La navegación a vela utiliza el viento, actuando sobre velas , veleros o cometas , para propulsar una embarcación en la superficie del agua ( barco de vela , velero , balsa , tabla de windsurf o kitesurfista ), sobre hielo ( barco de hielo ) o sobre tierra ( yate terrestre ) a lo largo de un curso elegido , que a menudo es parte de un plan de navegación más amplio .
Desde la prehistoria hasta la segunda mitad del siglo XIX, las embarcaciones a vela fueron el principal medio de transporte y comercio marítimo; la exploración a través de los mares y océanos dependía de la vela para cualquier cosa que no fueran las distancias más cortas. La potencia naval en este período utilizó la vela en distintos grados dependiendo de la tecnología actual, culminando en los buques de guerra a vela armados con cañones de la Era de la Vela . La vela fue reemplazada lentamente por el vapor como método de propulsión para los barcos durante la última parte del siglo XIX, viendo una mejora gradual en la tecnología del vapor a través de una serie de pasos de desarrollo. [a] El vapor permitió servicios programados que funcionaban a velocidades promedio más altas que los barcos de vela. Grandes mejoras en la economía de combustible permitieron que el vapor superara progresivamente a la vela en, en última instancia, todas las situaciones comerciales, brindando a los inversores propietarios de barcos un mejor retorno del capital. [2] : 9, 16
En el siglo XXI, la mayor parte de la navegación a vela representa una forma de recreación o deporte . La navegación a vela o yate recreativo se puede dividir en regatas y cruceros . Los cruceros pueden incluir viajes prolongados en alta mar y travesías oceánicas, navegación costera con vista a la tierra y navegación de día.
La navegación a vela se basa en la física de las velas , ya que estas obtienen su potencia del viento, generando tanto sustentación como resistencia. En un rumbo determinado, las velas se colocan en un ángulo que optimiza el desarrollo de la potencia eólica, según lo determina el viento aparente , que es el viento percibido por un buque en movimiento. Las fuerzas transmitidas a través de las velas se ven resistidas por las fuerzas del casco , la quilla y el timón de una embarcación de vela, por las fuerzas de los patines de un barco de hielo o por las fuerzas de las ruedas de una embarcación de vela terrestre que gobiernan el rumbo. Esta combinación de fuerzas significa que es posible navegar en un rumbo de ceñida como de sotavento. El rumbo con respecto a la dirección real del viento (como lo indicaría una bandera estacionaria) se llama punta de vela . Las embarcaciones de vela convencionales no pueden obtener potencia eólica en un rumbo con una punta de vela que esté demasiado cerca del viento.
A lo largo de la historia, la navegación a vela fue una forma clave de propulsión que permitió una mayor movilidad que los viajes por tierra. Esta mayor movilidad aumentó la capacidad de exploración, comercio, transporte, guerra y pesca, especialmente en comparación con las opciones terrestres. [3] : cap.2
Hasta las mejoras significativas en el transporte terrestre que se produjeron durante el siglo XIX, si el transporte por agua era una opción, era más rápido, más barato y más seguro que hacer el mismo viaje por tierra. Esto se aplicaba por igual a las travesías marítimas, los viajes costeros y el uso de ríos y lagos. Ejemplos de las consecuencias de esto incluyen el gran comercio de granos en el Mediterráneo durante el período clásico . Ciudades como Roma dependían totalmente de la entrega en barcos de vela de las grandes cantidades de grano que necesitaban. Se ha estimado que costaba menos para un barco de vela del Imperio Romano transportar grano a lo largo del Mediterráneo que mover la misma cantidad 15 millas por carretera. Roma consumió alrededor de 150.000 toneladas de grano egipcio cada año durante los primeros tres siglos d. C. [4] : 297 [3] : cap. 2 [5] : 147 [b]
Un comercio similar, pero más reciente, de carbón, se realizaba desde las minas situadas cerca del río Tyne hasta Londres , que ya se llevaba a cabo en el siglo XIV y que creció a medida que la ciudad crecía en tamaño. En 1795, se entregaron 4.395 cargamentos de carbón a Londres. Esto habría requerido una flota de unos 500 barcos carboneros de vela (que hacían 8 o 9 viajes al año). Esta cantidad se había duplicado en 1839. (El primer barco carbonero a vapor no se botó hasta 1852 y los barcos carboneros de vela continuaron trabajando hasta el siglo XX.) [7] [c]
La primera imagen que sugiere el uso de velas en un barco puede estar en una pieza de cerámica de Mesopotamia , que data del sexto milenio a. C. Se cree que la imagen muestra un mástil bípode montado en el casco de un barco de juncos; no se representa ninguna vela. [8] La representación más antigua de una vela, de Egipto, data de alrededor del 3100 a. C. [4] : figura 6 El Nilo se considera un lugar adecuado para el uso temprano de la vela para propulsión. Esto se debe a que la corriente del río fluye de sur a norte, mientras que la dirección predominante del viento es de norte a sur. Por lo tanto, un barco de esa época podía usar la corriente para ir al norte (un viaje sin obstáculos de 750 millas) y navegar para hacer el viaje de regreso. [4] : 11 También se han encontrado evidencias de los primeros marineros en otros lugares, como Kuwait, Turquía, Siria, Minoa, Bahréin e India, entre otros. [9]
