REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA

NÚCLEO: ZULIA

Introducción

Las olas como un movimiento sobre la superficie libre del mar tienen una importancia definitiva sobre el movimiento del buque, incidiendo en su estabilidad, en lo esfuerzos estructurales y la distribución de la carga.

El movimiento del buque entre las olas es una característica que influye negativamente en diversos parámetros del mismo, cuyos movimientos pueden llegas a ser peligrosos.

El buque entre las olas se asemeja a una viga flotante en la que actúan un conjunto de fuerzas complejas variables en el tiempo.

Es preciso identificar cuáles son las fuerzas de la superficie libre del mar y en qué forma afectarán los movimientos del buque y el mismo buque durante su vida activa.

Como futuros ingenieros navales es preciso conocer las fuerzas que actúan en los buques en el mar, sus orígenes y en qué manera van a afectar la estabilidad y otros diversos factores de las embarcaciones, para poder predecir las consecuencias y tomar las medidas necesarias para contrarrestar estos movimientos que como ya se ha mencionado pueden llegar a ser muy peligrosos, mucho más en aquellas embarcaciones encargadas de transportar cargas líquidas y semilíquidas debido a que su carga en el interior será un factor en contra en la estabilidad del buque.

Esquema

Generalidades sobre la formación de las Olas.

Definición de Trocoide.

Características de las olas, deducidas de las propiedades de la curva

trocoide.

Movimiento y oscilación del buque.

Valor normal del periodo de balance en los distintos tipos de buque.

Equilibrio y estabilidad del buque entre olas.

Equilibrio del buque entre las olas.

Movimiento de balance del Buque.

Movimientos de Balance del Buque.

Cabeceo del Buque.

Esfuerzos del Casco Producidos por las Olas.

Sincronismo Longitudinal sus Consecuencias y Modo de Evitarlo.

Generalidades sobre la formación de las Olas

Las olas son ondulaciones producidas por el viento actuando sobre la superficie del mar. La propagación de una ola es idéntica al movimiento que experimenta el agua de un estanque al arrojar  al agua en reposo una piedra; se forman una serie de círculos concéntrico s que se van haciendo de mayor diámetro a medida que se alejan del centro de perturbación. Si entre estos círculos se arroja un trozo de madera, se observará que éste sube y baja en el agua, lo cual indica que el agua no avanza, es sólo la forma del perfil de la ola que cambia de lugar; por este motivo, cuando desde a bordo se ve aproximar una gran ola parece que ésta va a lanzar su masa de agua sobre el buque, y no es así, ya que el agua no cambia de posición, sino que es sólo la forma del perfil lo que avanza; una extensión de mar agitado, sin viento ni corriente, puede compararse a un gran campo de trigo cuando el viento le imprime un movimiento ondulatorio; sin tener movimiento de traslación, la superficie de trigo da la sensación de las olas.

Para tener una ligera idea del origen de la formación de las olas, supongamos una superficie de la mar de cierta extensión en reposo horizontal; si sobre ella actúa la fuerza producida por el viento de dirección y sentido constante, se rompe aquel reposo, las capas superiores del agua se trasladarán sobre las inferiores y una nueva masa de agua ocupará la capa de la superficie.

Cuando el buque navega atravesado al oleaje, el empuje de las olas contra el casco junto con la resistencia lateral proporciona un par escorante al que inmediatamente se opone el par adrizante. El resultado son los movimientos de balance del buque. Si estos balances son muy grandes la estabilidad del buque puede verse comprometida ante el riesgo de sobrepasar el ángulo crítico de equilibrio dinámico correspondiente al par escorante debido al oleaje. Un efecto, altamente peligroso para la estabilidad transversal, que puede hacer que la escora acabe sobrepasando el ángulo crítico de equilibrio dinámico provocando el hundimiento del buque es el llamado sincronismo transversal: Si los balances del buque se sincronizan con los empujes de las olas, los balances serán cada vez mayores. Para evitar este problema lo que hemos de hacer es cambiar el rumbo para recibir el mar por la amura en lugar de recibirlo por el través.

Si navegamos proa a la mar entonces el principal problema se debe a los fuertes cabeceos que provocan grandes esfuerzos sobre la estructura longitudinal del casco que pueden producir deformaciones (quebranto o arrufo) y debilitan la estructura. Además, navegando contra la mar es difícil evitar que se produzcan incómodos pantocazos. Más aún, existe también el riesgo de

sincronismo longitudinal que puede provocar que el buque se hunda pasando por ojo. Para evitar este problema y reducir los pantocazos lo que hemos de hacer es variar nuestra velocidad.

