La navegación de alto rendimiento se logra con una baja resistencia de la superficie delantera (como la que encuentran los catamaranes , los hidroplanos de vela , los barcos de hielo o las embarcaciones de vela terrestre ), ya que la embarcación de vela obtiene potencia motriz con sus velas o perfiles aerodinámicos a velocidades que a menudo son más rápidas que el viento tanto en los puntos de vela de barlovento como de sotavento. La navegación más rápida que el viento significa que el ángulo de viento aparente experimentado por la embarcación en movimiento siempre está por delante de la vela. [1] Esto ha generado un nuevo concepto de navegación, llamado "navegación con viento aparente", que implica un nuevo conjunto de habilidades para sus practicantes, incluida la bordada en los puntos de vela de sotavento. [2]
Frank Bethwaite ofrece la siguiente cronología de los avances clave en la tecnología de navegación que proporcionaron los elementos esenciales de la navegación de alto rendimiento: [2]
Las embarcaciones de alto rendimiento que pueden superar la velocidad del viento real incluyen catamaranes de vela y embarcaciones de vela con foils. Los barcos de hielo y las embarcaciones de vela terrestre suelen ser capaces de hacerlo. También hay vehículos propulsados por viento que pueden viajar más rápido que el viento, como el Blackbird propulsado por rotor , que quedan fuera del alcance de este artículo.
A partir de 1975, los esquifes de 18 pies navegaban a favor del viento a una velocidad superior a la del viento, lo que significaba que tenían que virar en lugar de trasluchar para cambiar de rumbo. [3] Otros esquifes que pueden navegar más rápido que el viento son el 29er y el 49er , ambos diseñados por Julian Bethwaite . [4]
En 2013, se anunció una nueva clase de catamarán para la America's Cup que puede alcanzar mucho más del doble de la velocidad del viento. [5] Se esperaba que los catamaranes utilizados para la America's Cup de 2013 navegaran en ceñida a 1,2 veces la velocidad del viento real y a favor del viento a 1,6 veces la velocidad del viento real. [6] [7] [8] Demostraron ser más rápidos, con un promedio de aproximadamente 1,8 veces la velocidad del viento con picos ligeramente superiores a 2,0. [9]
El catamarán Extreme 40 puede navegar a 35 nudos (65 km/h; 40 mph) con vientos de 20 a 25 nudos (37 a 46 km/h; 23 a 29 mph). [10] El catamarán International C-Class de alto rendimiento puede navegar al doble de la velocidad del viento. [11]
Existen muchas variedades de hidroplanos de vela . Entre los ejemplos de monocasco se incluyen el International Moth , el Laser y el AC75 . Los catamaranes de la Copa América han utilizado hidroplanos desde 2013. [12] Otros catamaranes con hidroplanos incluyen el Clase A, [13] la Clase C, [14] el Nacra 17, el Nacra F20, [15] y el GC32. [16]
En 2009, el trimarán hidroplano Hydroptère estableció el récord mundial de velocidad en el agua con 50,17 nudos (92,9 km/h), navegando a aproximadamente 1,7 veces la velocidad del viento. [17] [18] A finales de 2012, Vestas Sailrocket 2 logró un nuevo récord mundial de velocidad de 65,45 nudos (121,2 km/h) en el agua, a aproximadamente 2,5 veces la velocidad del viento. [19]
Los barcos de hielo en el río Hudson de Nueva York en la segunda mitad del siglo XIX tenían una longitud de 69 pies (21 m) y navegaban tan rápido como 107 millas por hora (172 km/h), un récord que excedía a cualquier otro medio de transporte en 1885, establecido por el Icicle . Los diseños de barcos de hielo que datan de mediados del siglo XX en adelante generalmente consisten en un marco triangular o en forma de cruz, sostenido por tres palas de patín llamadas "corredores", con el corredor de dirección al frente. Los corredores están hechos de hierro o acero con bordes afilados, que se sujetan al hielo, evitando el deslizamiento lateral por la fuerza lateral del viento en las velas, a medida que desarrollan sustentación propulsiva . Dada su baja resistencia hacia adelante, los barcos de hielo generalmente pueden navegar a cinco o seis veces la velocidad del viento. [3] Los barcos de hielo clásicos y los Skeeters han alcanzado velocidades de 100 a 150 millas por hora (160 a 240 km/h). Las velocidades récord son para un Skeeter: Das Boot , 155,9 millas por hora (250,9 km/h) [20] y para un barco de hielo clásico: Debutaunte , 143 millas por hora (230 km/h). [21] [22]