Los pueblos austronesios usaban velas desde algún tiempo antes del 2000 a. C. [10] : 144 Su expansión desde lo que ahora es el sur de China y Taiwán comenzó en el 3000 a. C. Su tecnología llegó a incluir estabilizadores , catamaranes , [11] y velas de pinza de cangrejo , [12] lo que permitió la expansión austronesia alrededor del 3000 al 1500 a. C. en las islas del sudeste asiático marítimo , y de allí a Micronesia , la Melanesia insular , Polinesia y Madagascar . Dado que no hay nada en común entre la tecnología de los barcos de China y los austronesios, estas características distintivas deben haberse desarrollado en o algún tiempo después del comienzo de la expansión. [13] Viajaron grandes distancias en océano abierto en canoas con estabilizadores utilizando métodos de navegación como cartas de palo . [14] [15] La capacidad de navegación a barlovento de los barcos austronesios permitió una estrategia de navegación a barlovento en un viaje de exploración, con un regreso a sotavento para informar de un descubrimiento o si no se encontraba tierra. Esto se adecuaba bien a los vientos predominantes a medida que las islas del Pacífico se iban colonizando de forma constante. [13]
En la época de la Era de los Descubrimientos —que comenzó en el siglo XV— los barcos de aparejo cuadrado y mástiles múltiples eran la norma y se guiaban por técnicas de navegación que incluían la brújula magnética y la observación del sol y las estrellas que permitían viajes transoceánicos. [16]
Durante la Era de los Descubrimientos, los barcos de vela figuraron en los viajes europeos alrededor de África hasta China y Japón; y a través del Océano Atlántico hasta América del Norte y del Sur. Más tarde, los barcos de vela se aventuraron en el Ártico para explorar las rutas marítimas del norte y evaluar los recursos naturales. En los siglos XVIII y XIX, los barcos de vela realizaron estudios hidrográficos para desarrollar cartas para la navegación y, en ocasiones, llevaron científicos a bordo, como en los viajes de James Cook y el segundo viaje del HMS Beagle con el naturalista Charles Darwin .
A principios del siglo XIX, las goletas y bergantines rápidos que rompían bloqueos ( los Baltimore Clippers) evolucionaron a veleros de tres mástiles, generalmente con aparejo de barco y líneas finas que mejoraban la velocidad, pero reducían la capacidad para carga de alto valor, como el té de China. [17] Los mástiles tenían una altura de hasta 100 pies (30 m) y podían alcanzar velocidades de 19 nudos (35 km/h), lo que permitía travesías de hasta 465 millas náuticas (861 km) cada 24 horas. Los clippers cedieron el paso a embarcaciones más voluminosas y lentas, que se volvieron económicamente competitivas a mediados del siglo XIX. [18] Surgieron los planos de vela con solo velas de proa y popa ( goletas ), o una mezcla de ambas ( bergantines , barcas y goletas ). [16] Las goletas costeras de gavia con una tripulación de tan solo dos personas que se encargaban del manejo de las velas se convirtieron en una forma eficiente de transportar carga a granel, ya que solo era necesario cuidar las velas de proa mientras se atravesaba y a menudo se disponía de maquinaria a vapor para izar las velas y el ancla. [19]
Los veleros con casco de hierro representaron la evolución final de los veleros al final de la Era de la Vela. Fueron construidos para transportar carga a granel a largas distancias en los siglos XIX y principios del XX. [20] Eran los veleros mercantes más grandes, con tres a cinco mástiles y velas cuadradas, así como otros planos vélicos . Transportaban cargas a granel entre continentes. Los veleros con casco de hierro se construyeron principalmente entre la década de 1870 y 1900, cuando los barcos de vapor comenzaron a superarlos económicamente debido a su capacidad para mantener un horario independientemente del viento. Los cascos de acero también reemplazaron a los cascos de hierro aproximadamente al mismo tiempo. Incluso en el siglo XX, los veleros podían defenderse en viajes transoceánicos como el de Australia a Europa, ya que no necesitaban combustible para el carbón ni agua dulce para el vapor, y eran más rápidos que los primeros barcos de vapor, que por lo general apenas podían alcanzar los 8 nudos (15 km/h). [21] En última instancia, la independencia de los barcos de vapor respecto del viento y su capacidad de tomar rutas más cortas, pasando por los canales de Suez y Panamá , hicieron que los barcos de vela resultaran antieconómicos. [22]
Hasta la adopción generalizada de barcos construidos con carvelas que dependían de una estructura de esqueleto interno para soportar el peso del barco y de puertos de armas cortados en el costado, los barcos de vela eran solo vehículos para entregar cazas al enemigo para el combate. [23] Las primeras galeras fenicias, griegas y romanas se embestían entre sí, luego se lanzaban a las cubiertas de la fuerza opuesta y continuaban la lucha a mano, lo que significa que estas galeras requerían velocidad y maniobrabilidad. [24] Esta necesidad de velocidad se tradujo en barcos más largos con múltiples filas de remos a lo largo de los costados, conocidos como birremes y trirremes . [25] Por lo general, los barcos de vela durante este período de tiempo eran los barcos mercantes. [26]
En 1500, los puertos de cañones permitieron a los barcos de vela navegar junto a un barco enemigo y disparar una andanada de múltiples cañones. [27] Este desarrollo permitió que las flotas navales se alinearan en una línea de batalla , por lo que los buques de guerra mantendrían su lugar en la línea para enfrentarse al enemigo en una línea paralela o perpendicular. [28]
Si bien el uso de embarcaciones de vela para el comercio o la energía naval ha sido reemplazado por embarcaciones impulsadas por motor, siguen existiendo operaciones comerciales que llevan pasajeros en cruceros de vela. [29] [30] Las armadas modernas también emplean embarcaciones de vela para entrenar a los cadetes en marinería . [31] La recreación o el deporte representan la mayor parte de la navegación en los barcos modernos.
