El mecanismo de gobierno automático es un equipo utilizado en los barcos de vela para mantener un rumbo o punto de navegación elegido sin acción humana constante. [1]
El gobierno mecánico o " de veleta " comenzó como una forma de mantener el rumbo de los modelos de veleros. Antes de la llegada del control por radio, las carreras de modelos de yates (que comenzaron antes de la Primera Guerra Mundial) se disputaban normalmente en estanques largos y estrechos, y el número de paradas a lo largo de las orillas se contabilizaba como una penalización en el resultado final. Inicialmente, se ideó un sistema de contrapeso en las cañas del timón para compensar el timón de barlovento cuando el modelo de barco se inclinaba en una ráfaga. Estos sistemas rudimentarios evolucionaron en un sistema más sofisticado llamado Braine Gear en honor a su inventor, George Braine. [2] El mecanismo de gobierno Braine era un sistema de cuadrante afinado en el eje del timón impulsado por la tensión de la escota de la vela mayor y amortiguado por una banda de goma. Más tarde se ideó un sistema más sofisticado llamado engranaje de veleta , que se basaba en una pequeña veleta o perfil aerodinámico que impulsaba el timón principal a través de un sistema ajustable de engranajes de relojería. Era muy similar a los pilotos automáticos accionados por paletas que se vieron posteriormente en los yates transatlánticos, como el timón de dirección automática de Blondie Hasler . Algunos navegantes transatlánticos en solitario utilizaron una forma rudimentaria de dispositivos de dirección automática para cruzar el océano Atlántico en las décadas de 1920 y 1930, siendo el más notable el francés Marin Marie (Paul Marin Durand Couppel de Saint Front), que cruzó el Atlántico dos veces en la década de 1930, primero en un yate de vela llamado Winnibelle II y segundo en una pinaza a motor llamada Arielle .
El gobierno automático a bordo del Winnibelle II en su travesía del Atlántico desde Douarnenez , Francia, a Nueva York en 1933 era algo similar a un sistema Braine, utilizando foques gemelos (Trinquettes jumelles) con sus escotas conectadas al timón a través de una serie de poleas y cabos. El Winnibelle II, de quilla larga, era perfectamente estable en rumbo en los puntos de navegación de ceñida o de través, pero el sistema de gobierno automático de foque doble podía tomar el control en los puntos de navegación de ceñida y de travesía más complicados.
En la pequeña pinaza a motor Arielle , una embarcación de 13 metros de eslora propulsada por un motor diésel Baudouin de 65 CV de fabricación francesa que navegó de Nueva York a Le Havre en 1936, la tarea de gobernar una embarcación a motor en las olas del Atlántico era más desalentadora. Arielle tenía dos timones; el principal debajo del casco, en la carrera de la hélice, era para el gobierno manual y el timón auxiliar más pequeño estaba montado en la popa. Este timón auxiliar podía ser impulsado mecánicamente por una veleta especial montada sobre la capota que consistía en dos perfiles aerodinámicos rectangulares colocados en ángulo sobre un eje vertical y equilibrados por un contrapeso. Era simple y funcionaba bastante bien, pero no podía gobernar el barco con brisas muy suaves o en calma total.
Mientras Marin Marie estaba equipando el Arielle en Nueva York, un inventor francés llamado Casel se acercó a él y le ofreció instalar un piloto automático eléctrico de su invención, sin cargo alguno. El piloto automático Casel utilizaba las entonces revolucionarias células fotoeléctricas y un sistema de luz y espejos reflectores en la rosa de los vientos magnética . Su principio es algo similar al de los timones automáticos electrónicos de hoy en día, excepto por el moderno sistema de sensor de compuerta de flujo para pilotos automáticos . El piloto automático Casel, que incluía una serie de luces indicadoras de control verdes, rojas y blancas, utilizaba un motor eléctrico para actuar sobre el timón principal. Aunque su principio básico era sólido y resultó útil en algunas secciones de la travesía, resultó ser demasiado ligero para un pequeño barco húmedo y vibrante y tuvo problemas. Marin Marie, aunque agradecido en algunas ocasiones, generalmente detestaba el temperamental dispositivo, especialmente cuando descubrió que Casel había escondido inadvertidamente sus reservas de vino de Burdeos en el compartimento del piloto automático, condenándolo involuntariamente a una travesía abstemia del Atlántico de unos 20 días.
El gobierno electrónico automático se controla mediante un sistema electrónico que funciona según uno o más sensores de entrada, siempre al menos una brújula magnética y, a veces, la dirección del viento o la posición GPS en relación con un punto de referencia elegido. El módulo electrónico calcula el movimiento de gobierno necesario y un mecanismo de accionamiento (normalmente eléctrico, aunque puede ser hidráulico en sistemas más grandes) hace que el timón se mueva en consecuencia.
Existen varias posibilidades para la interconexión entre el mecanismo de propulsión y el sistema de gobierno convencional. En los yates, los tres sistemas más habituales son:
Dependiendo de la sofisticación de la unidad de control (por ejemplo, piloto automático, plotter conectado al volante , etc.), el mecanismo de gobierno automático electrónico se puede programar para mantener un cierto rumbo de brújula, para mantener un cierto ángulo con el viento (de modo que los barcos de vela no necesiten cambiar el ajuste de las velas), para dirigir hacia una cierta posición, o cualquier otra función que pueda definirse razonablemente. Sin embargo, la cantidad de energía requerida por los actuadores eléctricos, especialmente si están constantemente en acción debido a las condiciones del mar y el clima, es una consideración seria. Los cruceros de larga distancia, que no tienen una fuente externa de electricidad y a menudo no hacen funcionar sus motores para propulsarse, generalmente tienen presupuestos de energía relativamente estrictos y no usan gobierno eléctrico durante ningún período de tiempo. Como los sistemas de piloto automático electrónico requieren electricidad para funcionar, muchos barcos también hacen uso de paneles solares fotovoltaicos (PV) o pequeñas turbinas eólicas en el barco. Esto elimina la contaminación adicional y reduce los costos. [3]
El objetivo principal de un mecanismo de gobierno automático mecánico es mantener un velero en un rumbo determinado hacia el viento aparente y liberar al timonel de la tarea de gobernar. Un efecto secundario ventajoso es que las velas se mantienen en un ángulo óptimo hacia el viento aparente y, de ese modo, proporcionan una fuerza de propulsión óptima. Incluso en veleros que navegan a motor, el mecanismo de gobierno automático se puede utilizar para mantener el barco en dirección al viento para colocar o cambiar fácilmente las velas (excepción: principio de escota a caña).
Como sensores de dirección del viento se utilizan
a) una veleta montada sobre un eje que se inclina más o menos hacia el horizonte (gobierno automático de veleta)
b) la presión del viento en la(s) vela(s) y, por tanto, la fuerza sobre la escota (gobierno automático de escota a caña).
Los diferentes principios mecánicos de acoplamiento de un cambio en la dirección del viento aparente mecánicamente con un actuador de cambio de rumbo (timón) se pueden agrupar aproximadamente en:
Las unidades de gobierno automático mecánicas son fabricadas por varios fabricantes, [4] pero la mayoría de los sistemas producidos hoy comparten el mismo principio (timón oscilante servo, ver más abajo). Además de su necesidad de energía eléctrica, muchos cruceros de larga distancia observan que la maquinaria de gobierno automático electrónico es compleja y es poco probable que se pueda reparar sin piezas de repuesto en áreas remotas [ cita requerida ] . Por el contrario, el engranaje de paletas ofrece al menos la posibilidad de una reparación improvisada en el mar, y generalmente se puede reconstruir en tierra usando piezas no específicas (a veces piezas de plomería) por un soldador o maquinista local [ cita requerida ] . Para minimizar la pérdida de velocidad por el mecanismo de gobierno automático es esencial tener las velas del barco equilibradas con poca carga en el timón antes de intentar activar el gobierno automático. Con las velas correctamente ajustadas, el equilibrio de fuerza del remo servo y el timón principal o auxiliar se minimiza de esa manera, de modo que se logran los ángulos de ataque más bajos del timón y el remo servo hacia el flujo de agua. Sin embargo, normalmente se necesita cierta experimentación y criterio para determinar los ajustes adecuados para un determinado buque y mecanismo de gobierno. Una fuente popular [ cita requerida ] sobre la tecnología contemporánea de las veletas es The Windvane Self-Steering Handbook . [5] Una contribución particularmente valiosa [ cita requerida ] del libro de Morris es su cobertura de la variedad de aleaciones utilizadas en la fabricación de engranajes de veleta. Morris admite su práctica de programar un temporizador de cocina durante media hora a la vez y dormir mientras el dispositivo de gobierno de la veleta controla el timón, incluso con vientos en contra de 25 a 35 nudos. En una entrevista reciente, dijo que una vez estuvo a punto de ser golpeado por un enorme carguero mientras dormía en su vela en el Mar Rojo. Morris señala: "Un piloto automático no habría hecho ninguna diferencia en este caso. Si hubiera estado usando un piloto automático electrónico, ese carguero todavía habría estado allí. Decidí navegar dos tercios de mi circunnavegación en solitario y acepté los riesgos que conllevaba esa decisión. Supongo que el destino estaba de mi lado".
En los antiguos sistemas de servomecanismo de aletas de centrado, el movimiento de pivote de la pala del servomotor alrededor de su eje vertical se realizaba mediante una aleta de centrado de la pala de centrado , que, sin embargo, requiere algo de fuerza debido al hecho de que la aleta de centrado se mueve en la dirección opuesta para girar la pala del servomotor. Lo mismo ocurre con una aleta de centrado, que se monta a gran distancia detrás del timón del barco, conectada a él en su extremo superior e inferior. Esta construcción se llama "The Saye's Rigg". Otra versión de gobierno automático con veleta en los barcos de vela se conoce como veleta de eje vertical y, por lo general, debido a la menor fuerza de gobierno en comparación con los dispositivos de péndulo servo, utiliza una aleta de centrado colgada del timón para controlar el rumbo del barco. La veleta gira en ángulo recto con el suelo y puede bloquearse en la aleta de centrado en cualquier posición deseada; a medida que el barco se aleja del viento, la veleta girará por el viento y arrastrará la aleta de centrado con ella, lo que a su vez hace que el timón se mueva en la dirección opuesta y, por lo tanto, corrija el rumbo. Generalmente, este tipo de gobierno automático, con un compensador, solo se puede utilizar en barcos con timones de popa (o de doble extremo colgados en popa), ya que el compensador debe montarse directamente en el timón y detrás de él para producir el efecto deseado y, por supuesto, debe controlarse incluso cuando el timón oscila de lado a lado. Esto se logra típicamente mediante el uso de una barra ranurada en la que la conexión al conjunto de paletas puede deslizarse mientras el timón gira. Estos sistemas de gobierno automático son generalmente más simples y, por lo tanto, son más fáciles de establecer y ajustar el rumbo, ya que no utilizan líneas que controlen el timón, sino que lo controlan más directamente a través de enlaces sólidos. [6] Un dispositivo relacionado se ha utilizado en algunos molinos de viento , el popelín , un pequeño molino de viento montado en ángulo recto con las velas principales que gira automáticamente la pesada capota y las velas principales hacia el viento (inventado en Inglaterra en 1745). (Cuando el viento ya está directamente en las paletas principales, el popelín permanece esencialmente inmóvil).
Sólo unos pocos fabricantes han tenido éxito con sistemas que operan un timón auxiliar directamente desde la veleta (sistemas sin servomotor: Windpilot Atlantik, Hydrovane); la imagen de la veleta mostrada utiliza este principio con la gran veleta de tela en un eje vertical (el uso de veletas con un eje casi horizontal se utiliza predominantemente).
La forma más extendida de gobierno automático, el servo pendular, se introdujo para hacer frente a la potencia necesaria para operar un timón más grande y fue un sucesor del principio de servofreno (introducido por Herbert "Blondie" Hasler ). Todos los sistemas de timón pendular servo (remo, pala) tienen en común el hecho de que la velocidad del barco a través del agua se utiliza para amplificar la pequeña fuerza que proviene de la veleta para poder girar el timón. La pala servo puede girar en su eje vertical y cuelga como un péndulo . Cuando gira alrededor de su eje vertical, el flujo de agua inicia una fuerza lateral en el área de la pala, y el fuerte movimiento de oscilación hacia el lado se utiliza para actuar sobre un timón (el timón del barco o el timón auxiliar están integrados en el sistema). Una tabla vertical estrecha, la veleta, está montada sobre un soporte de eje casi horizontal que a su vez gira alrededor de su eje vertical de modo que, cuando la embarcación se desplaza en la dirección deseada, la veleta está vertical y de canto al viento. La veleta se equilibra mediante un pequeño peso debajo del pivote, pero si la embarcación gira de modo que la tabla ya no está de canto al viento, se inclinará hacia un lado al revelarse la superficie adicional. Este movimiento se transmite mediante una serie de enlaces a una pala (o remo) en el agua, de modo que el remo gira alrededor de su eje vertical cuando la veleta gira desde su posición neutra. A medida que la pala descrita anteriormente gira, la presión del agua que pasa por ella hace que se balancee hacia un lado en el extremo de una varilla pivotada. Un área sumergida de 0,1 m 2 a 1 m de longitud de palanca a una velocidad de la embarcación de 2,5 m/s (aproximadamente 5 nudos) y un ángulo de ataque de 5° ya genera un momento de 180 N⋅m, cuando el remo tiene un perfil NACA0012. [7] La fuerza de dirección del remo servo se transmite al timón principal, lo que generalmente implica una disposición de dos líneas y cuatro o más rollos para guiar las cuerdas de dirección hasta el timón o el volante.
