lo prescrito en la modalidad anterior para este

tipo de embarcaciones.

Para la modalidad de transición se examinará la estabilidad con ayuda de simulaciones

realizadas con computador y verificadas, a fin de evaluar los movimientos, el comportamiento

y las reacciones de la nave en condiciones operacionales normales y límite y bajo la influencia

de un defecto de funcionamiento cualquiera.

Se deberán examinarán las condiciones de estabilidad resultantes de todo posible fallo

de los sistemas o de los procedimientos operacionales durante la fase de transición que

pudieran resultar peligrosas para la integridad de estanquidad y la estabilidad de la nave.

Para la modalidad de soporte sobre aletas sustentadoras la estabilidad de la nave se

ajustará a lo dispuesto en los apartado anteriores para las otras modalidades, aplicándose

según proceda, a este tipo de nave, y todas las simulaciones realizadas con computador y los

cálculos de proyecto se verificarán mediante pruebas efectuadas a escala natural.

6.4. CARGA CONSTITUIDA POR LOS PASAJEROS.



Para el cálculo de la carga de pasajeros se toma como base una masa de 75 kg por

pasajero, si bien este valor pudiendo reducirse, aunque nunca a menos de 60 kg, cuando esté

justificado. Además, la masa y la distribución del equipaje serán las que la Administración

juzgue satisfactorias.

Supondremos que la altura del centro de gravedad, de cada pasajero según la

siguiente media:

1.- 1,0 m por encima del nivel de cubierta para los pasajeros que estén de pie. Si es

necesario, se podrán tener en cuenta la brusca y el arrufo de la cubierta;

2.- 0,30 m por encima de los asientos para los pasajeros sentados.

Suponiendo que los pasajeros y su equipaje ocupan el espacio normalmente destinado

a ellos y considerando que los pasajeros están distribuidos de modo que se produzca la

combinación más desfavorable de momento escorante provocado por los pasajeros y/o altura

metacéntrica inicial que pueda obtenerse en la práctica. A este respecto se señala que no hará

falta un valor que exceda del correspondiente a cuatro personas por metro cuadrado.

7. TIPOS Y APLICACIONES DEL HIDROFOIL.

En este apartado vamos a ver algunos tipo de naves de sustentación dinámica de la

gran variedad de diseños existen, tanto para su uso comercial como, experimental y lúdica.

El primer tipo es el Jet-Foil, un diseño

que estaba en uso en las islas canarias entre

Las Palmas y Santa Cruz de Tenerife operado

por la compañía Transmediterránea. En la

actualidad no se efectúa el servicio entre

estas, con gran queja por parte de sus

usuarios dada la comodidad y efectividad del

servicio.

Partes principales de un Jet-Foil



Esta embarcación es diseñado por la compañía aeronáutica Boeing una embarcación cuyo

sistema de propulsión es similar a las que

tienen los aviones jets (avión a reacción), posee

unos soportes dirigidos con alas y alerones

controlados automáticamente, en

funcionamiento emergen fuera del agua, puede

alcanzar una velocidad de 43 nudos,

transportando hasta 250 pasajeros.

A continuación podemos ver una serie

de modelos de hidrofoils en los que el elemento

de sustentación o hidroala corta la superficie. La mayoría de ellos son de construcción rusa y

operan sobre todo en ríos o canales.

Dentro de los diseños militares hay

infinidad de tipos, pero ya que las

embarcaciones militares no son tema de

estudio en nuestra carrera por esto solo

mencionare un tipo con unas peculiares

características.

Diseñado y construido la antigua

Leningrado, el SARANCHA es un hidroala que

posee una aleta de sustentación que atraviesa la superficie del agua y un sistema de avance

totalmente sumergido configuración popa. La parte popa del casco se apoya en dos

estructuras verticales, cada uno de los cuales lleva una hélice en cada extremo de los

arbotantes. Tanto los apéndices que sustentan las hidroalas de proa como los de popa son

Jet-Foil Princesa Teguise en servicio

en las Islas Canarias.

Clase Olympia. 37 nudos y 250 pasajeros.

Clase Poleise. 33 nudos y 55 pasajeros.

Clase PT-50. 40 nudos y 110 pasajeros



retráctiles ganando así en calado cuando ésta navega como un buque convencional.

SARANCHA tiene dos motores de turbina de gas de construcción Soviética que generan

una potencia de 15.000 CV que pueden proporcionar una velocidad máxima de más de 50

nudos.

Para finalizar veremos una serie de modelos en los que se puede aplicar el efecto del

hidroala, embarcaciones deportivas, de competición, de esquí acuático e incluso para

embarcaciones de navegación a vela.



8. BIBLIOGRAFÍA.

- SHIP DYNAMICS FOR MARINERS. I.C. Clark.

- Development of the Tool for Predicting Hydrofoil System Performance and Simulating Motion of Hydrofoil-Assisted Boats. Dr. Konstantin Matveev and Ralph Duncan. - "Volador" Un hidrofoil para el récord del mundo de velocidad a vela. Fulgencio García Fernández. - Resolución IMO A. 749(18). Código de estabilidad para todos los tipos de buques regidos por los instrumentos de la OMI. - Resolución MSC. 97 (73) Código Internacional de Seguridad de Naves de Alta Velocidad. - http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrofoil

- http://www.infovisual.info/05/061_es.html

- http://www.foils.org/

- http://www.hydrofoil.org/

- http://www.hydrofoils.org

- http://www.fluidlab.naoe.t.u-tokyo.ac.jp/Research/CavPictures/index.html.en

- http://cavity.ce.utexas.edu/kinnas/cavphotos.html

- http://www.hs-ships.ru/e_pages.phtm?f=2&p=1

- http://www.uni-koblenz.de/~yasko/hydrfoil.htm

- http://www.histarmar.com.ar/InfGral/Hidroalasbase.htm

-

http://www.rzg.mpg.de/~rfs/comas/lectures/SportundPhysik/materialien/OnlineBooks/wings.

avkids.com/Libro/Vehicles/advanced/hovercraft-01.html

- http://es.wikipedia.org/wiki/Enrico_Forlanini

- http://www.volga-

shipyard.com/index.php?lang=eng&section=products&catid=4&craft_id=24

Documents

Embarcaciones de sustentación dinámica