La navegación recreativa se puede dividir en dos categorías: navegación diurna, en la que uno se baja del barco para pasar la noche, y crucero, en el que uno permanece a bordo.
La navegación diurna ofrece principalmente la experiencia de disfrutar de la navegación en un barco. No se exige un destino concreto. Es una oportunidad de compartir la experiencia con otras personas. [32] Una variedad de barcos sin alojamiento para pasar la noche, cuyo tamaño varía entre 10 pies (3,0 m) y más de 30 pies (9,1 m), pueden considerarse como navegantes diurnos. [33]
La navegación a vela puede realizarse cerca de la costa o fuera de la vista de la tierra, y supone el uso de veleros que permiten un uso prolongado durante la noche. [34] Las zonas de navegación costera incluyen áreas del Mediterráneo y el mar Negro, el norte de Europa, Europa occidental e islas del Atlántico norte, África occidental y las islas del Atlántico sur, el Caribe y regiones de América del Norte y Central. [35] La navegación a vela se realiza en rutas a través de océanos de todo el mundo. Existen rutas circulares entre América y Europa, y entre Sudáfrica y América del Sur. Hay muchas rutas desde América, Australia, Nueva Zelanda y Asia hasta destinos insulares en el Pacífico sur. Algunos cruceros circunnavegan el globo. [36]
La vela como deporte está organizada de forma jerárquica, comenzando en el nivel de club náutico y llegando hasta las federaciones nacionales e internacionales; puede implicar carreras de yates , botes de vela u otras embarcaciones de vela pequeñas y abiertas, incluidos los barcos de hielo y los yates terrestres. Las carreras de veleros están regidas por la World Sailing y la mayoría de los formatos de carreras utilizan las Reglas de Carreras de Vela . [37] Implica una variedad de disciplinas diferentes, que incluyen:
Un saildrone es un tipo de vehículo de superficie no tripulado utilizado principalmente en los océanos para la recopilación de datos. [44] Los saildrones funcionan con energía eólica y solar y llevan un conjunto de sensores científicos e instrumentos de navegación. Pueden seguir un conjunto de puntos de referencia prescritos de forma remota. [45] El saildrone fue inventado por Richard Jenkins , un ingeniero británico, [46] fundador y director ejecutivo de Saildrone, Inc. Los saildrones han sido utilizados por científicos y organizaciones de investigación como la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) para estudiar el ecosistema marino, la pesca y el clima. [47] [48] En enero de 2019, se lanzó una pequeña flota de saildrones para intentar la primera circunnavegación autónoma de la Antártida. [49] Uno de los saildrones completó la misión, recorriendo 12.500 millas (20.100 km) durante el viaje de siete meses mientras recopilaba un conjunto de datos detallados utilizando la instrumentación de monitoreo ambiental a bordo. [50]
En agosto de 2019, el SD 1021 completó la travesía atlántica no tripulada más rápida navegando desde Bermudas hasta el Reino Unido, [51] y en octubre, completó el viaje de regreso para convertirse en el primer vehículo autónomo en cruzar el Atlántico en ambas direcciones. [52] La Universidad de Washington y la empresa Saildrone comenzaron una empresa conjunta en 2019 llamada The Saildrone Pacific Sentinel Experiment, que posicionó seis saildrones a lo largo de la costa oeste de los Estados Unidos para recopilar datos atmosféricos y oceánicos. [53] [54]
Saildrone y la NOAA desplegaron cinco buques modificados de clase huracán en lugares clave del océano Atlántico antes del inicio en junio de la temporada de huracanes de 2021. En septiembre, SD 1045 estuvo en el lugar para obtener videos y datos del interior del huracán Sam . Fue el primer buque de investigación en aventurarse en medio de un gran huracán . [55] [56]
La capacidad de una embarcación de vela para obtener potencia del viento depende del punto de la vela en el que se encuentre, es decir, la dirección de navegación a vela en relación con la dirección real del viento sobre la superficie. Los puntos principales de la vela corresponden aproximadamente a segmentos de 45° de un círculo, comenzando con 0° directamente contra el viento. Para muchas embarcaciones de vela, el arco que abarca 45° a cada lado del viento es una zona de "prohibición", [57] donde una vela no puede movilizar potencia del viento. [58] Navegar en un rumbo lo más cercano posible al viento (aproximadamente 45°) se denomina "ceñida". A 90° fuera del viento, una embarcación está en un "avance de través". A 135° fuera del viento, una embarcación está en un "avance ancho". A 180° fuera del viento (navegando en la misma dirección que el viento), una embarcación está "a favor del viento".
En los puntos de navegación que van desde un alcance ceñido hasta un alcance amplio, las velas actúan sustancialmente como un ala, con la sustentación impulsando predominantemente la embarcación. En los puntos de navegación que van desde un alcance amplio hasta la dirección del viento, las velas actúan sustancialmente como un paracaídas, con la resistencia impulsando predominantemente la embarcación. Para las embarcaciones con poca resistencia hacia adelante, como los barcos de hielo y los yates terrestres , esta transición ocurre más alejada del viento que para los veleros y los barcos de vela . [58]
La dirección del viento para los puntos de la vela siempre se refiere al viento real, es decir, el viento que siente un observador estacionario. El viento aparente , es decir, el viento que siente un observador desde una embarcación en movimiento, determina la fuerza motriz de la embarcación.
