Una proa bulbosa es una bombilla que sobresale en la proa (o en el frente) de un barco justo debajo de la línea de flotación . El bulbo modifica la forma en que fluye el agua alrededor del casco , reduciendo la resistencia y aumentando así la velocidad, el alcance, la eficiencia del combustible y la estabilidad. Los barcos grandes con proa bulbosa generalmente tienen entre un doce y un quince por ciento más eficiencia de combustible que los barcos similares sin ellos. [2] Una proa bulbosa también aumenta la flotabilidad de la parte delantera y, por lo tanto, reduce el cabeceo del barco en un pequeño grado.
Los buques con alta energía cinética , que es proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad, se benefician de tener un arco bulboso diseñado para su velocidad de operación; esto incluye buques con gran masa (por ejemplo, superpetroleros ) o una alta velocidad de servicio (por ejemplo , buques de pasaje y buques de carga ). [3] Los buques de menor masa (menos de 4.000 TPM ) y los que operan a velocidades más lentas (menos de 12 nudos ) tienen un beneficio reducido de los arcos bulbosos, debido a los remolinos que se producen en esos casos; [3] ejemplos incluyen remolcadores, lanchas a motor, veleros y yates pequeños.
Se ha descubierto que los arcos bulbosos son más eficaces cuando se utilizan en embarcaciones que cumplen las siguientes condiciones:
Principio subyacente
El efecto del arco bulboso se puede explicar utilizando el concepto de interferencia destructiva de las ondas: [6]
Un arco de forma convencional provoca una onda de arco . Un bulbo por sí solo hace que el agua fluya hacia arriba y sobre él formando un canal. Por lo tanto, si se agrega una bombilla a una proa convencional en la posición adecuada, el canal de la bombilla coincide con la cresta de la ola de proa, y las dos se cancelan, reduciendo la estela del barco . Mientras que la inducción de otra corriente de olas consume energía del barco, la cancelación de la segunda corriente de olas en la proa cambia la distribución de la presión a lo largo del casco, reduciendo así la resistencia de las olas. El efecto que tiene la distribución de la presión sobre una superficie se conoce como efecto de forma . [6]
Una proa afilada en una forma de casco convencional produciría olas y un arrastre bajo como una proa bulbosa, pero las olas provenientes del costado lo golpearían con más fuerza. El arco bulboso y desafilado también produce una mayor presión en una gran región al frente, lo que hace que la onda del arco comience antes. [6]
La adición de una bombilla al casco de un barco aumenta su área total mojada. A medida que aumenta el área mojada, también lo hace el arrastre. A mayores velocidades y en embarcaciones más grandes, la ola de proa es la mayor fuerza que impide el movimiento de avance de la embarcación a través del agua. Para una embarcación pequeña o que pasa gran parte de su tiempo a baja velocidad, el aumento de la resistencia no se verá compensado por el beneficio de amortiguar la generación de olas de proa. Como los efectos del contador de olas solo son significativos en el rango de velocidad más alto de la embarcación, las proas bulbosas no son energéticamente eficientes cuando la embarcación navega fuera de estos rangos, específicamente a velocidades más bajas. [6]
Los arcos bulbosos pueden configurarse de manera diferente, de acuerdo con la interacción diseñada entre la onda del arco y la ola contraria del bulbo. Los parámetros de diseño incluyen a) curvatura hacia arriba (un bulbo "ram") versus recto (un bulbo "encapsulado"), b) posición del bulbo con respecto a la línea de flotación, yc) volumen del bulbo. [1] Los arcos bulbosos también disminuyen el movimiento de cabeceo de un barco , cuando están lastrados, aumentando la masa a una distancia alejada del centro de gravedad longitudinal del barco. [1]
Desarrollo
