La resistencia a la formación de olas es una forma de resistencia que afecta a las embarcaciones de superficie, como botes y barcos, y refleja la energía necesaria para empujar el agua fuera del camino del casco. Esta energía se utiliza para crear la ola.
Para cascos de pequeño desplazamiento , como veleros o botes de remos, la resistencia a las olas es la principal fuente de resistencia de la embarcación marina .
Una propiedad destacada de las ondas del agua es la dispersividad; es decir, cuanto mayor es la longitud de onda, más rápido se mueve. Las olas generadas por un barco se ven afectadas por su geometría y velocidad, y la mayor parte de la energía que proporciona el barco para formar olas se transfiere al agua a través de la proa y la popa. En pocas palabras, estos dos sistemas de ondas, es decir, las ondas de proa y de popa, interactúan entre sí y las ondas resultantes son responsables de la resistencia. Si la ola resultante es grande, transporta mucha energía fuera del barco, entregándola a la orilla o donde sea que termine la ola o simplemente disipándola en el agua, y esa energía debe ser suministrada por la propulsión (o impulso) del barco. , de modo que el barco lo experimente como arrastre. Por el contrario, si la onda resultante es pequeña, la resistencia experimentada es pequeña.
La cantidad y dirección (aditiva o sustractiva) de la interferencia depende de la diferencia de fase entre las ondas de proa y popa (que tienen la misma longitud de onda y velocidad de fase), y eso es función de la eslora del barco en la línea de flotación. Para una velocidad dada del barco, la diferencia de fase entre la onda de proa y la onda de popa es proporcional a la eslora del barco en la línea de flotación. Por ejemplo, si el barco tarda tres segundos en recorrer su propia longitud, entonces en algún momento el barco pasa, se inicia una onda de popa tres segundos después de una onda de proa, lo que implica una diferencia de fase específica entre esas dos ondas. Por tanto, la eslora de la línea de flotación del barco afecta directamente la magnitud de la resistencia a la formación de olas.
Para una longitud de línea de flotación determinada, la diferencia de fase depende de la velocidad de fase y la longitud de onda de las olas, y éstas dependen directamente de la velocidad del barco. Para una onda de aguas profundas, la velocidad de fase es la misma que la velocidad de propagación y es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de onda . Esa longitud de onda depende de la velocidad del barco.
Por tanto, la magnitud de la resistencia a la formación de olas es función de la velocidad del barco en relación con su eslora en la línea de flotación.
Una forma sencilla de considerar la resistencia a la formación de olas es observar el casco en relación con las olas de proa y popa. Si la eslora de un barco es la mitad de la longitud de las olas generadas, la ola resultante será muy pequeña debido a la cancelación, y si la longitud es igual a la longitud de onda, la ola será grande debido al realce.
La velocidad de fase de las ondas viene dada por la siguiente fórmula:
¿Dónde está la longitud de la onda y la aceleración gravitacional? Sustituyendo el valor apropiado por se obtiene la ecuación:
o, en unidades métricas :
Estos valores, 1,34, 2,5 y muy fácil 6, se utilizan a menudo en la regla general de velocidad del casco utilizada para comparar velocidades potenciales de cascos de desplazamiento, y esta relación también es fundamental para el número de Froude , utilizado en la comparación de diferentes escalas de embarcaciones. .
Cuando el barco excede una " relación velocidad-eslora " (velocidad en nudos dividida por la raíz cuadrada de la longitud en pies) de 0,94, comienza a dejar atrás la mayor parte de su ola de proa , el casco en realidad se asienta ligeramente en el agua como ahora está solo sostenido por dos picos de onda. Como el barco excede una relación velocidad-longitud de 1,34, la longitud de onda ahora es más larga que el casco y la popa ya no está sostenida por la estela, lo que hace que la popa se agache y la proa se eleve. El casco ahora comienza a subir su propia ola de proa y la resistencia comienza a aumentar a un ritmo muy alto. Si bien es posible impulsar un casco de desplazamiento más rápido que una relación velocidad-longitud de 1,34, hacerlo es prohibitivamente caro. La mayoría de los buques grandes operan con relaciones velocidad-eslora muy por debajo de ese nivel, con relaciones velocidad-eslora inferiores a 1,0.
