Un barco debe estar diseñado para moverse eficientemente a través del agua con un mínimo de fuerza externa. Durante miles de años, los diseñadores y constructores de barcos de vela utilizaron reglas generales basadas en el área de la sección central para dimensionar las velas de un barco determinado. La forma del casco y el diseño de las velas de los clíperes , por ejemplo, evolucionaron a partir de la experiencia, no de la teoría. No fue hasta la llegada de la energía a vapor y la construcción de grandes barcos de hierro a mediados del siglo XIX que los armadores y constructores tuvieron claro que se necesitaba un enfoque más riguroso.
La resistencia del barco se define como la fuerza necesaria para remolcar el barco en aguas tranquilas a una velocidad constante.
Un cuerpo en agua que está estacionario con respecto al agua, sólo experimenta presión hidrostática. La presión hidrostática siempre actúa en oposición al peso del cuerpo. La fuerza total (hacia arriba) debida a esta flotabilidad es igual al peso (hacia abajo) del agua desplazada. Si el cuerpo está en movimiento, también existen presiones hidrodinámicas que actúan sobre el cuerpo. Para un buque de desplazamiento , que es el tipo habitual de buque, se consideran tres tipos principales de resistencia: la debida a la formación de olas, la debida a la presión del agua en movimiento sobre la forma, muchas veces no calculada ni medida por separado, y la que debido a la fricción del agua en movimiento sobre la superficie mojada del casco. Estos se pueden dividir en más componentes:
Cuando se prueban modelos de barcos y luego se comparan los resultados con barcos reales, los modelos tienden a sobrestimar la resistencia del barco.
Froude había observado que cuando un barco o modelo estaba en su llamada velocidad de casco, el patrón de onda de las ondas transversales (las olas a lo largo del casco) tienen una longitud de onda igual a la longitud de la línea de flotación . Esto significa que la proa del barco navegaba sobre la cresta de una ola y también la popa. Esto a menudo se llama velocidad del casco y es función de la eslora del barco.
donde la constante (k) debe tomarse como: 2,43 para velocidad (V) en kn y longitud (L) en metros (m) o 1,34 para velocidad (V) en kn y longitud (L) en pies (ft).
Al observar esto, Froude se dio cuenta de que el problema de la resistencia de los barcos tenía que dividirse en dos partes diferentes: resistencia residual (principalmente resistencia a la formación de olas) y resistencia por fricción. Para conseguir la resistencia residual adecuada, fue necesario recrear el tren de olas creado por el barco en las pruebas del modelo. Encontró que para cualquier barco y modelo geométricamente similar remolcado a la velocidad adecuada:
Hay una resistencia por fricción dada por el cizallamiento debido a la viscosidad. Esto puede dar como resultado el 50% de la resistencia total en diseños de barcos rápidos y el 80% de la resistencia total en diseños de barcos más lentos.
Para tener en cuenta la resistencia a la fricción, Froude decidió remolcar una serie de placas planas y medir la resistencia de estas placas, que tenían la misma superficie mojada y longitud que el modelo de barco, y restar esta resistencia a la fricción de la resistencia total y obtener la El resto es la resistencia residual.
(Artículo principal: Arrastre por fricción de la piel ) En un fluido viscoso, se forma una capa límite. Esto provoca una resistencia neta debido a la fricción. La capa límite sufre cizallamiento a diferentes velocidades que se extienden desde la superficie del casco hasta que alcanza el flujo de agua.
(Artículo principal: Resistencia a la formación de olas ) Un barco que se mueve sobre la superficie de agua tranquila genera olas que emanan principalmente de la proa y la popa del barco. Las olas creadas por el barco se componen de olas divergentes y transversales. Las olas divergentes se observan como la estela de un barco con una serie de crestas diagonales u oblicuas que se mueven hacia afuera desde el punto de perturbación. Estas ondas fueron estudiadas por primera vez por William Thomson, primer barón Kelvin , quien descubrió que, independientemente de la velocidad del barco, siempre estaban contenidas dentro de la forma de cuña de 39° (19,5° en cada lado) que seguía al barco. Las olas divergentes no causan mucha resistencia al avance del barco. Sin embargo, las ondas transversales aparecen como valles y crestas a lo largo de la eslora de un barco y constituyen la mayor parte de la resistencia a la formación de olas de un barco. La energía asociada con el sistema de ondas transversales viaja a la mitad de la velocidad de fase o la velocidad de grupo de las ondas. El motor principal de la embarcación debe poner energía adicional en el sistema para compensar este gasto de energía. La relación entre la velocidad de los barcos y la de las ondas transversales se puede encontrar equiparando la celeridad de la onda y la velocidad del barco.
(Artículo principal: Propulsión marina ) Los barcos pueden ser propulsados por numerosas fuentes de energía: energía humana , animal o eólica ( velas , cometas , rotores y turbinas ), corrientes de agua, combustibles químicos o atómicos y electricidad almacenada , presión, calor o energía solar. Motores y motores de suministro de energía . La mayoría de ellos pueden propulsar un barco directamente (por ejemplo, mediante remolque o cadena ), mediante dispositivos de arrastre hidrodinámicos (por ejemplo, remos y ruedas de paletas ) y mediante dispositivos de elevación hidrodinámicos (por ejemplo, hélices o chorros ). También existen algunos medios exóticos, como la "propulsión de cola de pez", los cohetes o la propulsión magnetohidrodinámica .