Las pruebas de remolque de buques de guerra habían demostrado que una forma de ariete bajo el agua reducía la resistencia a través del agua antes de 1900. [5] El concepto de proa bulbosa se le atribuye a David W. Taylor , un arquitecto naval que se desempeñó como Constructor Jefe de la Armada de los Estados Unidos durante la Primera Guerra Mundial , y que utiliza el concepto (conocido como antepié bulbosa) en su diseño de la USS Delaware , que entró en servicio en 1910. el diseño del arco no disfrutó inicialmente una gran aceptación, a pesar de que se utilizó en el Lexington -class de batalla con gran éxito después de que los dos barcos de esa clase que sobrevivieron al Tratado Naval de Washington se convirtieron en portaaviones . [7] Esta falta de aceptación cambió en la década de 1920, con el lanzamiento de Bremen y Europa en Alemania . Se les conocía como los galgos del Atlántico norte de Alemania, dos grandes transatlánticos comerciales que competían por el tráfico transatlántico de pasajeros. Ambos barcos ganaron el codiciado Blue Riband , Bremen en 1929 con una velocidad de cruce de 27,9 nudos (51,7 km / h; 32,1 mph), y Europa la superó en 1930 con una velocidad de cruce de 27,91 nudos. [8]
El diseño comenzó a incorporarse en otros lugares, como se vio en los transatlánticos de pasajeros SS Malolo , SS President Hoover y SS President Coolidge construidos en EE. UU. Lanzados a fines de la década de 1920 y principios de la de 1930. Aún así, muchos constructores y propietarios de barcos consideraron la idea como experimental. [9]
En 1935, el superliner francés Normandie fue diseñado por Vladimir Yurkevich combinando un antepié bulboso con un tamaño masivo y una forma de casco rediseñada. Pudo alcanzar velocidades superiores a 30 nudos (56 km / h). Normandie era famosa por muchas cosas, incluida su entrada limpia al agua y su ola de proa notablemente reducida. Normandie ' gran rival s, el revestimiento británica Queen Mary , alcanza velocidades equivalentes usando madre tradicional y diseño del casco. Sin embargo, una diferencia crucial fue que Normandie alcanzó estas velocidades con aproximadamente un treinta por ciento menos de potencia del motor que el Queen Mary y la correspondiente reducción en el uso de combustible. [ cita requerida ]
Los diseños de arcos bulbosos también fueron desarrollados y utilizados por la Armada Imperial Japonesa . Se utilizó un modesto arco bulboso en varios de sus diseños de barcos, incluido el crucero ligero Ōyodo y los portaaviones Shōkaku y Taihō . Se incorporó una solución de diseño de proa bulbosa mucho más radical en su enorme acorazado clase Yamato , que incluía al Yamato , Musashi y el portaaviones Shinano . [10]
El arco bulboso moderno fue desarrollado por el Dr. Takao Inui en la Universidad de Tokio durante las décadas de 1950 y 1960, independientemente de la investigación naval japonesa. Inui basó su investigación en hallazgos anteriores realizados por científicos después de que Taylor descubrió que los barcos equipados con un antepié bulboso exhibían características de resistencia sustancialmente más bajas de lo previsto. El concepto de arco bulboso fue estudiado definitivamente por primera vez por Thomas Havelock, Cyril Wigley y Georg Weinblum, incluido el trabajo de Wigley de 1936 "La teoría del arco bulboso y su aplicación práctica", que examinó los problemas de la producción de ondas y la amortiguación. Los artículos científicos iniciales de Inui sobre el efecto del arco bulboso en la resistencia a la formación de olas se recopilaron en un informe publicado por la Universidad de Michigan en 1960. Su trabajo llamó la atención generalizada con su artículo "Wavemaking Resistance of Ships" publicado por la Sociedad de Arquitectos Navales y Marine Engineers en 1962. Eventualmente se descubrió que la resistencia podía reducirse en aproximadamente un cinco por ciento. La experimentación y el refinamiento mejoraron lentamente la geometría de los arcos bulbosos, pero no fueron ampliamente explotados hasta que las técnicas de modelado por computadora permitieron a los investigadores de la Universidad de Columbia Británica aumentar su rendimiento a un nivel práctico en la década de 1980. [ cita requerida ]
Consideraciones de diseño
