Resistencia y propulsión del buque

Un barco debe estar diseñado para moverse eficientemente a través del agua con un mínimo de fuerza externa. Durante miles de años, los diseñadores y constructores de barcos de vela utilizaron reglas generales basadas en el área de la sección central del barco para dimensionar las velas de un barco determinado. La forma del casco y el plano de las velas de los barcos clipper, por ejemplo, evolucionaron a partir de la experiencia, no de la teoría. No fue hasta la llegada de la energía a vapor y la construcción de grandes barcos de hierro a mediados del siglo XIX que quedó claro para los propietarios y constructores de barcos que era necesario un enfoque más riguroso.

La resistencia de un barco se define como la fuerza necesaria para remolcar el barco en aguas tranquilas a una velocidad constante.

Un cuerpo en el agua que está estacionario con respecto al agua, experimenta únicamente presión hidrostática. La presión hidrostática siempre actúa para oponerse al peso del cuerpo. La fuerza total (hacia arriba) debida a esta flotabilidad es igual al peso (hacia abajo) del agua desplazada. Si el cuerpo está en movimiento, entonces también hay presiones hidrodinámicas que actúan sobre el cuerpo. Para un buque de desplazamiento, que es el tipo habitual de barco, se consideran tres tipos principales de resistencia: la debida a la formación de olas, la debida a la presión del agua en movimiento sobre la forma, que a menudo no se calcula ni se mide por separado, y la debida a la fricción del agua en movimiento sobre la superficie mojada del casco. Estas se pueden dividir en más componentes:

Resistencia total ${\displaystyle R_{T}$

Resistencia residual ${\displaystyle R_{R}$

Resistencia a la fricción de piel ${\displaystyle R_{FO}$

Efecto de la forma en la fricción de la piel

Resistencia a la presión ${\displaystyle R_{P}$

Resistencia a la fricción ${\displaystyle R_{F}$

Resistencia a la onda ${\displaystyle R_{W}$

Resistencia a la presión viscosa ${\displaystyle R_{PV}$

Resistencia a la onda ${\displaystyle R_{WM}$

Resistencia deslumbrante ${\displaystyle R_{WB}$

Resistencia viscosa ${\displaystyle R_{V}$

Resistencia total ${\displaystyle R_{T}$

El método de Froude para extrapolar los resultados de las pruebas de modelos a los barcos se adoptó en la década de 1870. Otro método creado por Hughes se introdujo en la década de 1950 y luego fue adoptado por la Conferencia Internacional de Tanques de Remolque (ITTC). El método de Froude tiende a sobrestimar la potencia de los barcos muy grandes.

Froude había observado que cuando un barco o modelo se encontraba a su denominada velocidad de casco, el patrón de onda de las olas transversales (las olas a lo largo del casco) tienen una longitud de onda igual a la longitud de la línea de flotación. Esto significa que la proa del barco se desplazaba sobre una cresta de ola, al igual que su popa. Esto se suele denominar velocidad de casco y es una función de la longitud del barco.

${\displaystyle V=k{\sqrt {L}}$

donde la constante (k) debe tomarse como: 2,43 para la velocidad (V) en kn y la longitud (L) en metros (m) o 1,34 para la velocidad (V) en kn y la longitud (L) en pies (ft).

Al observar esto, Froude se dio cuenta de que el problema de la resistencia del barco debía dividirse en dos partes diferentes: resistencia residual (principalmente la resistencia a la formación de olas) y resistencia por fricción. Para obtener la resistencia residual adecuada, era necesario recrear el tren de olas creado por el barco en las pruebas del modelo. Descubrió que para cualquier barco y modelo geométricamente similar remolcado a la velocidad adecuada:

Existe una resistencia por fricción que se genera por la fuerza cortante debido a la viscosidad. Esto puede generar el 50 % de la resistencia total en diseños de barcos rápidos y el 80 % de la resistencia total en diseños de barcos más lentos.

Para tener en cuenta la resistencia por fricción, Froude decidió remolcar una serie de placas planas y medir la resistencia de estas placas, que tenían la misma superficie mojada y longitud que el modelo del barco, y restar esta resistencia por fricción de la resistencia total y obtener el resto como la resistencia residual.

(Artículo principal: Arrastre por fricción superficial) En un fluido viscoso se forma una capa límite, que provoca un arrastre neto debido a la fricción. La capa límite sufre un esfuerzo cortante a distintas velocidades que se extiende desde la superficie del casco hasta que alcanza el flujo de campo del agua.

(Artículo principal: Resistencia a la formación de olas) Un barco que se desplaza sobre la superficie de agua no perturbada forma olas que emanan principalmente de la proa y la popa del barco. Las olas creadas por el barco consisten en olas divergentes y transversales. Las olas divergentes se observan como la estela de un barco con una serie de crestas diagonales u oblicuas que se mueven hacia afuera desde el punto de perturbación. Estas olas fueron estudiadas por primera vez por William Thomson, primer barón Kelvin, quien descubrió que independientemente de la velocidad del barco, siempre estaban contenidas dentro de la forma de cuña de 39° (19,5° en cada lado) que sigue al barco. Las olas divergentes no causan mucha resistencia contra el movimiento hacia adelante del barco. Sin embargo, las olas transversales aparecen como valles y crestas a lo largo de la longitud de un barco y constituyen la mayor parte de la resistencia a la formación de olas de un barco. La energía asociada con el sistema de olas transversales viaja a la mitad de la velocidad de fase o la velocidad de grupo de las olas. El motor principal del buque debe introducir energía adicional en el sistema para superar este gasto de energía. La relación entre la velocidad de los buques y la de las olas transversales se puede encontrar igualando la celeridad de la ola y la velocidad del buque.

(Artículo principal: Propulsión marina) Los barcos pueden ser propulsados por numerosas fuentes de energía: energía humana, animal o eólica (velas, cometas, rotores y turbinas), corrientes de agua, combustibles químicos o atómicos y electricidad almacenada, presión, calor o energía solar que alimenta motores. La mayoría de ellos pueden propulsar un barco directamente (por ejemplo, mediante remolque o cadena), mediante dispositivos de arrastre hidrodinámicos (por ejemplo, remos y ruedas de paletas) y mediante dispositivos de elevación hidrodinámicos (por ejemplo, hélices o chorros). También existen algunos medios exóticos, como la "propulsión de cola de pez", los cohetes o la propulsión magnetohidrodinámica.

• William Froude

• E. V. Lewis, ed. Principios de Arquitectura Naval, vol. 2 (1988)