El equipo de gobierno automático es un equipo utilizado en los veleros para mantener un rumbo o punto de navegación elegido sin la acción humana constante. [1]
El gobierno automático mecánico o " veleta " comenzó como una forma de mantener el rumbo de los modelos de veleros. Antes de la llegada del radiocontrol, las carreras de yates en miniatura (iniciadas 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 contaba como una penalización en el resultado final. Inicialmente se ideó un sistema de contrapeso en los timoneles para compensar el mal tiempo del timón cuando el modelo de barco escoraba con una ráfaga. Estos toscos sistemas 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 afinado de cuadrante en la mecha 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 paletas , que se basaba en una pequeña paleta 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 impulsados por paletas posteriores que se vieron en yates transatlánticos, como el timón automático de Blondie Hasler . Algunos marineros transatlánticos en solitario utilizaron una forma tosca 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, la primera en un velero llamado Winnibelle II y en segundo lugar en una pinaza a motor llamada Arielle .
La autodirección a bordo del Winnibelle II en su cruce del Atlántico desde Douarnenez , Francia, hasta Nueva York en 1933 era algo similar a un engranaje Braine, usando foques gemelos (Trinquettes jumelles) con sus escotas conectadas al timón a través de una serie de bloques y líneas. El Winnibelle II de quilla larga era perfectamente estable en el rumbo en los puntos de navegación de ceñida o de alcance de manga, pero el sistema de doble foque autodireccional podía tomar el control en los tramos amplios y en los puntos de navegación más complicados a favor del viento.
En la pequeña pinaza a motor Arielle , un barco de 13 metros propulsado por un motor diésel Baudouin de fabricación francesa de 65 CV que navegó de Nueva York a Le Havre en 1936, la tarea de dirigir un barco a motor en las olas del Atlántico era más difícil. Arielle tenía dos timones; el principal debajo del casco, en la carrera de hélice, era para gobierno manual y el timón auxiliar más pequeño estaba montado en el espejo de popa. Este timón auxiliar podría ser accionado mecánicamente mediante una veleta especial montada sobre el techo de la cabina, que consta de 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 ligeras o en calma.
Mientras Marin Marie estaba equipando a Arielle en Nueva York, un inventor francés llamado Casel se le acercó y le ofreció instalarle un piloto automático eléctrico de su invento, de forma gratuita. El piloto automático de Casel utilizaba las entonces revolucionarias células fotoeléctricas y un sistema de luz y espejos reflectantes situados en la rosa de los vientos magnética . Su principio es algo similar al de los cascos automáticos electrónicos modernos, excepto el moderno sensor de compuerta de flujo para el sistema de piloto automático. El piloto automático de Casel, que incluía una serie de luces de control reveladoras de color verde, rojo y blanco, utilizaba un motor eléctrico para actuar sobre el timón principal. Aunque su principio básico era sólido y útil en algunas secciones del pasaje, resultó ser demasiado liviano para un pequeño bote mojado y vibrante y estaba plagado de problemas. Marin Marie, aunque agradecido en algunas ocasiones, en general detestaba el temperamental dispositivo, especialmente cuando descubrió que Casel había escondido inadvertidamente sus reservas de vino de Burdeos en el compartimiento del piloto automático, condenándolo de mala gana a una travesía abstemia del Atlántico de unos 20 días.
El autogobierno electrónico se controla mediante dispositivos electrónicos que funcionan según uno o más sensores de entrada, invariablemente al menos una brújula magnética y, a veces, la dirección del viento o la posición GPS frente a un punto de referencia elegido. El módulo electrónico calcula el movimiento de dirección requerido y un mecanismo de accionamiento (generalmente eléctrico, aunque posiblemente hidráulico en sistemas más grandes) hace que el timón se mueva en consecuencia.
Existen varias posibilidades para la interfaz entre el mecanismo de accionamiento y el sistema de dirección convencional. En los yates, los tres sistemas más habituales son:
Dependiendo de la sofisticación de la unidad de control (p. ej., piloto del timón, plotter conectado al volante , ...), el sistema de gobierno automático electrónico se puede programar para mantener un determinado rumbo de la brújula, para mantener un cierto ángulo con el viento (de modo que la navegación los barcos no necesitan cambiar el ajuste de sus velas), para gobernar hacia una determinada posición, o cualquier otra función que pueda definirse razonablemente. Sin embargo, la cantidad de energía requerida por los actuadores eléctricos, especialmente si están en acción constantemente debido a las condiciones climáticas y del mar, 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 la propulsión, suelen tener presupuestos de energía relativamente estrictos y no utilizan dirección eléctrica durante un período de tiempo prolongado. Como los sistemas electrónicos de piloto automático requieren electricidad para funcionar, muchos barcos también utilizan 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 el velero en un rumbo determinado hacia el viento aparente y liberar al timonel de la tarea de gobierno. Un efecto secundario ventajoso es que las velas se mantienen en un ángulo óptimo hacia el viento aparente y de este modo proporcionan una fuerza de propulsión óptima. Incluso en los veleros que funcionan con motor, el mecanismo de gobierno automático se puede utilizar para mantener el barco en dirección al viento y así izar o cambiar velas fácilmente (excepción: principio de escota a caña).
Como sensores de dirección del viento se utilizan
a) una veleta montada sobre un eje inclinado más o menos hacia el horizonte (veleta autodireccional)
b) la presión del viento en la(s) vela(s) y por tanto la fuerza sobre la(s) vela(s) hoja (hoja a timón autodireccional).
Los diferentes principios mecánicos de acoplar mecánicamente un cambio en la dirección aparente del viento con un actuador de cambio de rumbo (timón) se pueden agrupar a grandes rasgos:
Varios fabricantes fabrican unidades mecánicas de dirección automática, [4] pero la mayoría de los sistemas producidos hoy en día comparten el mismo principio (timón servopendular, ver más abajo). Además de su necesidad de energía eléctrica, muchos cruceros de larga distancia observan que la maquinaria electrónica de dirección automática es compleja y es poco probable que se pueda reparar sin repuestos 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, por lo general, un soldador o maquinista local puede reconstruirlo en tierra utilizando piezas no específicas (a veces piezas de plomería) [ 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 sistema de gobierno automático. Con las velas trimadas correctamente, se minimiza el equilibrio de fuerzas del servoremo y del timón principal o auxiliar, de manera que se consiguen los menores ángulos de ataque del timón y del servoremo hacia el flujo de agua. Sin embargo, normalmente se necesita algo de experimentación y criterio para determinar los ajustes adecuados para una embarcación y un mecanismo de gobierno determinados. Una fuente popular [ cita requerida ] sobre la tecnología de aletas de viento contemporánea es The Windvane Self-Steering Handbook . [5] Una contribución particularmente valiosa [ cita necesaria ] del libro de Morris es su cobertura de la variedad de aleaciones utilizadas en la fabricación de engranajes de paletas. Morris admite su práctica de configurar un cronómetro de cocina durante media hora cada vez y dormir mientras el dispositivo de dirección de aleta 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 atropellado 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 solo , y acepté los riesgos que conllevaba esa decisión. Supongo que el destino estaba de mi lado".
En los antiguos servosistemas trim-tab, el movimiento de pivote de la servo-cuchilla alrededor de su eje vertical se realizaba mediante una servo-pestaña del trim-tab , lo que sin embargo requiere algo de fuerza debido al hecho de que el trim-tab se mueve en la dirección opuesta. para girar la hoja del servo. Lo mismo ocurre con el compensador, que está montado a gran distancia detrás del timón del barco y conectado a él por sus extremos superior e inferior. Esta construcción se llama "The Saye's Rigg". Otra versión de autodirección de veleta en veleros se conoce como veleta de eje vertical y, por lo general, debido a la menor fuerza de dirección en comparación con los dispositivos de servo péndulo, utiliza una pestaña de compensación que cuelga del timón para controlar el rumbo del barco. . La veleta gira en ángulo recto con respecto al suelo y se puede bloquear en la pestaña de compensación en cualquier posición deseada; a medida que el barco se cae del viento, la paleta será girada por el viento y se llevará la pestaña de compensación, lo que a su vez hace que el timón moverse en la dirección opuesta y así corregir el rumbo. Generalmente, la dirección automática como esta, con una pestaña de compensación, solo se puede usar en embarcaciones con timones en el espejo de popa (o con extremos dobles colgados en popa), ya que la pestaña de compensación debe montarse directamente hacia y detrás del timón para producir el efecto deseado y, por supuesto, debe controlarse incluso cuando el timón oscila de un lado a otro. Esto normalmente se logra mediante el uso de una barra ranurada en la que la conexión al conjunto de paletas puede deslizarse cuando gira el timón. Estos sistemas de dirección automática son generalmente más simples y, por lo tanto, 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 , la cola de milano , un pequeño molino de viento montado en ángulo recto con respecto a las velas mayores que automáticamente gira la pesada capota y las velas mayores hacia el viento (inventado en Inglaterra en 1745). (Cuando el viento ya está directamente en las paletas principales, la cola de milano permanece esencialmente inmóvil).