Navegando popa a la mar el principal problema es que el gobierno del buque puede ser defectuoso: Al moverse el buque en la misma dirección y sentido que la ola, la velocidad del buque respecto al agua puede ser muy pequeña, incluso menor que la mínima velocidad de gobierno. Existe entonces el riesgo de quedar atravesados al mar en el momento de descender de una cresta, pudiendo quedar el buque en una situación muy comprometida. Debemos evitar este problema navegando a un rumbo tal que recibamos el mar por la aleta en lugar de recibirlo por la popa.

Definición de Trocoide

Trocoide, en geometría, es la curva plana que describe un punto, vinculado a una circunferencia generatriz, que rueda sobre una línea recta directriz, tangencialmente, sin deslizamiento.

Características de las olas, deducidas de las propiedades de la curva trocoide

Perfil de la ola: Lugar geométrico de las posiciones simultaneas de las moléculas de agua en sus trayectorias circulares.

Crestas: Las elevaciones máximas.

Senos: Las depresiones máximas.

Altura de la ola: Distancia vertical entre un seno y una cresta.

Periodo: Tiempo en segundos que tardan en pasar dos crestas o dos senos por un mismo punto del espacio.

Longitud: Distancia horizontal entre dos crestas o entre dos senos.

Velocidad de traslación de perfil: La longitud de la ola dividido por su periodo

Las características de las olas están íntimamente relacionadas con el viento que las engendra, ya que su longitud y, por tanto, su velocidad de propagación dependen de el. En observaciones hechas, se ha comprobado que la velocidad de propagación de las olas, es 3/5 de la velocidad del viento que las engendra, cuando se trata de mas gruesa; esta relación aumenta conforme la mar se hace más moderada.

Movimiento y oscilación del buque

El buque en el mar, sometido a todas las fuerzas actuantes, se mueve según seis (6) grados de libertad. Tres de traslación y tres de rotación.

Traslaciones:

Movimiento vertical de ascenso y descenso: Arfada Movimiento lateral a ambas bandas: Deriva Movimiento longitudinal de avance ó retroceso.

Rotaciones:

Según el eje vertical: Guiñada de rumbo. Según el eje trasversal: Cabeceo. Según el eje longitudinal: Balance ó rolido.

Valor normal del periodo de balance en los distintos tipos de buque.

El periodo de balance en aguas tranquilas, doble o natural, en los distintos tipos de buques, son los siguientes:

Buques de carga: Td= 10 a 14 seg.

Buques mixtos: Td= 17 a 20 seg.

Buques de pasaje: Td= 20 a 25 seg.

Buques de guerra: Td= 8 a 15 seg.

Buques de pesca= Td= 8 a 14 seg

Equilibrio y estabilidad del buque entre olas

Hasta el momento hemos estudiado el movimiento de las olas y el del buque en aguas tranquilas, ahora veremos el movimiento del buque entre las olas. Las diferencias que existen en el estudio del movimiento del buque en aguas tranquilas y entre las olas. Es que la fuerza de empuje y del peso del buque son siempre iguales en el primero mientras que en el segundo al moverse el buque entre las olas debido al movimiento u ondulación trocoidal del perfil de las mismas hace que las fuerzas anteriormente dichas vayan variando de una posición máxima con el buque en el seno de la ola a una mínima en la cresta de la misma.

Equilibrio del buque entre las olas

Para su estudio supondremos al buque como una masa muy pequeña, que se pueda comparar con una partícula de la ola. Fig. b

Fig. B

Sea la partícula de peso p en la posición t0 en ese instante la partícula se encuentra en el seno de la ola la fuerza centrifuga Fe tiene el mismo sentido que el peso p por lo tanto se suman, resultando el peso aparente Pa.

En la posición t1 de la partícula p el peso aparente Pa es la resultante del paralelogramo formado por la fuerza centrífuga Fc y el peso p: el empuje aparente Ea sería igual al Pa pero de sentido contrario, cuya prolongación pasará por el metacentro instantáneo M1.

En la posición t2 de la partícula p. que se encuentra en la cresta de la ola, la fuerza centrífuga Fc y el peso p se contrarrestan, por lo tanto el peso aparente Pa = p - Fc. En el caso de la partícula p considerada como un buque, se puede saber la variación de su peso Pa o desplazamiento aparente y la dirección en que actúa en cada instante: se comprueba matemáticamente que el peso aparente en la cresta es un 30% menor que el real y en el seno es 30% mayor. Un buque real tiene una determinada forma, tamaño y volumen muy variado que hacen difícil calcular la dirección e intensidad del peso aparente. Si el plano diametral del buque  coincidiera siempre con la vertical al perfil de la ola, el buque no tendría movimiento aparente de balance, pero en realidad esto no es factible y la dirección del peso aparente Pa, perpendicular al perfil de la ola no coincide con el plano diametral del buque produciéndose el balance aparente.

