La estabilidad de los buques es un área de la arquitectura naval y el diseño de buques que se ocupa del comportamiento de un buque en el mar, tanto en aguas tranquilas como en olas, ya sea intacto o dañado. Los cálculos de estabilidad se centran en los centros de gravedad , los centros de flotabilidad , los metacentros de los buques y en cómo interactúan estos.
La estabilidad de los buques, en lo que respecta a la arquitectura naval, se ha tenido en cuenta durante cientos de años. Históricamente, los cálculos de estabilidad de los buques se basaban en cálculos empíricos , a menudo vinculados a un sistema de medición específico. Algunas de estas ecuaciones muy antiguas se siguen utilizando en los libros de arquitectura naval de la actualidad. Sin embargo, la llegada de métodos basados en el cálculo para determinar la estabilidad, en particular la introducción por parte de Pierre Bouguer del concepto de metacentro en el modelo de barco de la década de 1740 , permite un análisis mucho más complejo.
Los maestros constructores navales del pasado utilizaban un sistema de diseño adaptable y variante. Los barcos a menudo se copiaban de una generación a la siguiente con sólo cambios menores; Al replicar diseños estables, generalmente se evitaban problemas graves. Los barcos de hoy todavía utilizan este proceso de adaptación y variación; sin embargo, la dinámica de fluidos computacional , las pruebas de modelos de barcos y una mejor comprensión general de los movimientos de los fluidos y los barcos han permitido un diseño mucho más analítico.
Los mamparos impermeables transversales y longitudinales se introdujeron en los diseños acorazados entre 1860 y la década de 1880, y los mamparos anticolisión se hicieron obligatorios en los buques mercantes de vapor británicos antes de 1860. [1] Antes de esto, una grieta en el casco de un buque podía inundarse. toda su longitud. Los mamparos transversales, si bien son costosos, aumentan la probabilidad de supervivencia del barco en caso de daños en el casco, al limitar la inundación a los compartimentos rotos que separan de los no dañados. Los mamparos longitudinales tienen un propósito similar, pero se deben tener en cuenta los efectos de estabilidad dañados para eliminar la escora excesiva . Hoy en día, la mayoría de los barcos tienen medios para igualar el agua en las secciones de babor y estribor (inundación cruzada), lo que ayuda a limitar las tensiones estructurales y los cambios en la escora y/o asiento del barco.
Los sistemas de estabilidad complementarios están diseñados para reducir los efectos de las olas y las ráfagas de viento. No aumentan la estabilidad de un barco en mares en calma. El Convenio Internacional sobre Líneas de Carga de la Organización Marítima Internacional no cita sistemas de estabilidad activa como método para garantizar la estabilidad. El casco debe ser estable sin sistemas activos.
Una quilla de sentina es una aleta metálica larga, a menudo en forma de V, soldada a lo largo del barco en la curva de la sentina. Las quillas de sentina se emplean por parejas (una para cada lado del barco). En raras ocasiones, un barco puede tener más de una quilla de sentina por lado. Las quillas de sentina aumentan la resistencia hidrodinámica cuando una embarcación se balancea, limitando la cantidad de balanceo.
Se pueden emplear estabilizadores en los buques para reducir el balanceo, ya sea mediante la fuerza requerida para sumergir flotadores flotantes o mediante láminas hidrodinámicas. En algunos casos, estos estabilizadores tienen un tamaño suficiente para clasificar la embarcación como trimarán ; en otros buques, pueden denominarse simplemente estabilizadores.
Los tanques antivuelco son tanques interiores equipados con deflectores para reducir la velocidad de transferencia de agua desde el lado de babor al lado de estribor del tanque. Está diseñado para que quede atrapada una mayor cantidad de agua en el lado superior del barco. Se pretende que tenga un efecto contrario al del efecto de superficie libre .
Los buques de movimiento lento, como los pesqueros, pueden emplear paravanes para reducir el balanceo.
Los sistemas de estabilidad activa, que se encuentran en muchos buques, requieren que se aplique energía al sistema en forma de bombas, pistones hidráulicos o actuadores eléctricos. Incluyen aletas estabilizadoras unidas al costado del recipiente o tanques en los que se bombea líquido para contrarrestar el movimiento del recipiente.
Los estabilizadores de aletas activos reducen el balanceo que experimenta una embarcación mientras navega o, más recientemente, mientras está en reposo. Se extienden más allá del casco del barco por debajo de la línea de flotación y alteran su ángulo de ataque dependiendo del ángulo de escora y la velocidad de balanceo del barco, operando de manera similar a los alerones de los aviones . Los cruceros y yates utilizan con frecuencia este tipo de sistema estabilizador.
Cuando las aletas no son retráctiles, constituyen apéndices fijos al casco, posiblemente extendiendo la viga o la envolvente de calado y requiriendo atención para un espacio libre adicional en el casco.