Dado que la resistencia a la formación de olas se basa en la energía necesaria para empujar el agua fuera del camino del casco, hay varias formas de minimizar esto.
Reducir el desplazamiento de la embarcación, eliminando el exceso de peso, es la forma más sencilla de reducir la resistencia que genera las olas. Otra forma es darle forma al casco para generar sustentación a medida que se mueve a través del agua. Los cascos de semidesplazamiento y de planeo hacen esto, y son capaces de romper la barrera de velocidad del casco y hacer la transición a un reino donde la resistencia aumenta a un ritmo mucho menor. La desventaja de esto es que el planeo sólo es práctico en embarcaciones más pequeñas, con una alta relación potencia-peso, como las lanchas a motor. No es una solución práctica para un buque grande como un superpetrolero .
Un casco con una proa roma tiene que empujar el agua muy rápidamente para poder atravesarlo, y esta alta aceleración requiere grandes cantidades de energía. Al utilizar un arco fino , con un ángulo más agudo que empuja el agua fuera del camino de manera más gradual, la cantidad de energía necesaria para desplazar el agua será menor. Una variación moderna es el diseño que perfora las olas . La cantidad total de agua que será desplazada por un casco en movimiento, y que por lo tanto causará la resistencia de las olas, es el área de la sección transversal del casco multiplicada por la distancia que recorre el casco, y no permanecerá igual cuando se aumente el coeficiente prismático para el mismo lwl y mismo desplazamiento y misma velocidad.
Un tipo especial de arco, llamado arco bulboso , se utiliza a menudo en grandes embarcaciones de motor para reducir la resistencia que generan las olas. La bombilla altera las ondas generadas por el casco, cambiando la distribución de presión delante de la proa. Debido a la naturaleza de su interferencia destructiva con la ola de proa, existe un rango limitado de velocidades de embarcaciones sobre las cuales es efectivo. Una proa bulbosa debe diseñarse adecuadamente para mitigar la resistencia a la formación de olas de un casco en particular en un rango particular de velocidades. Una bombilla que funcione para la forma del casco de una embarcación y un rango de velocidades podría ser perjudicial para una forma de casco diferente o un rango de velocidad diferente. Por lo tanto, al diseñar una proa bulbosa es necesario un diseño adecuado y un conocimiento de las velocidades y condiciones operativas previstas para un barco.
Si el casco está diseñado para operar a velocidades sustancialmente menores que la velocidad del casco , entonces es posible refinar la forma del casco a lo largo de su longitud para reducir la resistencia a las olas a una velocidad. Esto es práctico sólo cuando el coeficiente de bloque del casco no es un tema importante.
Dado que los cascos de semidesplazamiento y planeo generan una cantidad significativa de sustentación en funcionamiento, son capaces de romper la barrera de la velocidad de propagación de las ondas y operar en ámbitos de resistencia mucho menor, pero para hacer esto primero deben ser capaces de superar esa barrera. velocidad, lo que requiere una potencia significativa. Esta etapa se llama etapa de transición y en esta etapa la tasa de resistencia a la formación de olas es la más alta. Una vez que el casco supera la joroba de la ola de proa, la tasa de aumento de la resistencia de la ola comenzará a reducirse significativamente. [1] El casco de planeo se elevará limpiando la popa del agua y su asiento será alto. La parte submarina del casco de planeo será pequeña durante el régimen de planeo. [2]
Una interpretación cualitativa del gráfico de resistencia de las olas es que un casco de desplazamiento resuena con una ola que tiene una cresta cerca de su proa y un valle cerca de su popa, porque el agua es empujada hacia la proa y retirada hacia la popa. Un casco de planeo simplemente empuja el agua debajo de él, por lo que resuena con una ola que tiene un canal debajo. Si tiene aproximadamente el doble de longitud, tendrá sólo raíz cuadrada (2) o 1,4 veces la velocidad. En la práctica, la mayoría de los cascos de planeo suelen moverse mucho más rápido que eso. A una velocidad cuatro veces mayor que la del casco, la longitud de onda ya es 16 veces más larga que la del casco.