Las olas dan una indicación de la dirección real del viento . La bandera da una indicación de la dirección aparente del viento .
La velocidad real del viento ( VT ) se combina con la velocidad de la embarcación ( VB ) para dar la velocidad aparente del viento (VA ) , la velocidad del aire que experimentan los instrumentos o la tripulación en una embarcación en movimiento. La velocidad aparente del viento proporciona la fuerza motriz para las velas en cualquier punto dado de la vela. Varía desde ser la velocidad real del viento de una embarcación detenida en una zona prohibida hasta ser más rápida que la velocidad real del viento a medida que la velocidad de la embarcación se suma a la velocidad real del viento en un tramo. Disminuye hacia cero para una embarcación que navega directamente a favor del viento. [59]
La embarcación de vela A navega con ceñida. La embarcación de vela B navega con travesaño. La embarcación de vela C navega con travesaño ancho.
La velocidad de la embarcación (en negro) genera un componente de viento aparente igual y opuesto (no se muestra), que se combina con el viento verdadero para convertirse en viento aparente.
La velocidad de los veleros en el agua está limitada por la resistencia que resulta del arrastre del casco en el agua. Los barcos de hielo suelen tener la menor resistencia al movimiento hacia adelante de todas las embarcaciones de vela. [58] En consecuencia, un velero experimenta una gama más amplia de ángulos de viento aparente que un barco de hielo, cuya velocidad suele ser lo suficientemente grande como para que el viento aparente venga desde unos pocos grados hacia un lado de su curso, lo que requiere navegar con la vela recogida en la mayoría de los puntos de la vela. En los veleros convencionales, las velas se colocan para crear sustentación en aquellos puntos de la vela donde es posible alinear el borde de ataque de la vela con el viento aparente. [59]
En el caso de un velero, la dirección de la vela afecta significativamente a la fuerza lateral. Cuanto más alto apunte el barco al viento mientras navega, más fuerte será la fuerza lateral, que requiere resistencia de una quilla u otros elementos de apoyo submarinos, como la orza, la orza central, la quilla y el timón. La fuerza lateral también induce la escora en un velero, que requiere resistencia por el peso del lastre de la tripulación o del propio barco y por la forma del barco, especialmente en un catamarán. A medida que el barco apunta en dirección opuesta al viento, la fuerza lateral y las fuerzas necesarias para resistirla se vuelven menos importantes. [60] En los barcos de hielo, las fuerzas laterales se contrarrestan con la resistencia lateral de las palas sobre el hielo y su distancia entre ellas, lo que generalmente evita la escora. [61]
El viento y las corrientes son factores importantes a tener en cuenta tanto para la navegación en alta mar como para la navegación costera. Predecir la disponibilidad, la fuerza y la dirección del viento es fundamental para utilizar su potencia en el rumbo deseado. Las corrientes oceánicas, las mareas y las corrientes fluviales pueden desviar a un velero de su rumbo deseado. [62]
Si el rumbo deseado se encuentra dentro de la zona prohibida, la embarcación a vela debe seguir una ruta en zigzag contra el viento para llegar a su punto de referencia o destino. A favor del viento, ciertas embarcaciones a vela de alto rendimiento pueden llegar al destino más rápidamente siguiendo una ruta en zigzag en una serie de tramos amplios.
La negociación de obstáculos o un canal también puede requerir un cambio de dirección con respecto al viento, lo que obliga a cambiar de rumbo con el viento del lado opuesto de la embarcación, desde el anterior.
El cambio de amura se denomina virar cuando el viento cruza por encima de la proa de la embarcación al girar y trasluchar si el viento pasa por encima de la popa.
Una embarcación de vela puede navegar en un rumbo en cualquier lugar fuera de su zona prohibida. [63] Si el siguiente punto de referencia o destino está dentro del arco definido por la zona prohibida desde la posición actual de la embarcación, entonces debe realizar una serie de maniobras de viraje para llegar allí en una ruta en zigzag, llamada barlovento . [64] El progreso a lo largo de esa ruta se llama rumbo logrado ; la velocidad entre los puntos de inicio y final de la ruta se llama velocidad lograda y se calcula por la distancia entre los dos puntos, dividida por el tiempo de viaje. [65] La línea límite hasta el punto de referencia que permite al velero dejarlo a sotavento se llama layline . [66] Mientras que algunos yates de vela con aparejo de Bermudas pueden navegar tan cerca como 30° del viento, [65] la mayoría de los veleros de aparejo cuadrado del siglo XX están limitados a 60° fuera del viento. [67] Los aparejos de proa y popa están diseñados para funcionar con el viento en ambos lados, mientras que los aparejos cuadrados y las cometas están diseñados para que el viento venga de un solo lado de la vela.
Debido a que las fuerzas del viento lateral son más altas cuando se navega en ceñida, las fuerzas de resistencia del agua alrededor de la quilla, la orza, el timón y otros perfiles del buque también deben ser más altas para limitar el movimiento lateral o la deriva . Los barcos de hielo y los yates terrestres minimizan el movimiento lateral con la resistencia de sus palas o ruedas. [68]
La bordada o virada es una maniobra mediante la cual una embarcación de vela gira su proa hacia y a través del viento (denominada "el ojo del viento" [69] ) de modo que el viento aparente cambia de un lado al otro, lo que permite avanzar en la bordada opuesta. [70] El tipo de aparejo de navegación dicta los procedimientos y las limitaciones para lograr una maniobra de virada. Los aparejos de proa y popa permiten que sus velas cuelguen flácidas mientras viran; los aparejos cuadrados deben presentar toda el área frontal de la vela al viento, al cambiar de lado a lado; y los windsurfistas tienen mástiles que pivotan de manera flexible y rotan por completo y se voltean de lado a lado.
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Una embarcación de vela puede navegar directamente a favor del viento solo a una velocidad menor que la del viento. Sin embargo, algunas embarcaciones de vela, como los barcos de hielo , los yates de arena y algunos veleros de alto rendimiento , pueden alcanzar una mayor velocidad a favor del viento al navegar en una serie de tramos amplios, puntuados por trasluchadas entre ellos. Los veleros comenzaron a explorar esta técnica en 1975 y ahora se extiende a esquifes de alto rendimiento, catamaranes y veleros con foils. [71]
Navegar por un canal o un rumbo a favor del viento entre obstrucciones puede requerir cambios de dirección que requieran un cambio de rumbo, que se logra con una trasluchada.
La trasluchada o trasluchada es una maniobra de navegación mediante la cual una embarcación de vela gira su popa más allá del ojo del viento de modo que el viento aparente cambia de un lado al otro, lo que permite avanzar en la amura opuesta. Esta maniobra se puede realizar en embarcaciones más pequeñas tirando de la caña del timón hacia uno mismo (el lado opuesto de la vela). [70] Al igual que con la amura, el tipo de aparejo de navegación dicta los procedimientos y las restricciones para la trasluchada. Las velas de proa y popa con botavaras, cangrejas o perchas son inestables cuando el extremo libre apunta al ojo del viento y deben controlarse para evitar un cambio violento al otro lado; los aparejos cuadrados, ya que presentan toda el área de la vela al viento desde la popa, experimentan pocos cambios de operación de una amura a la otra; y los windsurfistas nuevamente tienen mástiles que pivotan de manera flexible y rotan por completo que se dan vuelta de un lado a otro.
Tanto los vientos como las corrientes oceánicas son el resultado de la acción del sol sobre sus respectivos fluidos. El viento impulsa a los veleros y el océano los guía en su rumbo, al igual que las corrientes pueden alterar el rumbo de un velero en el océano o en un río.
El ajuste se refiere al ajuste de las líneas que controlan las velas, incluidas las escotas que controlan el ángulo de las velas con respecto al viento, las drizas que izan y tensan la vela, y al ajuste de la resistencia del casco a la escora, la guiñada o el avance a través del agua.
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En su versión más desarrollada, las velas cuadradas están controladas por dos de cada uno de los siguientes: escotas, tirantes, cabos de escota y aparejos de rizo, más cuatro cabos de bunt , cada uno de los cuales puede ser controlado por un miembro de la tripulación mientras se ajusta la vela. [77] Hacia el final de la Era de la Vela, la maquinaria impulsada por vapor redujo el número de tripulantes necesarios para ajustar la vela. [78]
El ajuste del ángulo de una vela de proa y popa con respecto al viento aparente se controla con una cuerda, llamada "escota". En los puntos de la vela entre ceñida y un largo alcance, el objetivo es típicamente crear flujo a lo largo de la vela para maximizar la potencia a través de la sustentación. Los serpentines colocados en la superficie de la vela, llamados indicadores , indican si ese flujo es suave o turbulento. Un flujo suave en ambos lados indica un ajuste adecuado. Un foque y una vela mayor generalmente están configurados para ajustarse para crear un flujo laminar suave , que conduce de uno a otro en lo que se llama el "efecto de ranura". [79]
En los puntos de vela a favor del viento, la potencia se logra principalmente con el viento empujando la vela, como lo indican los indicadores de inclinación. Los spinnakers son velas livianas, de gran superficie y muy curvadas que están adaptadas para navegar contra el viento. [79]
Además de utilizar las escotas para ajustar el ángulo con respecto al viento aparente, otras líneas controlan la forma de la vela, en particular el cabo de escota , la driza , la contra de la botavara y el backestay . Estas controlan la curvatura que es apropiada para la velocidad del viento, cuanto más fuerte es el viento, más plana es la vela. Cuando la fuerza del viento es mayor de lo que estos ajustes pueden soportar para evitar que la embarcación de vela se vea sobrecargada, se reduce el área de la vela mediante el rizo , la sustitución por una vela más pequeña o por otros medios. [80] [81]
La reducción de las velas en los barcos de aparejo cuadrado se podría lograr exponiendo menos de cada vela, atándolas más arriba con puntos de rizo. [78] Además, a medida que los vientos se vuelven más fuertes, las velas se pueden enrollar o quitar de los mástiles, por completo, hasta que el barco sobreviva a vientos huracanados con "mástiles desnudos". [74] : 137
En los barcos con aparejo de proa y popa, la reducción de la superficie de la vela se puede realizar enrollando el foque y rizando o arriando parcialmente la vela mayor, es decir, reduciendo la superficie de la vela sin cambiarla por una vela más pequeña. Esto da como resultado una superficie vélica reducida, pero también un centro de esfuerzo de las velas más bajo, lo que reduce el momento de escora y mantiene el barco más erguido.