Los modernos dispositivos de gobierno automático con servomotor pendular con transmisión optimizada y mecánica de baja fricción se utilizan cada vez más para navegación de día y cruceros; antes se utilizaban principalmente para travesías oceánicas de larga distancia. Las mayores capacidades de vientos bajos de los dispositivos modernos optimizados permiten el gobierno a favor del viento hasta vientos aparentes de 1,3 m/s y 1,5 nudos de velocidad del barco [8] [9] , propiedades que hacen que un dispositivo de gobierno electrónico sea casi redundante y permiten cruzar la zona de calma con el gobierno automático con veleta. Un número cada vez mayor de regatistas de regatas de larga distancia utilizan el gobierno automático con veleta porque las velas siempre se mantienen en un ángulo óptimo hacia el viento y, por lo tanto, la velocidad del barco se mantiene al máximo posible.
La descripción matemática del gobierno automático servo de la veleta horizontal cubre la relación entre un error de rumbo y un ángulo de timón en estado estable para corregir el error de rumbo. La dinámica se describe mediante ecuaciones de acoplamiento de fuerza y momento. [10] [11] Se utilizan principalmente tres principios de transmisión mecánica diferentes: articulación de bloque deslizante Murray, engranaje cónico de 90°, eje Z, que debido a su geometría tienen diferentes cambios de fuerza de gobierno según el cambio de error de rumbo. [12]
En los casos en que no se puede utilizar un mecanismo de gobierno automático pendular servoaccionado puro (timón hidráulico, se necesita mucha fuerza para girar el timón), se utilizan sistemas de timón auxiliar. Consisten en un timón pendular servoaccionado acoplado directamente a un timón auxiliar que forma parte del sistema de gobierno automático. En este caso, el timón principal se utiliza para "compensar" el rumbo principal y el mecanismo de gobierno automático "gira" el timón "alrededor" de ese rumbo principal según los cambios del viento aparente.
Además del gobierno mecánico, muy extendido, mediante una veleta acoplada mecánicamente al timón o un timón oscilante servo, existe un principio de gobierno mecánico denominado "escota a caña". Rollo Gebhard cruzó el Atlántico en su Solveig de 5,6 m de eslora utilizando este método. El gobierno automático de escota a caña consiste en una conexión entre la caña del timón accionada por resorte y una escota que utiliza la fuerza del viento en la vela para dirigir el barco.
Durante mucho tiempo, los sistemas de gobierno automático disponibles comercialmente no se desarrollaron mucho. La mayoría de los nuevos desarrollos se produjeron en forma de sistemas de construcción propia. El papel decisivo lo desempeñaron Walt Murray, un estadounidense que publicó sus diseños en su sitio web [13] y el holandés Jan Alkema, que desarrolló una nueva veleta, la denominada veleta invertida (USD, por sus siglas en inglés, disponible comercialmente sólo por dos marcas) y un nuevo tipo de sistema de péndulo servo que podía instalarse en barcos con un timón colgado en la popa. Por esta última invención, Jan Alkema recibió el premio John Hogg de la AYRS (Amateur Yacht Research Society) en 2005. Jan Alkema publicó muchos de sus inventos en el sitio web de Walt Murray [13] .
En 2010, Joern Heinrich añadió un mecanismo [14] que utiliza el ángulo de balanceo del barco en situación de viento de cola para un ángulo de ataque del remo servo correctivo que aumenta la estabilidad del rumbo y reduce el riesgo de viraje en mares de popa. [15] Joern Heinrich también publicó un mecanismo [16] que utiliza una aleta en el agua para compensar el cambio aparente del viento durante la aceleración/desaceleración de yates multicasco con mayor potencial de velocidad, como catamaranes y trimaranes , en ráfagas. Heinrich aplica su propio software de simulación paramétrica VaneSim [17] para optimizar los dispositivos de gobierno automático de veleta según las propiedades del barco.
Algunos veleros autogobernables notables incluyen: