La estabilidad de los buques es un área de la arquitectura naval y del diseño de buques que estudia el comportamiento de un buque en el mar, tanto en aguas tranquilas como en olas, ya sea intacto o averiado. 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 barcos, en lo que respecta a la arquitectura naval, se ha tenido en cuenta durante cientos de años. Históricamente, los cálculos de estabilidad de los barcos se basaban en cálculos empíricos , a menudo vinculados a un sistema de medición específico. Algunas de estas ecuaciones muy antiguas siguen utilizándose en los libros de arquitectura naval en la actualidad. Sin embargo, la aparición de métodos basados en el cálculo para determinar la estabilidad, en particular la introducción del concepto de metacentro por parte de Pierre Bouguer en la cuenca del modelo de barco de la década de 1740 , permiten un análisis mucho más complejo.
Los maestros constructores navales del pasado utilizaban un sistema de diseño adaptable y variable. Los barcos se copiaban a menudo de una generación a la siguiente con solo 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 fluidos y barcos han permitido un diseño mucho más analítico.
Los mamparos transversales y longitudinales impermeables se introdujeron en los diseños de acorazados entre 1860 y la década de 1880, y los mamparos anticolisión se habían hecho obligatorios en los buques mercantes de vapor británicos antes de 1860. [1] Antes de esto, una brecha en el casco en cualquier parte de un buque podía inundar toda su longitud. Los mamparos transversales, aunque caros, aumentan la probabilidad de supervivencia del buque en caso de daño en el casco, al limitar la inundación a los compartimentos rotos que separan de los que no están 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 buques 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 el asiento del buque.
Los sistemas de estabilidad adicionales están diseñados para reducir los efectos de las olas y las ráfagas de viento. No aumentan la estabilidad de un buque en mares en calma. El Convenio Internacional sobre Líneas de Carga de la Organización Marítima Internacional no cita los 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 utilizan en pares (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 un barco se inclina, lo que limita la cantidad de balanceo.
Los estabilizadores se pueden utilizar en los buques para reducir el balanceo, ya sea mediante la fuerza necesaria para sumergir los flotadores flotantes o mediante láminas hidrodinámicas. En algunos casos, estos estabilizadores son de tamaño suficiente para clasificar al buque 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 costado de babor del tanque hasta el costado de estribor. Están diseñados para que una mayor cantidad de agua quede atrapada en el costado más alto del buque. Su objetivo es contrarrestar el efecto de la superficie libre .
Los barcos de navegación lenta, como los pesqueros, pueden utilizar paravanes para reducir el balanceo.
Los sistemas de estabilidad activa, presentes 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 buque o tanques en los que se bombea fluido para contrarrestar el movimiento del buque.
Los estabilizadores de aletas activas reducen el balanceo que experimenta una embarcación mientras está en movimiento o, más recientemente, cuando está en reposo. Se extienden más allá del casco de la embarcación por debajo de la línea de flotación y modifican su ángulo de ataque en función del ángulo de escora y de la velocidad de balanceo de la embarcación, y funcionan de manera similar a los alerones de los aviones . Los cruceros y los yates utilizan con frecuencia este tipo de sistema estabilizador.
Cuando las aletas no son retráctiles, constituyen apéndices fijos del casco, posiblemente ampliando la manga o la envolvente de calado y requiriendo atención para obtener espacio libre adicional en el casco.
Si bien el típico estabilizador de "aleta activa" contrarresta eficazmente el balanceo de los barcos en movimiento, algunos sistemas de aletas activas modernos pueden reducir el balanceo cuando los barcos no están en movimiento. Estos sistemas, conocidos como de velocidad cero o de estabilización en reposo, funcionan moviendo aletas especialmente diseñadas con suficiente aceleración y sincronización de impulsos para crear una energía eficaz de cancelación del balanceo.
En caso de que un barco esté en movimiento, un cambio rápido de timón no solo 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 puede ser utilizado por un algoritmo de control para dirigir simultáneamente el barco y reducir sus movimientos de balanceo. Este sistema se conoce generalmente como "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 alta, 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 mecanismo de gobierno de alta calidad y el refuerzo de la popa del barco, esta opción de estabilización ofrece una mejor economía que las aletas estabilizadoras. Requiere menos instalaciones, es menos vulnerable y causa menos resistencia. Además, los componentes de alta calidad necesarios proporcionan excelentes propiedades de dirección incluso en los períodos en los que no se requiere reducción del balanceo y una reducción significativa del ruido submarino. Los buques de guerra 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 en buques de guerra y, más tarde, en transatlánticos de pasajeros. El uso más ambicioso de grandes giroscopios para controlar el balanceo de un barco fue 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 resultó exitoso en la reducción drástica del balanceo en los viajes hacia el oeste, el sistema tuvo que desconectarse en el tramo hacia el este por razones de seguridad. Esto se debió a que con un mar de popa (y los balanceos lentos y profundos que esto generaba) el barco tendía a "colgarse" con el sistema encendido, y la inercia que generaba dificultaba que el barco se enderezara por sí mismo tras fuertes balanceos. [2]
Los estabilizadores giroscópicos constan de un volante giratorio y una precesión giroscópica que impone un par de torsión que endereza la embarcación sobre la estructura del casco. El momento angular del volante del giroscopio es una medida del grado en que el volante seguirá girando sobre su eje a menos que actúe sobre él un par de torsión externo. Cuanto mayor sea el momento angular, mayor será la fuerza de resistencia del giroscopio al par de torsión externo (en este caso, mayor será la capacidad de cancelar el balanceo de la embarcación).