Si bien el típico estabilizador de "aletas activas" contrarresta eficazmente el balanceo de los barcos en navegación, algunos sistemas modernos de aletas activas pueden reducir el balanceo cuando los barcos no están en navegación. Estos sistemas, conocidos como velocidad cero o estabilización en reposo, funcionan moviendo aletas especialmente diseñadas con suficiente aceleración y sincronización de impulsos para crear una energía efectiva de cancelación de balanceo.
En caso de que un barco esté navegando, un cambio rápido de timón no sólo iniciará un cambio de rumbo, sino que también hará que el barco se balancee. Para algunos barcos, como las fragatas, este efecto es tan grande que un algoritmo de control puede utilizarlo para gobernar el barco y reducir simultáneamente sus movimientos de balanceo. Un sistema de este tipo suele denominarse "sistema de estabilización del balanceo del timón". Su eficacia puede ser tan buena como la de las aletas estabilizadoras. Sin embargo, eso depende de la velocidad del barco (cuanto más alto, mejor) y de varios aspectos del diseño del barco, como la posición, el tamaño y la calidad del sistema de posicionamiento del timón (se comporta tan rápido como una aleta estabilizadora). También es importante la rapidez con la que el barco responderá a los movimientos del timón con movimientos de balanceo (rápido es mejor) y velocidad de giro (lento es mejor). A pesar de los altos costos de un aparato de gobierno de alta calidad y el fortalecimiento de la popa del barco, esta opción de estabilización ofrece una mejor economía que las aletas estabilizadoras. Requiere menos instalaciones, es menos vulnerable y provoca menos resistencia. Aún mejor, los componentes de alta calidad requeridos proporcionan excelentes propiedades de dirección también para aquellos períodos en los que no se requiere reducción del balanceo y una reducción significativa del ruido bajo el agua. Los buques de la Armada conocidos con esta solución de estabilización son el F124 (Alemania), el M-fregat y el LCF (ambos de la Armada holandesa).
Los giroscopios se utilizaron por primera vez para controlar el balanceo de un barco a finales de la década de 1920 y principios de la de 1930 para buques de guerra y luego para barcos de pasajeros. El uso más ambicioso de grandes giroscopios para controlar el balanceo de un barco se produjo en un transatlántico de pasajeros italiano , el SS Conte di Savoia , en el que se montaron tres grandes giroscopios Sperry en la parte delantera del barco. Si bien tuvo éxito en reducir drásticamente el balanceo en los viajes en dirección oeste, el sistema tuvo que desconectarse en el tramo en dirección este por razones de seguridad. Esto se debía a que con el mar en popa (y los profundos y lentos balanceos que esto generaba), el barco tendía a "colgarse" con el sistema encendido, y la inercia que generaba hacía que fuera más difícil para el barco enderezarse de los fuertes balanceos. [2]
Los giroestabilizadores consisten en un volante giratorio y una precesión giroscópica que impone un par de adrizamiento del barco en la estructura del casco. El momento angular del volante del giroscopio es una medida de hasta qué punto el volante continuará girando alrededor de su eje a menos que actúe sobre él un par externo. Cuanto mayor sea el momento angular, mayor será la fuerza de resistencia del giroscopio al par externo (en este caso, mayor capacidad para cancelar el balanceo del barco).
Un giroscopio tiene tres ejes: un eje de giro, un eje de entrada y un eje de salida. El eje de giro es el eje alrededor del cual gira el volante y es vertical para un giroscopio de barco. El eje de entrada es el eje alrededor del cual se aplican los pares de entrada. Para un barco, el eje de entrada principal es el eje longitudinal del barco, ya que ese es el eje alrededor del cual rueda el barco. El eje de salida principal es el eje transversal (transversal) alrededor del cual el giroscopio gira o precede en reacción a una entrada.
Cuando el barco rueda, la rotación actúa como una entrada al giroscopio, lo que hace que el giroscopio genere una rotación alrededor de su eje de salida de modo que el eje de giro gire para alinearse con el eje de entrada. Esta rotación de salida se llama precesión y, en el caso del barco, el giroscopio girará hacia adelante y hacia atrás alrededor del eje de salida o cardán.
El impulso angular es la medida de la eficacia de un giroestabilizador, análoga a la potencia nominal de un motor diésel o los kilovatios de un generador. En las especificaciones de los giroestabilizadores, el momento angular total ( momento de inercia multiplicado por la velocidad de giro) es la cantidad clave. En los diseños modernos, el par del eje de salida se puede utilizar para controlar el ángulo de las aletas estabilizadoras (ver arriba) para contrarrestar el balanceo del barco, de modo que solo se necesita un pequeño giroscopio. La idea de un giroscopio que controlara los estabilizadores de aletas de un barco fue propuesta por primera vez en 1932 por un científico de General Electric , el Dr. Alexanderson. Propuso un giroscopio para controlar la corriente a los motores eléctricos en las aletas estabilizadoras, con las instrucciones de actuación generadas por tubos de vacío de tiratrón . [3]
Cuando se diseña un casco, se realizan cálculos de estabilidad para los estados intacto y dañado del buque. Los barcos suelen estar diseñados para superar ligeramente los requisitos de estabilidad (a continuación), ya que suelen ser probados para ello por una sociedad de clasificación .
Los cálculos de estabilidad intacta son relativamente sencillos e implican tomar todos los centros de masa de los objetos en la embarcación que luego se calculan para identificar el centro de gravedad de la embarcación y el centro de flotabilidad del casco. Generalmente se tienen en cuenta las disposiciones y cargas de carga, las operaciones de grúas y los estados del mar de diseño. El diagrama de la derecha muestra que el centro de gravedad está muy por encima del centro de flotabilidad, pero el barco permanece estable. El barco es estable porque cuando comienza a escora, un lado del casco comienza a elevarse del agua y el otro lado comienza a sumergirse. Esto hace que el centro de flotabilidad se desplace hacia el lado que está más bajo en el agua. El trabajo del arquitecto naval es asegurarse de que el centro de flotabilidad se desplace fuera del centro de gravedad a medida que el barco escora. Una línea trazada verticalmente desde el centro de flotabilidad en una condición ligeramente inclinada cruzará la línea central en un punto llamado metacentro. Mientras el metacentro esté más por encima de la quilla que el centro de gravedad, el barco es estable en posición vertical.
La estabilidad intacta de los buques en el mar se rige por la norma de la Organización Marítima Internacional (OMI), el Código Internacional sobre Estabilidad Intacta . [4]
Los cálculos de estabilidad ante daños son mucho más complicados que los de estabilidad intacta. Por lo general, se emplea software que utiliza métodos numéricos porque las áreas y los volúmenes pueden volverse rápidamente tediosos y largos de calcular utilizando otros métodos.
La pérdida de estabilidad por inundaciones puede deberse en parte al efecto de superficie libre. El agua que se acumula en el casco suele drenarse hacia las sentinas, bajando el centro de gravedad y, de hecho, aumentando la altura metacéntrica . Esto supone que el barco permanece estacionario y erguido. Sin embargo, una vez que el barco está inclinado en cualquier grado (una ola lo golpea, por ejemplo), el fluido en la sentina se mueve hacia el lado inferior. Esto da como resultado una lista .
La estabilidad también se reduce en caso de inundaciones cuando, por ejemplo, se llena un tanque vacío con agua de mar. La pérdida de flotabilidad del tanque hace que esa sección del barco descienda ligeramente hacia el agua. Esto crea una lista a menos que el tanque esté en la línea central de la embarcación.
En los cálculos de estabilidad, cuando se llena un tanque, se supone que su contenido se pierde y es reemplazado por agua de mar. Si estos contenidos son más ligeros que el agua de mar (aceite ligero, por ejemplo), entonces se pierde flotabilidad y la sección desciende ligeramente en el agua.
Para los buques mercantes, y cada vez más para los buques de pasajeros, los cálculos de estabilidad de avería son de naturaleza probabilística. Es decir, en lugar de evaluar el barco en busca de fallas en un compartimento, también se evaluará una situación en la que dos o incluso hasta tres compartimentos estén inundados. Se trata de un concepto en el que se combina la posibilidad de que un compartimento sufra daños con las consecuencias para el buque, dando como resultado un número de índice de estabilidad de daños que tiene que cumplir con determinadas normas.
Para que sean aceptables para las sociedades de clasificación como Bureau Veritas , American Bureau of Shipping , Lloyd's Register of Ships , Korean Register of Shipping y Det Norske Veritas , los planos del barco deben proporcionarse para una revisión independiente por parte de la sociedad de clasificación. También se deben proporcionar cálculos que sigan una estructura descrita en las regulaciones del país en el que se pretende abanderar el barco.
En este marco los diferentes países establecen requisitos que deben cumplirse. Para los buques con bandera de EE. UU., los planos y los cálculos de estabilidad se comparan con el Código de Regulaciones Federales de EE. UU. y el Convenio Internacional para la Seguridad de la Vida Humana en el Mar (SOLAS). Los buques deben ser estables en las condiciones para las que fueron diseñados, tanto en estado sin daños como con daños. El alcance del daño requerido para el diseño está incluido en las regulaciones. El agujero supuesto se calcula como fracciones de la longitud y el ancho del buque, y debe colocarse en el área del buque donde causaría el mayor daño a la estabilidad del buque.
Además, las normas de la Guardia Costera de los Estados Unidos se aplican a los buques que operan en puertos y aguas estadounidenses. Generalmente, estas reglas de la Guardia Costera se refieren a una altura metacéntrica mínima o un momento de adrizamiento mínimo. Debido a que diferentes países pueden tener diferentes requisitos para la altura metacéntrica mínima, la mayoría de los barcos ahora están equipados con computadoras de estabilidad que calculan esta distancia sobre la marcha en función de la carga o la carga de la tripulación. Hay muchos programas informáticos disponibles comercialmente que se utilizan para esta tarea.
Dependiendo de la clase de embarcación, se requiere llevar a bordo una carta de estabilidad o un folleto de estabilidad. [5] [6]