La arquitectura naval , o ingeniería naval , es una disciplina de ingeniería que incorpora elementos de ingeniería mecánica, eléctrica, electrónica, de software y de seguridad aplicados al proceso de diseño de ingeniería , construcción naval , mantenimiento y operación de buques y estructuras marinas. [1] [2] La arquitectura naval implica investigación básica y aplicada, diseño, desarrollo, evaluación de diseño (clasificación) y cálculos durante todas las etapas de la vida de un vehículo marino. El diseño preliminar del buque, su diseño detallado, construcción , pruebas , operación y mantenimiento, botadura y dique seco son las principales actividades involucradas. Los cálculos de diseño de barcos también son necesarios para los barcos que se modifican (por medio de conversión, reconstrucción, modernización o reparación ). La arquitectura naval también implica la formulación de normas de seguridad y reglas de control de daños y la aprobación y certificación de diseños de barcos para cumplir con los requisitos legales y no legales.
La palabra "buque" incluye toda descripción de embarcación , principalmente barcos y botes , pero también incluye embarcaciones sin desplazamiento, embarcaciones WIG e hidroaviones , utilizados o capaces de ser utilizados como medio de transporte en el agua . [3] Los principales elementos de la arquitectura naval se detallan en las siguientes secciones. [4]
La hidrostática se ocupa de las condiciones a las que se ve sometida la embarcación cuando está en reposo en el agua y de su capacidad para mantenerse a flote. Esto implica calcular la flotabilidad , el desplazamiento y otras propiedades hidrostáticas como el asiento (la medida de la inclinación longitudinal de la embarcación) y la estabilidad (la capacidad de una embarcación de recuperarse a una posición vertical después de ser inclinada por el viento, el mar o las condiciones de carga). [5]
Mientras que sobre una superficie líquida un cuerpo flotante tiene 6 grados de libertad en sus movimientos, estos se clasifican en traslación o rotación.
Estabilidad longitudinal Para inclinaciones longitudinales, la estabilidad depende de la distancia entre el centro de gravedad y el metacentro longitudinal. En otras palabras, la base sobre la que el buque mantiene su centro de gravedad es la distancia que lo separa equitativamente de la sección de popa y de la sección de proa del buque.
Mientras un cuerpo flota sobre una superficie líquida, sigue enfrentándose a la fuerza de la gravedad que lo empuja hacia abajo. Para mantenerse a flote y evitar hundirse, existe una fuerza opuesta que actúa contra el cuerpo, conocida como presión hidrostática. Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo deben ser de la misma magnitud y la misma línea de movimiento para mantener el cuerpo en equilibrio. Esta descripción del equilibrio solo se da cuando un cuerpo que flota libremente se encuentra en agua quieta, cuando se dan otras condiciones cuya magnitud cambia drásticamente creando el movimiento oscilante del cuerpo. [7]
La fuerza de flotabilidad es igual al peso del cuerpo, es decir, la masa del cuerpo es igual a la masa del agua desplazada por el cuerpo. Esto añade una fuerza ascendente al cuerpo equivalente a la superficie del mismo multiplicada por la superficie desplazada para crear un equilibrio entre la superficie del cuerpo y la superficie del agua.
La estabilidad de un barco en la mayoría de las condiciones es capaz de superar cualquier forma de restricción o resistencia encontrada en mares agitados; sin embargo, los barcos tienen características de balanceo indeseables cuando el balanceo es dos veces mayor que el balanceo en el cabeceo, lo que provoca que el barco se vuelque. [8]
Las estructuras implican la selección del material de construcción, el análisis estructural de la resistencia global y local del buque, la vibración de los componentes estructurales y las respuestas estructurales del buque durante los movimientos en alta mar . Según el tipo de buque, la estructura y el diseño variarán en cuanto al material a utilizar, así como la cantidad del mismo. Algunos buques están hechos de plástico reforzado con vidrio, pero la gran mayoría son de acero con, posiblemente, algo de aluminio en la superestructura. [7]
La estructura completa del barco está diseñada con paneles de forma rectangular que consisten en placas de acero apoyadas en cuatro bordes. Combinadas en una gran superficie, las rejillas crean el casco del barco , la cubierta y los mamparos, al mismo tiempo que brindan soporte mutuo a los marcos. Aunque la estructura del barco es lo suficientemente resistente como para mantenerse unida, la fuerza principal que tiene que superar es la flexión longitudinal que crea una tensión contra su casco, su estructura debe diseñarse de manera que el material esté dispuesto lo más hacia adelante y hacia atrás posible. [7]
Los principales elementos longitudinales son la cubierta, el revestimiento del casco y el fondo interior, todos ellos en forma de rejillas y estiramientos longitudinales adicionales a estos. Las dimensiones del barco son para crear suficiente espacio entre los refuerzos para evitar el pandeo. Los buques de guerra han utilizado un sistema longitudinal de refuerzo que muchos buques comerciales modernos han adoptado. Este sistema se utilizó ampliamente en los primeros buques mercantes, como el SS Great Eastern , pero más tarde se cambió a una estructura de marco transversal, otro concepto en el diseño del casco de los barcos que resultó más práctico. Este sistema se implementó más tarde en buques modernos, como los petroleros, debido a su popularidad y luego se denominó Sistema Isherwood . [7]
La disposición del sistema Isherwood consiste en rigidizar las cubiertas tanto en los laterales como en el fondo mediante largueros, separados lo suficiente para que tengan la misma distancia entre ellos que las cuadernas y las vigas. Este sistema funciona espaciando los largueros que sostienen los largueros unos 3 o 4 metros, con el amplio espaciamiento que esto provoca la fuerza transversal necesaria al desplazar la cantidad de fuerza que proporcionan los mamparos. [7]
Los arreglos incluyen diseño conceptual , distribución y acceso, protección contra incendios , asignación de espacios, ergonomía y capacidad .
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La construcción depende del material utilizado. Cuando se utiliza acero o aluminio, esto implica soldar las placas y los perfiles después de laminarlos , marcarlos, cortarlos y doblarlos según los planos o modelos de diseño estructural , seguido del montaje y el lanzamiento . Se utilizan otras técnicas de unión para otros materiales, como plástico reforzado con fibra y plástico reforzado con vidrio . El proceso de construcción se piensa con cautela, teniendo en cuenta todos los factores como la seguridad, la resistencia de la estructura, la hidrodinámica y la disposición del barco. Cada factor considerado presenta una nueva opción de materiales a tener en cuenta, así como la orientación del barco. Cuando se considera la resistencia de la estructura, los actos de colisión del barco se consideran en la forma en que se altera la estructura del barco. Por lo tanto, las propiedades de los materiales se consideran cuidadosamente, ya que el material aplicado en el barco golpeado tiene propiedades elásticas, la energía absorbida por el barco que es golpeado se desvía en la dirección opuesta, por lo que ambos barcos pasan por el proceso de rebote para evitar más daños. [9]
Tradicionalmente, la arquitectura naval ha sido más una artesanía que una ciencia. La idoneidad de la forma de un buque se juzgaba observando un modelo a medias del mismo o un prototipo. Las formas desgarbadas o las transiciones abruptas se consideraban defectuosas. Esto incluía el aparejo, la disposición de la cubierta e incluso los accesorios. Descripciones subjetivas como desgarbada , completa y fina se utilizaban como sustituto de los términos más precisos que se utilizan hoy en día. Un buque se describía, y todavía se describe, como de forma "aceptable". El término "aceptable" pretende denotar no solo una transición suave de proa a popa, sino también una forma "correcta". Determinar qué es "correcto" en una situación particular en ausencia de un análisis de respaldo definitivo abarca el arte de la arquitectura naval hasta el día de hoy.
Las computadoras digitales modernas de bajo costo y el software dedicado , combinados con una amplia investigación para correlacionar los datos computacionales y del tanque de remolque a escala real, han permitido a los arquitectos navales predecir con mayor precisión el rendimiento de un vehículo marino. Estas herramientas se utilizan para la estabilidad estática (intacta y dañada), la estabilidad dinámica, la resistencia, la potencia, el desarrollo del casco, el análisis estructural , el modelado de aguas verdes y el análisis de golpes. Los datos se comparten regularmente en conferencias internacionales patrocinadas por RINA , la Sociedad de Arquitectos Navales e Ingenieros Marinos (SNAME) y otros. La dinámica de fluidos computacional se está aplicando para predecir la respuesta de un cuerpo flotante en un mar aleatorio.
Debido a la complejidad asociada con operar en un entorno marino, la arquitectura naval es un esfuerzo cooperativo entre grupos de individuos técnicamente capacitados que son especialistas en campos particulares, a menudo coordinados por un arquitecto naval principal. [10] Esta complejidad inherente también significa que las herramientas analíticas disponibles son mucho menos evolucionadas que las que se utilizan para diseñar aeronaves, automóviles e incluso naves espaciales. Esto se debe principalmente a la escasez de datos sobre el entorno en el que se requiere que funcione el vehículo marino y a la complejidad de la interacción de las olas y el viento en una estructura marina.
Un arquitecto naval es un ingeniero responsable del diseño, clasificación, estudio, construcción y/o reparación de barcos, embarcaciones, otras embarcaciones marinas y estructuras en alta mar, tanto comerciales como militares, incluyendo:
Algunas de estas embarcaciones se encuentran entre las estructuras móviles más grandes (como los superpetroleros ), más complejas (como los portaaviones ) y más valoradas producidas por la humanidad. Por lo general, son el método más eficiente para transportar las materias primas y los productos del mundo. La ingeniería moderna a esta escala es esencialmente una actividad de equipo realizada por especialistas en sus respectivos campos y disciplinas. Los arquitectos navales integran estas actividades. Este exigente papel de liderazgo requiere cualidades de gestión y la capacidad de reunir las demandas a menudo conflictivas de las diversas limitaciones de diseño para producir un producto que sea adecuado para el propósito. [11]
Además de esta función de liderazgo, el arquitecto naval también tiene una función especializada: garantizar que se elabore un diseño seguro, económico, respetuoso con el medio ambiente y apto para navegar . Para llevar a cabo todas estas tareas, el arquitecto naval debe tener conocimientos de muchas ramas de la ingeniería y estar a la vanguardia de las áreas de alta tecnología. Debe ser capaz de utilizar eficazmente los servicios que le prestan científicos, abogados, contables y empresarios de todo tipo.
Los arquitectos navales suelen trabajar para astilleros , propietarios de barcos, empresas de diseño y consultorías, fabricantes de equipos, sociedades de clasificación , organismos reguladores ( derecho del Almirantazgo ), armadas y gobiernos. Una pequeña mayoría de arquitectos navales también trabajan en educación, de las cuales solo 5 universidades en los Estados Unidos están acreditadas con programas de Arquitectura Naval e Ingeniería Marina. La Academia Naval de los Estados Unidos es el hogar de uno de los profesores de Arquitectura Naval con más conocimientos; CAPT. Michael Bito, USN.