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 sobre el que gira el volante y es vertical en el caso de un giroscopio de barco. El eje de entrada es el eje sobre el que se aplican los pares de entrada. En un barco, el eje de entrada principal es el eje longitudinal del barco, ya que es el eje alrededor del cual gira el barco. El eje de salida principal es el eje transversal (transversal) sobre el que el giroscopio gira o precesa en reacción a una entrada.
Cuando el barco se balancea, la rotación actúa como una entrada para el giroscopio, lo que hace que este genere rotación alrededor de su eje de salida, de modo que el eje de giro gira para alinearse con el eje de entrada. Esta rotación de salida se denomina precesión y, en el caso del barco, el giroscopio rotará hacia adelante y hacia atrás alrededor del eje de salida o cardán.
El momento angular es la medida de la eficacia de un estabilizador giroscópico, análoga a la potencia nominal de un motor diésel o a los kilovatios de un generador. En las especificaciones de los estabilizadores giroscópicos, 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 para controlar los estabilizadores de aleta 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 accionamiento generadas por tubos de vacío de tiratrón . [3]
Cuando se diseña un casco, se realizan cálculos de estabilidad para el estado intacto y dañado del buque. Los buques suelen diseñarse para superar ligeramente los requisitos de estabilidad (a continuación), ya que suelen ser sometidos a pruebas de una sociedad de clasificación .
Los cálculos de estabilidad intacta son relativamente sencillos e implican tomar todos los centros de masa de los objetos en el buque, que luego se computan/calculan para identificar el centro de gravedad del buque y el centro de flotabilidad del casco. Por lo general, se tienen en cuenta la disposición y las cargas de la carga, las operaciones de la grúa 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 buque permanece estable. El buque es estable porque, a medida que comienza a escorarse, 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 hacia afuera del centro de gravedad a medida que el buque escora. Una línea dibujada desde el centro de flotabilidad en una condición ligeramente escorada verticalmente intersectará la línea central en un punto llamado metacentro. Mientras el metacentro esté más arriba de la quilla que el centro de gravedad, el barco estará estable en condición vertical.
La estabilidad intacta de los buques en el mar está regida por la norma de la Organización Marítima Internacional (OMI), el Código Internacional de Estabilidad Intacta . [4]
Los cálculos de estabilidad de daños son mucho más complicados que los de estabilidad intacta. Normalmente se emplean programas que utilizan métodos numéricos porque calcular las áreas y los volúmenes con otros métodos puede resultar tedioso y largo.
La pérdida de estabilidad por inundaciones puede deberse en parte al efecto de superficie libre. El agua que se acumula en el casco suele drenar hacia las sentinas, lo que baja el centro de gravedad y, de hecho, aumenta la altura metacéntrica . Esto supone que el barco permanece estacionario y en posición vertical. Sin embargo, una vez que el barco se inclina en cualquier grado (por ejemplo, si una ola lo golpea), el líquido en la sentina se mueve hacia el lado inferior. Esto da como resultado una escora .
La estabilidad también se reduce en caso de inundación cuando, por ejemplo, un tanque vacío se llena con agua de mar. La pérdida de flotabilidad del tanque hace que esa sección del barco se hunda ligeramente en el agua. Esto crea una escora a menos que el tanque esté en la línea central del buque.
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 este contenido es más liviano que el agua de mar (por ejemplo, petróleo liviano), se pierde flotabilidad y la sección desciende ligeramente en el agua en consecuencia.
En el caso de los buques mercantes y, cada vez más, de los buques de pasajeros, los cálculos de estabilidad ante daños son de naturaleza probabilística. Es decir, en lugar de evaluar el fallo de un compartimento del buque, se evaluará también una situación en la que se inunden dos o incluso tres compartimentos. Se trata de un concepto en el que la probabilidad de que un compartimento sufra daños se combina con las consecuencias para el buque, lo que da como resultado un índice de estabilidad ante daños que debe cumplir determinadas normativas.
Para que las sociedades de clasificación como Bureau Veritas , American Bureau of Shipping , Lloyd's Register of Ships , Korean Register of Shipping y Det Norske Veritas puedan aceptar los planos del buque, es necesario que la sociedad de clasificación los revise de forma independiente. También es necesario que se proporcionen cálculos que sigan una estructura descrita en las normas del país en el que se pretende enarbolar el pabellón del buque.
En este marco, los distintos países establecen requisitos que deben cumplirse. En el caso de los buques con bandera estadounidense, los planos y los cálculos de estabilidad se comparan con el Código de Reglamentos Federales de los Estados Unidos y las convenciones de la Convención Internacional para la Seguridad de la Vida en el Mar (SOLAS). Los buques deben ser estables en las condiciones para las que están diseñados, tanto en estado intacto como dañado. La extensión del daño que se requiere para el diseño está incluida en las regulaciones. El agujero supuesto se calcula como fracciones de la eslora y la manga del buque, y se debe colocar en el área del buque donde causaría el mayor daño a la estabilidad del mismo.
Además, las normas de la Guardia Costera de los Estados Unidos se aplican a los buques que operan en puertos y aguas estadounidenses. Por lo general, estas normas de la Guardia Costera se refieren a una altura metacéntrica mínima o un momento adrizante mínimo. Dado que los distintos países pueden tener requisitos diferentes para la altura metacéntrica mínima, la mayoría de los buques están equipados actualmente con ordenadores de estabilidad que calculan esta distancia sobre la marcha en función de la carga o de la tripulación. Hay muchos programas informáticos disponibles comercialmente que se utilizan para esta tarea.
Dependiendo de la clase de buque, se requiere llevar a bordo una carta de estabilidad o un folleto de estabilidad. [5] [6]