Navegando a favor del viento a 135° de la dirección del viento, una embarcación de vela terrestre puede navegar mucho más rápido que el viento. [23] La velocidad alcanzada a favor del viento es a menudo más del doble de rápida en comparación con la misma embarcación navegando directamente a favor del viento. [23] En 2009, el récord mundial de velocidad terrestre para un vehículo eólico fue establecido por la embarcación de vela Greenbird , navegando a aproximadamente tres veces la velocidad del viento [24] con una velocidad máxima registrada de 202,9 kilómetros por hora (126,1 mph). [25]
Si bien los barcos de hielo han podido superar la velocidad del viento, tanto en ceñida como en popa, durante un siglo, esta capacidad solo se volvió habitual con la evolución de los esquifes de 18 pies en el tercer cuarto del siglo XX, cuando su velocidad se triplicó con respecto a la de la década de 1950. Las embarcaciones que navegan más rápido que la velocidad del viento, tanto en ceñida como en popa, son capaces de virar en popa porque el viento aparente siempre está por delante del mástil. Esto dio lugar al concepto de "navegación con viento aparente". [3]
El viento aparente es la velocidad del viento (dirección y velocidad), V A , medida a bordo de una embarcación de vela en movimiento; es el efecto neto ( suma vectorial ) del viento del barco , V B —el flujo de aire sobre la embarcación inducido por su velocidad sobre la tierra (igual a en magnitud, pero opuesta en dirección a la velocidad de la embarcación)— y el viento verdadero , V T . El viento aparente medido a bordo de una embarcación a motor, viajando en condiciones de calma, V T = 0 nudos, vendría directamente de adelante y a una velocidad que es la misma que la velocidad del barco sobre el fondo (V A = V B + 0 = V B ). Si la embarcación viaja a V B = 10 nudos con un viento de cola de V T = -5 nudos, experimenta un viento aparente de V A = 5 nudos directamente en la proa (V A = V B + V T = 10 − 5). El viento aparente experimentado por una embarcación estacionaria es la velocidad del viento verdadero. Si una embarcación avanza a 90° con un viento verdadero de V T = 10 nudos, viajando a una velocidad que induce V B = 10 nudos, entonces el ángulo de viento aparente sería de 45° con respecto a la proa y la velocidad aparente del viento sería de aproximadamente 14 nudos, calculada como: raíz cuadrada [(V B ) 2 + (V T ) 2 ] = raíz cuadrada [10 2 + 10 2 ] = 14,14. A medida que la embarcación se vuelve más rápida que el viento verdadero, el viento aparente siempre está por delante de la vela. [26]
Cuando el ángulo de arrastre del casco es despreciable, las fórmulas para calcular VA y β ( el ángulo del viento aparente) son: [27]
Una vela genera sustentación con un componente propulsor hacia adelante y un componente lateral, basado en un ángulo de ataque óptimo que está limitado por el viento aparente, V A , que está delante y aproximadamente alineado con la vela. [28] [29]
Garrett introduce el teorema beta (o teorema del rumbo) como una forma de entender cómo el ángulo aparente del viento resulta de la interacción entre la fuerza impulsora del viento y la fuerza de resistencia del agua (o superficie dura), el resultado del efecto neto de dos láminas que se contrarrestan, la vela en el aire y la quilla en el agua. Cuando uno resuelve la relación entre la sustentación y la resistencia para cada uno en su medio, el movimiento resultante de la embarcación de vela se resuelve en un ángulo, beta ( β ), entre el viento aparente y el rumbo sobre el agua. El casco (debajo del agua) y el aparejo de navegación (sobre el agua) tienen cada uno un ángulo de resistencia con respecto al medio que fluye a su lado (agua o aire), son λ y α m en el diagrama adjunto. La suma de esos dos ángulos de resistencia es igual a β, el ángulo entre el viento aparente y el rumbo navegado ( β = λ + α m ). Este teorema se aplica para cada punto de la vela. Un β pequeño denota alta eficiencia y un potencial para alta velocidad. [26] A medida que aumenta la velocidad de avance, β se vuelve más pequeño; en embarcaciones de vela con láminas submarinas efectivas, el ángulo de arrastre del casco, λ , se vuelve más pequeño con el aumento de la velocidad, se vuelve insignificante con embarcaciones con hidroala y esencialmente inexistente para barcos de hielo y embarcaciones de navegación terrestre. [30]