Los arcos bulbosos incorporan las siguientes características definitorias: [5]
- Forma longitudinal
- Sección transversal
- Longitud de la proyección hacia adelante
- Posición del eje de la forma (por ejemplo, hacia adelante o hacia arriba)
Si bien el propósito principal de tales bombillas es reducir la potencia requerida para impulsar un barco a su velocidad operativa, sus características de navegación en el mar también son importantes. Las características de formación de olas de un barco a su velocidad operativa se reflejan en su número de Froude . [11] [Nota 1] Un diseñador de barcos puede comparar la longitud en la línea de flotación para un diseño con y sin el bulbo necesario para impulsar el barco a su velocidad de operación. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será el beneficio del arco bulboso al disminuir la necesidad de una línea de flotación más larga para lograr el mismo requisito de potencia. Los bulbos suelen tener forma de V en la parte inferior para minimizar los golpes en mares agitados. [5]
Domos de sonar
Algunos buques de guerra especializados en la guerra antisubmarina utilizan una bombilla de forma específica como carcasa hidrodinámica para un transductor de sonda , que se asemeja a un arco bulboso, pero los efectos hidrodinámicos son solo incidentales. El transductor es un gran cilindro o esfera compuesto por una serie de transductores acústicos en fase . [12] Todo el compartimento está inundado de agua y la ventana acústica de la bombilla está hecha de plástico reforzado con fibra u otro material (como caucho ) transparente a los sonidos subacuáticos a medida que se transmiten y reciben. La bombilla del transductor coloca el equipo de sonar a la mayor distancia posible del propio sistema de propulsión generador de ruido de la nave. [13]
Notas
- ^ En aplicaciones hidrodinámicas marinas, el número de Froude generalmente se hace referencia con la notación Fn y se define como:
Es un parámetro importante con respecto a la resistencia o arrastre del barco , especialmente en términos de resistencia a la formación de olas .
Referencias
- ↑ a b c Chakraborty, Soumya (9 de octubre de 2017). "¿Cuál es la importancia de la proa bulbosa de los barcos?" . Marine Insight . Consultado el 17 de marzo de 2019 .
- ^ Bray, Patrick J. (abril de 2005). "Arcos bulbosos" .
- ^ a b Barrass, Bryan (9 de julio de 2004). Diseño y ejecución de barcos para maestros y compañeros . Elsevier. ISBN 9780080454948.
- ^ Wigley, WCS (1936). La teoría del arco bulboso y su aplicación práctica . Newcastle upon Tyne.
- ^ a b c d Bertram, Volker; Schneekluth, H. (15 de octubre de 1998). Diseño de buques para la eficiencia y la economía . Elsevier. ISBN 9780080517100.
- ^ a b c d Grosenbaugh, MA; Yeung, RW (1989), "Flujos de proa no lineales: una investigación experimental y teórica", Decimoséptimo Simposio sobre hidrodinámica naval: estelas, efectos de superficie libre, capas límite y flujos viscosos, flujo de dos fases, interacción entre hélice / apéndice / casco , Washington, DC: Oficina de Investigación Naval, págs. 195–214, ISSN 0082-0849
- ^ Friedman, Norman (1985). Acorazados estadounidenses: una historia ilustrada del diseño . Annapolis , Maryland: Prensa del Instituto Naval . pag. 235. ISBN 978-0-87021-715-9. OCLC 12214729 .
- ^ Kludas, Arnold (2000). Rompe récords del Atlántico Norte, Blue Riband Liners 1838-1952 . Londres: Chatham. ISBN 1-86176-141-4.
- ^ "El tío Sam entra en la carrera del Atlántico", febrero de 1931, artículo de Popular Mechanics sobre la nueva construcción en la década de 1930
- ^ "Museo Yamato" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 27 de junio de 2011.
- ^ Newman, John Nicholas (1977). Hidrodinámica marina . Cambridge, Massachusetts: MIT Press . ISBN 978-0-262-14026-3., pag. 28.
- ^ "Sistemas de guerra submarina de Jane" . 5 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 13 de septiembre de 2012.
- ^ Crocker, Malcolm J. (9 de marzo de 1998). Manual de Acústica . Nueva York: John Wiley & Sons. págs. 417–8. ISBN 9780471252931.