Si el buque permaneciera siempre vertical o sea 'que su plano diametral coincidiera con la vertical verdadera el buque no tendría movimiento absoluto de balance, esto tampoco es factible en un buque real produciéndose el balance absoluto.

Movimiento de balance del Buque

El movimiento del buque en el sentido transversal de babor a estribor, y estribor babor, producido por las olas, es análogo al movimiento de un columpio, y se denomina movimiento de balance, o simplemente balance.

Fig. C

La figura c indica la curva de extinción de balance; en el eje de abscisas se indica el período simple Td/2, de valor constante por ser isócronas las oscilaciones, y en el de ordenadas se pueden medir las escoras al final de cada oscilación simple.

Después de muchas experiencias se probó que un barco, en aguas tranquilas, oscila alrededor de un eje, llamado de oscilación, que no es fijo en el espacio, cuya posición media se determina experimentalmente y se llama “eje tranquilo”.

Este eje está en el plano diametral, muy próximo al centro de gravedad del buque, y comprendido entre éste y el plano de flotación. En los buques normales descarga, el centro de gravedad “G” está muy próximo a la superficie de flotación. Por este motivo puede admitirse que el eje tranquilo o el eje longitudinal de la oscilación, en los movimientos de balance, es un eje longitudinal paralelo a la línea proa-popa que pasa por el centro de gravedad del buque.

El movimiento de balance y cabeceo de un buque en el mar depende, por tanto, del tamaño de las olas y de la relación entre el período de encuentro y los períodos de balance y de cabeceo propios del mismo, y el máximo de movimiento se desarrollará cuando haya sincronismo entre esos valores. Por lo que respecta a esta relación, se pueden presentar los siguientes casos:

1.° Cuando el período del buque es pequeño en comparación con el período de encuentro, el buque tenderá a montar las olas manteniendo su cubierta paralela a la pendiente de la ola. Con el mar del través, el buque se inclinará siempre a la parte opuesta de la cresta en la cresta y en el seno, estará vertical; adquiriendo un balanceo tanto mayor cuanto menor sea la diferencia entre el período del oleaje y el período vertical de balance del buque. Con el mar de proa, un período de cabeceo pequeño respecto al de encuentro producirá un movimiento cómodo y tranquilo del buque sin que éste embarque agua.

2.° Cuando el período del buque es grande en comparación con el período de encuentro, el buque cabeceará o rolará independientemente de las olas. Con mar del través esto significará que el buque se escorará hacia la cresta con balanceo relativamente tranquilo , aunque las olas golpeando sobre el costado de barlovento puedan llegar a mantener mojada la cubierta. Si la diferencia de período es muy grande, el buque se mantendrá casi constantemente vertical. Con mar de proa, un período de cabeceo comparativamente grande puede provocar que e buque hunda su proa en el mar y saque fuera del agua sus hélices y timón.

3.° Cuando el período de encuentro se acerca a la sincronización con el período de balance o de cabeceo, el movimiento del buque será violento. Con mar de proa el cabeceo será muy severo, pudiendo causar que las hélices se disparen frecuentemente y provocar esfuerzos perjudiciales en la estructura del buque. Con mar del través el sincronismo significará balanceos peligrosamente intensos. Los buques muy bajos de borda o con pobre reserva de estabilidad es posible que puedan llegar a dar una vuelta de campana; pero los que están adecuadamente diseñados y se encuentren sin daño no zozobrarán, porque hay fuerzas resistentes que se oponen al balance hasta llegar a un equilibrio entre las fuerzas que contribuyen al rolido y las resistentes que se le oponen. El buque continuará así rolando al límite máximo hasta que se haga algo para romper la situación de sincronismo. Si el buque tiene arrancada, esto puede lograrse modificando el período de encuentro, para lo cual se deberá cambiar el rumbo o la velocidad, o ambos; con ello el período aparente de las olas dejará de coincidir con e período de balance propio del buque, y la intensidad de los rolidos disminuirá.

Movimientos de Balance del Buque

Cuando se produce el sincronismo se debe salir de esa situación alterando el rumbo, la velocidad o ambos; orzando hacia la dirección del mar el período de encuentro disminuye y arribando aumenta. Los buques mayores, que se caracterizan por tener un período de balance muy grande, rara vez encuentran olas que les impriman rolidos excesivos, pues sus períodos son generalmente superiores al de las olas. A pesar de ello, las caídas arribando respecto del mar deben hacerse con cuidado, porque el aumento del período de encuentro les provoca rolidos más violentos.

Los buques ligeros y de pequeño período de balance se comportan bastante bien en temporales y tienden por eso a mantener su cubierta paralela a las pendientes de las olas; en esta operación cuanto más alejan la proa de la dirección del mar, más aliviados se hallan, porque al aumentar el período de encuentro más se diferencia éste de su período de balance propio. Estos buques de períodos de balance cortos tiene la desventaja de rolar mucho aun con relativo buen tiempo, porque el movimiento normal del mar tiene un período que puede ser muy parecido al de ellos. Los buques de períodos medios requieren especial atención porque con frecuencia se presenta en ellos el sincronismo. Como no siempre es aconsejable orzar con ellos contra el mar, pueden disminuirse los rolidos arribando y aumentando algo la velocidad si fuera necesario.

Cabeceo del Buque

El período natural de cabeceo de un buque es por lo general sensiblemente inferior al de las olas que le imprimen el movimiento de cabeceo. A velocidad moderada el buque se mantendrá con su eje longitudinal paralelo a la pendiente de las olas y navegará bastante cómodamente. Navegando con mar de proa, si se aumenta la velocidad puede llegar a producirse e sincronismo y el cabeceo resultante será muy violento.

Arribando y aumentando la velocidad al mismo tiempo se incrementará el período de encuentro y disminuirá el cabeceo. Al descender por la pendiente de las olas en este caso es posible que la proa emerja parcialmente del agua y se presentará casi siempre una tendencia a atravesarse al mar, como ya se comentó anteriormente.

Resumiendo lo expuesto en los párrafos anteriores la acción del oleaje puede ocasionar sobre el buque alguno o varios de los siguientes efectos:

Movimientos violentos de balance y/o cabeceo, que afectan a su estabilidad, aumentan su calado, reducen la eficiencia y comodidad del personal, y pueden llegar a causar averías en la carga de los buques mercantes.

Vibraciones anormales del casco, que provocan esfuerzos excesivos sobre la estructura del buque.

Vibraciones en el sistema de propulsión al variar continuamente la profundidad a que trabajan las hélices, que incluso pueden «dispararse» al emerger sobre la superficie del mar.

Esfuerzos del Casco Producidos por las Olas

Los esfuerzos a que está sometido el buque, son debidos a la acción de causas externas e internas, y el casco tiene que estar diseñado y construido para soportarlos con un razonable margen de seguridad. Estos esfuerzos son variados en carácter e importancia, pero los podemos reducir a dos grandes grupos:

A) esfuerzos estructurales, longitudinales y transversales (sobre la estructura integral del buque.

B) Esfuerzos locales (esfuerzos sobre secciones determinadas del buque).En este caso haremos referencia a esfuerzos longitudinales de causa externa como lo son el arrufo y el quebranto.

Para comenzar, suponemos al buque flotando en olas, o sea, con la superficie de la mar ondulada. Pero, ¿qué tipo de olas?

La experiencia y la estadística han decidido, que el tipo de ola en la que razonablemente se puede suponer flota el buque, es un trocoide, cuya longitud es la eslora con el nombre de ola standard. El perfil de la trocoide se superpondrá sobre el perfil del buque, en dos posiciones críticas:

A) La cresta en la cuaderna maestra y los senos en los extremos de proa y popa (máximo esfuerzo por quebranto).

B) El seno en la cuaderna maestra y la cresta en los extremos de proa y popa (máximo esfuerzo por arrufo).

En unos tipos de buques predominan los esfuerzos por quebranto y en otros los de arrufo; pero en ambos supuestos, son muy importantes, porque acompañan al buque durante toda su vida, y además cambiando del uno al otro, por el movimiento relativo del buque y la ola. Esta alternancia quebranto arrufo, arrufo quebranto, con el cambio de sentido del esfuerzo, debilita la estructura del buque con los años, y la deforma.

Sincronismo Longitudinal sus Consecuencias y Modo de Evitarlo.

El sincronismo longitudinal se establece cuando el periodo aparente de la ola se iguala con el periodo de cabeceo del buque en aguas tranquilas, o en sus proximidades por defecto o exceso. Teóricamente en sincronismo, el busque llegaría a pasarse por ojo, pero es difícil por la irregularidad de las olas, resistencia de las carenas a las cabeceadas y el gran amortiguamiento longitudinal.

Pero de todos modos producirá grandes cabeceos que será función de la longitud de la ola y la eslora del buque, porque a mayores esloras, menores cabeceos, hasta que se convierten en una simple oscilación vertical

Conclusiones

Las olas suelen formarse por la energía que los vientos, que se generan por la diferencia de presiones en la atmósfera, transmiten su energía hacia ellas.

Cuando se percibe una ola en la superficie del agua parece que la masa del agua se desplazara; sin embargo esto no es así, lo que se percibe es la forma de la ola, que se la da el movimiento cíclico de las partículas del agua.

Los buques en el agua sufren movimientos debido a estar en un medio líquido, movimientos que se van a llevar a cabo durante toda su vida útil de permanencia en aguas.

Las magnitudes de los movimientos del buque entre las olas dependen mucho de las dimensiones del buque.