Dada una circunstancia ideal de una superficie sin fricción y un perfil aerodinámico que puede desarrollar potencia, no existe un límite teórico a la velocidad a la que una embarcación de vela puede desplazarse con el viento a medida que el ángulo aparente del viento se vuelve cada vez más pequeño. En realidad, tanto la eficiencia de la vela como la fricción proporcionan un límite superior. La velocidad está determinada por la relación entre la potencia desarrollada por la vela y la potencia perdida a través de varias formas de resistencia (por ejemplo, resistencia de la superficie y resistencia aerodinámica). Idealmente, una vela más pequeña es mejor, a medida que aumenta la velocidad. Desafortunadamente, una vela pequeña disminuye la capacidad de una embarcación, incluso un barco de hielo, de acelerar a velocidades más rápidas que el viento. El principal límite de velocidad en embarcaciones de vela de alto rendimiento es la resistencia de forma . Los esfuerzos para superar este límite son evidentes en los cascos aerodinámicos de los barcos de hielo de alto rendimiento y las mejoras en la reducción de la resistencia en los botes de planeo. Un barco de hielo rápido puede alcanzar un viento aparente de 7,5° y una velocidad de seis veces la velocidad real del viento en un rumbo que está a 135° del viento. Bethwaite sugiere que este podría ser un límite práctico para una embarcación impulsada por velas. [3]
Los puntos de navegación en los que las embarcaciones de vela de alto rendimiento pueden alcanzar velocidades más altas y alcanzar la mejor velocidad posible en un recorrido que va desde un largo de travesía (90° respecto del viento real ) hasta un largo de travesía (a unos 135° respecto del viento real). Según Bethwaite, tras realizar mediciones comparativas con un viento real de 15 nudos (28 km/h; 17 mph), un Soling de desplazamiento puede alcanzar velocidades ligeramente superiores al viento real y navegar a 30° del viento aparente, mientras que un esquife de 18 pies que planea alcanza velocidades de casi 30 nudos (56 km/h; 35 mph) con un viento aparente de 20° y un barco de hielo puede alcanzar 67 nudos (124 km/h; 77 mph) con un viento aparente de 8°. [2]
En la navegación con viento aparente, el objetivo es mantener el viento aparente lo más adelante posible en el rumbo que se navegue para alcanzar el rumbo más rápido que se logre alcanzar el objetivo. Esto requiere una embarcación que pueda superar la velocidad del viento real, tanto en ceñida como a favor del viento; esto permite que el viento aparente se mantenga muy por delante de la vela en los rumbos navegados, los más rápidos de los cuales son los largos. Lo que se debe evitar es navegar demasiado a favor del viento, donde el viento aparente se mueve detrás de la vela y la velocidad cae por debajo de la velocidad del viento real a medida que el rumbo tiende de un largo amplio a un rumbo recto (viento muerto a favor del viento). [3]
Dependiendo de la embarcación en la que se navegue, el rumbo trazado en contra del viento puede alejarse de su punto más cercano en contra del viento para permitir que la embarcación navegue a una velocidad óptima. [3] Bethwaite explica que navegar a alta velocidad exige una acción independiente tanto del timón como de la escota mayor, por lo que la persona al timón evita responder a las ráfagas y, en cambio, afloja la escota mayor según sea necesario, aumentando así la velocidad del barco lograda con respecto a la técnica anterior de apuntar la embarcación más hacia el viento. [4]
Según Bethwaite, navegar contra el viento verdadero a velocidades superiores a las del viento (con el viento aparente por delante de la vela) exige una reacción a las ráfagas diferente a la empleada anteriormente. Mientras que un navegante tradicional podría navegar reflexivamente contra el viento aparente en una ráfaga, la respuesta correcta cuando se navega contra el viento, a una velocidad superior a la del viento verdadero, es virar en dirección contraria a la ráfaga, yendo más a favor del viento. Esto tiene el doble efecto beneficioso de aliviar la fuerza de escora de la ráfaga y permitir que la embarcación navegue aún más rápido contra el viento. [4]
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