Hay tres métodos comunes para rizar la vela mayor: [80] [81]
El ajuste del casco tiene tres aspectos, cada uno vinculado a un eje de rotación, que controlan: [74] : 131–5
Cada una de ellas es una reacción a las fuerzas que actúan sobre las velas y se consigue ya sea mediante la distribución del peso o mediante la gestión del centro de fuerza de los perfiles submarinos (quilla, orza, etc.), en comparación con el centro de fuerza de las velas.
Un barco de vela se escora cuando el barco se inclina hacia un lado como reacción a las fuerzas del viento sobre las velas.
La estabilidad de la forma de un velero (derivada de la forma del casco y la posición del centro de gravedad) es el punto de partida para resistir la escora. Los catamaranes y los barcos de hielo tienen una postura amplia que los hace resistentes a la escora. Las medidas adicionales para ajustar un velero para controlar la escora incluyen: [74] : 131–5
La alineación del centro de fuerza de las velas con el centro de resistencia del casco y sus apéndices controla si la embarcación seguirá una trayectoria recta con poco esfuerzo de gobierno o si es necesario hacer correcciones para evitar que gire hacia el viento (timón de barlovento) o que se aleje del viento (timón de sotavento). Un centro de fuerza detrás del centro de resistencia provoca un timón de barlovento. Un centro de fuerza delante del centro de resistencia provoca un timón de sotavento. Cuando los dos están estrechamente alineados, el timón es neutro y requiere poco esfuerzo para mantener el rumbo. [74] : 131–5
La distribución del peso de proa a popa modifica la sección transversal de un buque en el agua. Las pequeñas embarcaciones de vela son sensibles a la ubicación de la tripulación. Por lo general, están diseñadas para que la tripulación se ubique en el centro del barco para minimizar la resistencia del casco en el agua. [74] : 131–5
La marinería abarca todos los aspectos de la entrada y salida de un buque de vela del puerto, su navegación hasta su destino y su aseguramiento en el ancla o junto a un muelle. Algunos aspectos importantes de la marinería incluyen el empleo de un lenguaje común a bordo de una embarcación de vela y el manejo de las líneas que controlan las velas y el aparejo. [83]
Términos náuticos para los elementos de un buque: estribor (lado derecho), babor o babor (lado izquierdo), proa o a proa (hacia adelante), popa o a popa (hacia atrás), proa (parte delantera del casco), popa (parte trasera del casco), manga (la parte más ancha). Los mástiles, que sostienen las velas, incluyen mástiles, botavaras, vergas, garfios y tangones. Las líneas móviles que controlan las velas u otro equipo se conocen colectivamente como aparejo de labor de un buque . Las líneas que izan las velas se llaman drizas, mientras que las que las arrian se llaman cabos de amarre . Las líneas que ajustan (compensan) las velas se llaman escotas . A menudo se hace referencia a ellas usando el nombre de la vela que controlan (como escota mayor o escota de foque ). Los vientos se utilizan para controlar los extremos de otros mástiles, como los tangones de spinnaker . Las líneas que se utilizan para atar un barco cuando está al costado se llaman cabos de atraque , cables de atraque o urdimbres de amarre . Un cabo es lo que une un barco anclado a su ancla . [84] Aparte de estribor y babor, los lados del barco se definen por su relación con el viento. Los términos para describir los dos lados son barlovento y sotavento . El lado de barlovento del barco es el lado que está contra el viento, mientras que el lado de sotavento es el lado que está a favor del viento.
Los siguientes nudos se utilizan comúnmente para manipular cuerdas y cabos en embarcaciones de vela: [85] [86]
Las líneas y drizas suelen enrollarse cuidadosamente para su almacenamiento y reutilización. [87]
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La física de la navegación surge de un equilibrio de fuerzas entre el viento que impulsa la embarcación a medida que pasa sobre sus velas y la resistencia que ofrece la embarcación a no salirse de su curso, que en el agua se proporciona mediante la quilla , el timón , las láminas submarinas y otros elementos de la parte inferior de un velero, en el hielo mediante los patines de un barco de hielo , o en tierra mediante las ruedas de un vehículo terrestre propulsado por velas .
Las fuerzas que actúan sobre las velas dependen de la velocidad y la dirección del viento, así como de la velocidad y la dirección de la embarcación. La velocidad de la embarcación en un punto determinado de la vela contribuye al " viento aparente ", es decir, la velocidad y la dirección del viento medidas sobre la embarcación en movimiento. El viento aparente sobre la vela crea una fuerza aerodinámica total, que puede descomponerse en resistencia (el componente de fuerza en la dirección del viento aparente) y sustentación (el componente de fuerza normal (90°) al viento aparente). Según la alineación de la vela con el viento aparente ( ángulo de ataque ), la sustentación o la resistencia pueden ser el componente propulsor predominante. Según el ángulo de ataque de un conjunto de velas con respecto al viento aparente, cada vela proporciona fuerza motriz a la embarcación, ya sea a partir de un flujo unido con predominio de sustentación o de un flujo separado con predominio de resistencia. Además, las velas pueden interactuar entre sí para crear fuerzas que son diferentes de la suma de las contribuciones individuales de cada vela, cuando se utilizan solas.