Sólo unos pocos fabricantes han tenido éxito con sistemas que accionan un timón auxiliar directamente desde la aleta (sistemas sin servo: Windpilot Atlantik, Hydrovane); la imagen de la veleta que se muestra utiliza este principio con la veleta de tela grande en un eje vertical (se utiliza predominantemente el uso de veletas con un eje casi horizontal).
La forma más extendida de autodirección, el servo péndulo, se introdujo para hacer frente a la potencia necesaria para operar un timón más grande y fue un sucesor del principio del servo trim tab (introducido por Herbert "Blondie" Hasler ). Lo común a todos los sistemas de timón servopéndulo (remo, pala) es el hecho de que la velocidad del barco a través del agua se utiliza para amplificar la pequeña fuerza proveniente de la veleta para poder girar el timón. La servopala se puede girar en su eje vertical y se cuelga como un péndulo . Cuando se gira alrededor de su eje vertical, el flujo de agua inicia una fuerza lateral en la zona de la pala, y el fuerte movimiento de oscilación lateral se utiliza para actuar sobre un timón (el timón de 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 el barco viaja en la dirección deseada, la veleta está vertical y de canto al viento. La veleta se equilibra con un pequeño peso debajo del pivote, pero si el barco gira de modo que la tabla ya no esté de canto contra el viento, será arrastrada hacia un lado a medida que se revela 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 neutral. A medida que la hoja descrita anteriormente gira, la presión del agua que pasa hace que se balancee hacia los lados en el extremo de una varilla pivotante. Una zona sumergida de 0,1 m 2 con una longitud de palanca de 1 m a una velocidad del barco de 2,5 m/s (aproximadamente 5 nudos) y un ángulo de ataque de 5° genera ya 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 normalmente implica una disposición de dos líneas y cuatro o más rodillos para guiar las cuerdas de dirección hasta el timón o el volante.
Los modernos dispositivos de dirección automática servopéndulo con transmisión optimizada y mecánica de baja fricción se utilizan cada vez más para la navegación diurna y los cruceros; Anteriormente se utilizaba principalmente para pasos oceánicos de larga distancia. Las mayores capacidades de viento bajo de dispositivos modernos y optimizados permiten un gobierno a favor del viento hasta 1,3 m/s de viento aparente y 1,5 kn de velocidad de la embarcación [8] [9] , propiedades que hacen que un dispositivo de gobierno electrónico sea casi redundante y permite cruzar los estancamientos bajo el viento. paletas autodireccionales. Un número cada vez mayor de regatistas de larga distancia utilizan veletas autogobernables 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 servogobierno de aleta horizontal cubre la relación de un error de rumbo con un ángulo de timón en estado estacionario 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: junta deslizante Murray, engranaje cónico de 90° y eje Z, que debido a su geometría tienen diferentes cambios de fuerza de dirección según el cambio de error de rumbo. [12]
En los casos en que no se puede utilizar un mecanismo de dirección automática de péndulo servo puro (engranaje de timón hidráulico, se necesita una fuerza muy grande para girar el timón), se utilizan sistemas de timón auxiliares. Consisten en un timón servopendular acoplado directamente a un timón auxiliar que forma parte del sistema de gobierno automático. En tal caso, el timón principal se utiliza para "compensar" el rumbo principal y el mecanismo de dirección automática gira "alrededor" de ese rumbo principal de acuerdo con los cambios del viento aparente.
Aparte de la generalizada autodirección mecánica mediante una veleta acoplada mecánicamente al timón o un timón servopendular, existe un principio de autodirección mecánica llamado "hoja a timón". Rollo Gebhard cruzó el Atlántico con su Solveig de 5,6 m de largo con este método. El gobierno automático de escota a caña consiste en una conexión entre la caña de timón accionada por un resorte y una escota utilizando la fuerza del viento en la vela para gobernar el barco.
Durante bastante tiempo hubo poco desarrollo en los sistemas de dirección automática disponibles comercialmente. La mayoría de los nuevos desarrollos llegaron en forma de sistemas de construcción propia. Un papel crucial lo desempeñó Walt Murray, un estadounidense que publicó sus diseños en su sitio web. [13] y el holandés Jan Alkema, que desarrolló una nueva paleta de viento, la llamada paleta de viento invertida (USD para abreviar, disponible comercialmente en sólo dos marcas) y un nuevo tipo de sistema de servo péndulo que podría instalarse en embarcaciones con espejo de popa. timón colgado. Por este último invento, 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]
Joern Heinrich añadió en 2010 un mecanismo [14] que utiliza el ángulo de balanceo del barco en situación de sotavento para un ángulo de ataque del servoremo correccional que aumenta la estabilidad del rumbo y reduce el riesgo de zozobra en mares posteriores. [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 aleta según las propiedades del barco.
Algunos veleros autónomos notables incluyen: