El efecto de superficie libre es un mecanismo que puede provocar que una embarcación se vuelva inestable y vuelque . [1]
Se refiere a la tendencia de los líquidos (y de los agregados no ligados de objetos sólidos pequeños, como semillas, grava o mineral triturado, cuyo comportamiento se aproxima al de los líquidos) a moverse en respuesta a los cambios en la actitud de las bodegas de carga, las cubiertas o los tanques de líquido de una embarcación en reacción a los movimientos inducidos por el operador (o estados del mar causados por las olas y el viento que actúan sobre la embarcación). Cuando se hace referencia al efecto de superficie libre , la condición de un tanque que no está lleno se describe como un "tanque flojo", mientras que un tanque lleno está "presionado hacia arriba". [2]
En un buque con carga normal, cualquier balanceo con respecto a la perpendicular se ve contrarrestado por un momento adrizante generado por el mayor volumen de agua desplazado por el casco en el lado bajado. Esto supone que el centro de gravedad del buque es relativamente constante. Si una masa en movimiento dentro del buque se mueve en la dirección del balanceo, esto contrarresta el efecto adrizante moviendo el centro de gravedad hacia el lado bajado. El efecto de superficie libre puede convertirse en un problema en una embarcación con compartimentos de carga a granel, tanques de combustible o tanques de agua parcialmente llenos (especialmente si abarcan toda la manga del buque), o debido a inundaciones accidentales, como ha ocurrido en varios accidentes con transbordadores de carga rodada .
Si un compartimento o tanque está vacío o lleno, no hay cambios en el centro de masas de la embarcación cuando se balancea de un lado a otro (con vientos fuertes, mar gruesa o en movimientos o giros bruscos). Sin embargo, si el compartimento está solo parcialmente lleno, el líquido en el compartimento responderá al cabeceo, balanceo, oleaje, balanceo o guiñada del buque . Por ejemplo, cuando un buque se inclina hacia babor, el líquido se desplazará hacia el costado de babor de un compartimento, y esto moverá el centro de masas del buque hacia babor. Esto tiene el efecto de ralentizar el retorno del buque a la vertical.
El impulso de grandes volúmenes de líquidos en movimiento provoca fuerzas dinámicas significativas que actúan contra el efecto adrizante. Cuando el buque vuelve a la vertical, el balanceo continúa y el efecto se repite en el lado opuesto. En mares agitados, esto puede convertirse en un bucle de retroalimentación positiva , haciendo que cada balanceo se vuelva cada vez más extremo, hasta que finalmente supere el efecto adrizante y provoque un vuelco. Si bien las oscilaciones repetidas de magnitud creciente se asocian comúnmente con el efecto de superficie libre, no son una condición necesaria. Por ejemplo, en los casos tanto del SS Normandie como del MS al-Salam Boccaccio 98 , la acumulación gradual de agua debido a la lucha contra el fuego provocó el vuelco en un solo balanceo continuo.
Para mitigar este riesgo, los buques de carga utilizan múltiples compartimentos de graneles más pequeños o tanques de líquido, en lugar de menos compartimentos de graneles más grandes, y posiblemente deflectores dentro de los compartimentos de graneles o tanques de líquido para minimizar los efectos de la superficie libre en la embarcación en su conjunto. Mantener los compartimentos de graneles individuales o los tanques de líquido relativamente vacíos o llenos es otra forma de minimizar el efecto y sus problemas concomitantes. Los buques cisterna hidráulicos utilizan agua para desplazar el petróleo más ligero para mantener el tanque lleno en todo momento. [3] Los tanques o compartimentos que no se extienden a ambos lados de la línea central del buque son algo menos propensos a oscilaciones desestabilizadoras. De manera similar, los compartimentos estrechos (alineados de proa a popa) y los compartimentos en los extremos alejados de la línea central son menos propensos a causar inestabilidad.
Las inundaciones, las fugas de carga líquida o la entrada no intencionada de agua (por precipitaciones, olas o daños en el casco) en cualquier compartimento o en cualquier cubierta de una embarcación, y el efecto de superficie libre resultante, son a menudo una causa que contribuye a accidentes, vuelcos y siniestros, por ejemplo, la pérdida del TEV Wahine (Wellington, Nueva Zelanda, abril de 1968), el MS Herald of Free Enterprise (Zeebrugge, Bélgica, marzo de 1987) y el MS Estonia (mar Báltico, septiembre de 1994). En el caso del transbordador RORO al-Salam Boccaccio 98 (mar Rojo, febrero de 2006), los procedimientos inadecuados de lucha contra incendios provocaron inundaciones que llevaron directamente a la inestabilidad y al vuelco. En ambos casos, el al-Salam Boccaccio 98 y el Costa Concordia , se produjo una escora grave inmediatamente después de que el buque hubiera sufrido un viraje brusco, lo que provocó que volúmenes inestables de agua (por daños por colisión en el último) subieran de un lado del buque al otro.
El efecto de superficie libre puede afectar a cualquier tipo de embarcación, incluidas las embarcaciones (donde es más común), los semirremolques y camiones cisterna para carga a granel o líquidos (provocando efectos de tijera o vuelcos) y las aeronaves (especialmente los lanzadores de agua para extinción de incendios y los buques cisterna de reabastecimiento de combustible donde los deflectores mitigan pero no eliminan los efectos). El término "efecto de superficie libre" implica un líquido bajo la influencia de la gravedad. La dinámica de chapoteo es el campo general que cubre tanto los efectos de superficie libre como situaciones como los vehículos espaciales, donde la gravedad es intrascendente pero la inercia y el momento interactúan con la mecánica de fluidos compleja para causar inestabilidad del vehículo.
Para reducir los efectos del efecto de superficie libre que potencialmente puede hacer zozobrar un buque, se aplican requisitos reglamentarios a todos los buques a nivel internacional en virtud del Convenio SOLAS y el Código internacional de estabilidad sin avería . [4]