El término " velocidad " se refiere tanto a la velocidad como a la dirección. Aplicada al viento, la velocidad aparente del viento ( VA ) es la velocidad del aire que actúa sobre el borde de ataque de la vela más adelantada o que experimentan los instrumentos o la tripulación de una embarcación de vela en movimiento. En la terminología náutica, las velocidades del viento se expresan normalmente en nudos y los ángulos del viento en grados . Todas las embarcaciones de vela alcanzan una velocidad de avance constante ( VB ) para una velocidad del viento real (VT) y un punto de vela determinados . El punto de vela de la embarcación afecta a su velocidad para una velocidad del viento real determinada. Las embarcaciones de vela convencionales no pueden obtener potencia del viento en una zona "prohibida" que se encuentra aproximadamente a 40° o 50° del viento real, según la embarcación. Del mismo modo, la velocidad directamente a favor del viento de todas las embarcaciones de vela convencionales está limitada a la velocidad del viento real. A medida que un velero navega más lejos del viento, el viento aparente se vuelve más pequeño y el componente lateral se reduce; la velocidad del barco es más alta en el alcance de la manga. Para actuar como un perfil aerodinámico, la vela de un velero se escota más hacia afuera a medida que el rumbo se aleja del viento. [59] A medida que un barco de hielo navega más lejos del viento, el viento aparente aumenta ligeramente y la velocidad del barco es más alta en el largo. Para actuar como un perfil aerodinámico, la vela de un barco de hielo se escota hacia adentro en los tres puntos de la vela. [58]
La sustentación de una vela, que actúa como un perfil aerodinámico , se produce en una dirección perpendicular a la corriente de aire incidente (la velocidad aparente del viento para la vela de proa) y es el resultado de las diferencias de presión entre las superficies de barlovento y sotavento y depende del ángulo de ataque, la forma de la vela, la densidad del aire y la velocidad del viento aparente. La fuerza de sustentación resulta de la presión promedio en la superficie de barlovento de la vela que es mayor que la presión promedio en el lado de sotavento. [88] Estas diferencias de presión surgen junto con el flujo de aire curvado. A medida que el aire sigue una trayectoria curva a lo largo del lado de barlovento de una vela, existe un gradiente de presión perpendicular a la dirección del flujo con mayor presión en el exterior de la curva y menor presión en el interior. Para generar sustentación, una vela debe presentar un " ángulo de ataque " entre la línea de cuerda de la vela y la velocidad aparente del viento. El ángulo de ataque es una función tanto del punto de vela de la embarcación como de cómo se ajusta la vela con respecto al viento aparente. [89]
A medida que aumenta la sustentación generada por una vela, también aumenta la resistencia inducida por sustentación , que junto con la resistencia parásita constituyen la resistencia total , que actúa en una dirección paralela a la corriente de aire incidente. Esto ocurre a medida que aumenta el ángulo de ataque con el ajuste de la vela o el cambio de rumbo y hace que el coeficiente de sustentación aumente hasta el punto de pérdida aerodinámica junto con el coeficiente de resistencia inducida por sustentación . Al comienzo de la pérdida, la sustentación disminuye abruptamente, al igual que la resistencia inducida por sustentación. Las velas con el viento aparente detrás de ellas (especialmente yendo a favor del viento) funcionan en una condición de pérdida. [90]
La sustentación y la resistencia son componentes de la fuerza aerodinámica total sobre la vela, a la que se oponen fuerzas en el agua (en el caso de un barco) o en la superficie recorrida (en el caso de un barco de hielo o una embarcación de vela terrestre). Las velas actúan de dos modos básicos: en el modo de sustentación predominante , la vela se comporta de manera análoga a un ala con un flujo de aire adherido a ambas superficies; en el modo de resistencia predominante , la vela actúa de manera análoga a un paracaídas con un flujo de aire en flujo separado, que se arremolina alrededor de la vela.
Las velas permiten el avance de una embarcación a barlovento, gracias a su capacidad de generar sustentación (y la capacidad de la embarcación de resistir las fuerzas laterales resultantes). Cada configuración de vela tiene un coeficiente de sustentación característico y un coeficiente de arrastre asociado, que se pueden determinar experimentalmente y calcular teóricamente. Las embarcaciones a vela orientan sus velas con un ángulo de ataque favorable entre el punto de entrada de la vela y el viento aparente incluso cuando su rumbo cambia. La capacidad de generar sustentación se ve limitada al navegar demasiado cerca del viento cuando no hay un ángulo de ataque efectivo disponible para generar sustentación (lo que provoca el arqueo) y al navegar lo suficientemente alejado del viento como para que la vela no se pueda orientar en un ángulo de ataque favorable para evitar que se detenga con la separación del flujo .
Cuando las embarcaciones de vela navegan en un rumbo en el que el ángulo entre la vela y el viento aparente (el ángulo de ataque) supera el punto de sustentación máxima, se produce la separación del flujo. [91] La resistencia aumenta y la sustentación disminuye con el aumento del ángulo de ataque a medida que la separación se hace progresivamente pronunciada hasta que la vela queda perpendicular al viento aparente, momento en el que la sustentación se vuelve insignificante y predomina la resistencia. Además de las velas utilizadas en ceñida, los spinnakers proporcionan un área y una curvatura adecuadas para navegar con flujo separado en los puntos de vela a favor del viento, de forma análoga a los paracaídas, que proporcionan tanto sustentación como resistencia. [92]
La velocidad del viento aumenta con la altura sobre la superficie; al mismo tiempo, la velocidad del viento puede variar en períodos cortos de tiempo en forma de ráfagas.
La cizalladura del viento afecta a las embarcaciones de vela en movimiento al presentar una velocidad y dirección del viento diferente a diferentes alturas a lo largo del mástil . La cizalladura del viento se produce debido a la fricción sobre la superficie del agua que ralentiza el flujo de aire. [93] La relación entre el viento en la superficie y el viento a una altura sobre la superficie varía según una ley de potencia con un exponente de 0,11-0,13 sobre el océano. Esto significa que un viento de 5 m/s (9,7 nudos) a 3 m sobre el agua sería de aproximadamente 6 m/s (12 nudos) a 15 m (50 pies) sobre el agua. En vientos con fuerza de huracán con 40 m/s (78 nudos) en la superficie, la velocidad a 15 m (50 pies) sería de 49 m/s (95 nudos) [94] Esto sugiere que las velas que llegan más alto sobre la superficie pueden estar sujetas a fuerzas de viento más fuertes que mueven el centro de esfuerzo sobre ellas más alto sobre la superficie y aumentan el momento de escora. Además, la dirección aparente del viento se desplaza hacia atrás con la altura sobre el agua, lo que puede requerir una torsión correspondiente en la forma de la vela para lograr un flujo uniforme con la altura. [95]
Las ráfagas pueden predecirse mediante el mismo valor que sirve como exponente de la cizalladura del viento, que actúa como factor de ráfaga. Por lo tanto, se puede esperar que las ráfagas sean aproximadamente 1,5 veces más fuertes que la velocidad del viento predominante (un viento de 10 nudos puede alcanzar ráfagas de hasta 15 nudos). Esto, combinado con los cambios en la dirección del viento, sugiere el grado en que una embarcación de vela debe ajustar el ángulo de las velas a las ráfagas de viento en un rumbo determinado. [96]
Las embarcaciones a vela que se desplazan por el agua dependen del diseño del casco y la quilla para proporcionar una resistencia mínima hacia adelante en oposición a la potencia propulsora de las velas y una resistencia máxima a las fuerzas laterales de las velas. En los veleros modernos, la resistencia se minimiza mediante el control de la forma del casco (roma o fina), los apéndices y la resbaladizabilidad. La quilla u otras láminas submarinas proporcionan la resistencia lateral a las fuerzas sobre las velas. La escora aumenta tanto la resistencia como la capacidad del barco para seguir su rumbo deseado. La generación de olas para un casco de desplazamiento es otra limitación importante de la velocidad del barco. [97]
La resistencia de su forma se describe mediante un coeficiente prismático , C p = volumen desplazado del buque dividido por la longitud de la línea de flotación por el área de sección desplazada máxima; el valor máximo de C p = 1,0 corresponde a un área de sección transversal de desplazamiento constante, como se encontraría en una barcaza. Para los veleros modernos, es probable que los valores de 0,53 ≤ C p ≤ 0,6 se deban a la forma cónica del casco sumergido hacia ambos extremos. La reducción del volumen interior permite crear un casco más fino con menos resistencia. Debido a que una quilla u otra lámina submarina produce sustentación, también produce resistencia, que aumenta a medida que el barco se inclina. El área mojada del casco afecta la cantidad total de fricción entre el agua y la superficie del casco, lo que crea otro componente de resistencia. [97]
Los veleros utilizan algún tipo de lámina submarina para generar sustentación que mantenga la dirección de avance del barco cuando navegan a vela. Mientras que las velas funcionan en ángulos de ataque de entre 10° y 90° con respecto al viento, las láminas submarinas funcionan en ángulos de ataque de entre 0° y 10° con respecto al agua que pasa. Ni su ángulo de ataque ni su superficie son ajustables (excepto en el caso de las láminas móviles) y nunca se detienen intencionalmente mientras avanzan por el agua. Escorar la embarcación para alejarla de la perpendicular hacia el agua degrada significativamente la capacidad de la embarcación de apuntar hacia el viento. [97]
La velocidad del casco es la velocidad a la que la longitud de onda de la ola de proa de un buque es igual a su longitud en la línea de flotación y es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud del buque en la línea de flotación. Aplicar más potencia no aumenta significativamente la velocidad de un buque de desplazamiento más allá de la velocidad del casco. Esto se debe a que el buque está subiendo por una ola de proa cada vez más pronunciada con la adición de potencia sin que la ola se propague hacia adelante más rápido. [97]
Las embarcaciones que planean o que navegan con foils no están limitadas por la velocidad del casco, ya que se elevan fuera del agua sin generar una ola de proa con la aplicación de potencia. Los cascos largos y estrechos, como los de los catamaranes, superan la velocidad del casco al atravesar la ola de proa. La velocidad del casco no se aplica a las embarcaciones a vela con patines o ruedas para hielo porque no desplazan el agua. [98]
![Viento aparente en un barco de hielo. A medida que el barco de hielo se aleja del viento, el viento aparente aumenta ligeramente y la velocidad del barco es mayor en la travesía amplia. La vela está recogida en los tres puntos de la misma.[58]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/Ice_boat_apparent_wind_on_different_points_of_sail.jpg/1280px-Ice_boat_apparent_wind_on_different_points_of_sail.jpg)
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