La navegación de alto rendimiento se logra con una baja resistencia de la superficie hacia adelante (encontrada por catamaranes , hidroalas de vela , botes de hielo o embarcaciones de navegación terrestre) , ya que la embarcación a vela obtiene fuerza motriz con sus velas o perfiles aerodinámicos a velocidades que a menudo son más rápidas que el viento tanto en ceñida como en contra del viento. puntos de vela a favor del viento. Navegar más rápido que el viento significa que el ángulo de viento aparente experimentado en 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, incluyendo virar en los puntos de la vela a favor del viento. [2]
Historia
Frank Bethwaite ofrece la siguiente cronología de avances clave en la tecnología de la navegación que proporcionaron los elementos esenciales de la navegación de alto rendimiento: [2]
- Década de 1900: estaban emergiendo lastre movible y los cascos de planeo.
- Década de 1960: Se desarrollaron mástiles flexibles, controles de modelado de velas y conocimientos sobre cómo aprovechar los cambios de viento en las regatas.
- Década de 1970: potentes aparejos, incluidas las velas de ala , compensados por el trapecio de la tripulación desde los bastidores o las alas, permitieron navegar más rápido que el viento y virar a favor del viento.
Embarcación de vela de alto rendimiento
Las embarcaciones de alto rendimiento que pueden superar la velocidad del viento real incluyen catamaranes de vela y embarcaciones de vela con foiling. Los barcos de hielo y las embarcaciones de navegación terrestre a menudo pueden hacerlo. También hay vehículos propulsados por viento que pueden viajar más rápido que el viento, como el Blackbird propulsado por rotor , que están fuera del alcance de este artículo.
Esquifes
Comenzando ca. 1975, los esquifes de 18 pies navegaban a favor del viento más rápido que la velocidad del viento. Esto significaba que tenían que virar, en lugar de burlarse, para cambiar de rumbo. [3] Otros esquifes que pueden navegar más rápido que el viento incluyen el 29er y el 49er , ambos diseñados por Julian Bethwaite . [4]
Multicascos
En 2013, se anunció una nueva clase de catamarán para la America's Cup que puede alcanzar más del doble de la velocidad del viento. [5] Se esperaba que los catamaranes utilizados para la America's Cup 2013 navegaran contra el viento 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 Clase C internacional de alto rendimiento puede navegar al doble de la velocidad del viento. [11]
Hidroalas
Hay muchas variedades de hidroalas de vela . Los ejemplos de monocascos incluyen International Moth , Laser y AC75 . Los catamaranes de la America's Cup han utilizado hidroalas desde 2013. [12] Otros catamaranes con foil incluyen, Clase A, [13] Clase C, [14] Nacra 17, Nacra F20, [15] y GC32. [dieciséis]
En 2009, el trimarán de hidroala , Hydroptère , estableció el récord mundial de velocidad de navegación en el agua a 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 absoluto de velocidad de 65,45 nudos (121,2 km / h) en el agua, alrededor de 2,5 veces la velocidad del viento. [19]
Barcos de hielo
Los botes 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 a una velocidad de 107 millas por hora (172 km / h), un récord que superó cualquier otro medio de transporte en 1885. , establecido por el carámbano . Los diseños de los 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 la guía de dirección al frente. Los corredores son 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 propulsora . Dada su baja resistencia hacia adelante, los botes de hielo normalmente 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]
Embarcación de navegación terrestre
Navegando a favor del viento a 135 ° del viento, una embarcación de navegación terrestre puede navegar mucho más rápido que el viento. [23] La velocidad a favor del viento es a menudo más del doble de rápida en comparación con la misma embarcación que navega directamente a favor del viento. [23] En 2009, el barco de vela Greenbird estableció el récord mundial de velocidad en tierra para un vehículo propulsado por viento , 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]
- Otras embarcaciones de vela de alto rendimiento
Barco de hielo clase DN
Embarcación de navegación terrestre
Viento aparente navegando
Mientras que los barcos de hielo han podido superar la velocidad del viento, tanto a barlovento como a sotavento durante un siglo, esta capacidad solo se convirtió en una rutina 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 a favor como en contra del viento, son capaces de virar a favor del viento porque el viento aparente siempre está delante del mástil. Esto llevó al concepto de "navegación con viento aparente". [3]
Viento aparente
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 de la embarcación , 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 igual a 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 real del viento. Si una nave avanza a 90 ° con un viento verdadero de V T = 10 nudos, viajando a una velocidad que induce a V B = 10 nudos, entonces el ángulo de viento aparente estaría a 45 ° de la proa y la velocidad del viento aparente sería aproximadamente 14 nudos, calculados 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 real, el viento aparente siempre está delante de la vela. [26]
Cuando el ángulo de arrastre del casco es insignificante, las fórmulas para calcular V A y β (el ángulo de viento aparente) son: [27]
- V A = raíz cuadrada {[V T cos (90 ° - ángulo de viento verdadero)] 2 + [V T sin (90 ° - ángulo de viento verdadero) + V B ] 2 }
- β = 90 ° - arctan {[V T sin (90 ° - ángulo de viento verdadero) + V B ] / [V T cos (90 ° - ángulo de viento verdadero)]}
Poder de vela
Una vela genera sustentación con un componente de propulsión hacia adelante y un componente lateral, basado en un ángulo de ataque óptimo que está restringido por el viento aparente, V A , que está adelantado y aproximadamente alineado con la vela. [28] [29]
Descomposición de la fuerza del viento que actúa sobre una vela, generando sustentación.
(F T = Fuerza aerodinámica total, L = Elevación
D = Arrastre, α = ángulo de ataque)Conversión de sustentación en propulsión.
(F R = Fuerza de propulsión, F LAT = Fuerza lateral)
Teorema beta
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/46/Boatforcestop.svg/220px-Boatforcestop.svg.png)
Garrett introduce el teorema beta (o teorema del curso) como una forma de entender cómo el ángulo de viento aparente resulta de la interacción entre la fuerza motriz del viento y la fuerza de resistencia del agua (o superficie dura), el resultado del efecto neto de dos láminas contrarias, la vela en el aire y la quilla en el agua. Cuando se resuelve la relación de sustentación y arrastre 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 arrastre con respecto al medio que pasa por ellos (agua o aire), son λ y α m en el diagrama adjunto. La suma de esos dos ángulos de arrastre es igual a β, el ángulo entre el viento aparente y el rumbo navegado ( β = λ + α m ). Este teorema se aplica a todos los puntos de la vela. Un β pequeño indica una alta eficiencia y un potencial de 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 las embarcaciones de hidroala y esencialmente inexistente para las embarcaciones de hielo y las embarcaciones de vela terrestre. [30]
Límite de ángulo de viento aparente
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/5/53/Speed_ratio_graph_for_high-performance_sailing_craft.png/220px-Speed_ratio_graph_for_high-performance_sailing_craft.png)
Dada una circunstancia ideal de una superficie sin fricción y un perfil aerodinámico que puede desarrollar potencia, no existe un límite teórico para la rapidez con que una embarcación de vela puede viajar 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 diversas formas de resistencia (por ejemplo, resistencia de superficie y resistencia aerodinámica). Idealmente, una vela más pequeña es mejor, a medida que aumentan las velocidades. 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 las embarcaciones de vela de alto rendimiento es la resistencia a la 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 seis veces mayor que la velocidad del viento real en un rumbo que está a 135 ° del viento. Bethwaite sugiere que esto podría ser un límite práctico para una embarcación impulsada por velas. [3]
Puntos de vela
Los puntos de la vela en los que las embarcaciones de vela de alto rendimiento pueden alcanzar las velocidades más altas y lograr la mejor velocidad se hacen bien en un tramo de rumbo entre un alcance de haz (90 ° al viento verdadero ) y un alcance amplio (aproximadamente 135 ° de distancia del viento real ). viento). Según Bethwaite, habiendo realizado 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 planeo 18 -foot Skiff alcanza velocidades de casi 30 nudos (56 km / h; 35 mph) con un viento aparente de 20 ° y un bote de hielo puede alcanzar 67 nudos (124 km / h; 77 mph) con un viento aparente de 8 °. [2]
En navegación con viento aparente, el objetivo es mantener el viento aparente lo más adelante posible, como sea posible, durante el recorrido navegado con el fin de alcanzar el rumbo más rápido adaptado al objetivo. Esto requiere una embarcación que pueda exceder la verdadera velocidad del viento, tanto en ceñida como en sotavento; esto permite que el viento aparente se mantenga muy por delante de la vela en los cursos navegados, los más rápidos de los cuales son los alcances. Debe evitarse dirigirse 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 alcance amplio a una cuadratura de carrera (viento muerto). [3]
Contra el viento
Dependiendo de la embarcación navegada, el rumbo adaptado al viento puede alejarse de su punto más cercano hacia el viento para permitir que la embarcación navegue a una velocidad óptima. [3] Bethwaite explica que la navegación 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, alivia la escotada según sea necesario, aumentando así la velocidad del barco. técnica anterior de apuntar la nave más hacia el viento. [4]
Fuera del viento
Según Bethwaite, navegar con el viento real a velocidades más rápidas que el viento (con el viento aparente hacia adelante) exige una reacción a las ráfagas diferente a la empleada anteriormente. Mientras que un marinero tradicional podría dirigirse reflexivamente hacia el viento aparente en una ráfaga, la respuesta correcta mientras navega sin viento, más rápido que la velocidad real del viento, es desviarse lejos de la ráfaga, dirigiéndose más a favor del viento. Esto tiene el efecto doblemente beneficioso de aliviar la fuerza escorante de la ráfaga y permitir que la embarcación navegue aún más rápido sin el viento. [4]
Ver también
- Fuerzas en velas
- Vehículo de viento
Referencias
- ^ Jobson, Gary (1990). Tácticas de campeonato: cómo cualquiera puede navegar más rápido, más inteligente y ganar carreras . Nueva York: St. Martin's Press. págs. 323 . ISBN 0-312-04278-7.
- ^ a b c Bethwaite, Frank (2007). Vela de alto rendimiento . Adlard Coles Náutico. ISBN 978-0-7136-6704-2.
- ^ a b c d e f g Bethwaite, Frank (2008). Navegación de mayor rendimiento . Londres: Adlard Coles Nautical. ISBN 978-1-4729-0131-6. OCLC 854680844 .
- ^ a b c Bethwaite, Frank (12 de mayo de 2013). Técnica de manipulación rápida . Nueva York: A&C Black. págs. 5-6. ISBN 978-1-4081-7860-7.
- ^ Cómo los yates van más rápido que el viento Gray, R. The Telegraph 26 de septiembre de 2013
- ^ "Documento conceptual de la regla de clase multicasco AC34" (PDF) . 34ª Copa América . Consultado el 14 de septiembre de 2010 .
- ^ "Nuevos yates de alto rendimiento para la 34ª America's Cup" (PDF) . 34ª Copa América. 2 de julio de 2010 . Consultado el 14 de septiembre de 2010 .
- ^ El concepto de monocasco para la 34a America's Cup requería un diseño que lograra 1.0 veces la velocidad del viento real en contra del viento y 1.4 veces en la dirección del viento, ver "Documento conceptual de la regla de clase monocasco AC34" (PDF) . 34ª Copa América . Consultado el 14 de septiembre de 2010 .
- ^ "El Emirates Team New Zealand gana ventaja sobre el ORACLE TEAM USA" . Autoridad de eventos de la Copa América 2012-13. 7 de septiembre de 2013. Archivado desde el original el 21 de septiembre de 2013 . Consultado el 8 de septiembre de 2013 .
- ^ "Acerca de eXtreme 40" . eXtreme40. Archivado desde el original el 12 de agosto de 2010 . Consultado el 25 de agosto de 2010 .
- ^ "El mundo alado de los gatos C" . Revista Sail. Archivado desde el original el 14 de marzo de 2010 . Consultado el 25 de agosto de 2010 .
- ^ Clarey, Christopher (9 de junio de 2016). "Navegando hacia la historia de la Copa América en Chicago" . The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 3 de agosto de 2020 .
- ^ Griffits, Bob (11 de febrero de 2014). "Worlds @Takapuna: Día 1, Informe de Bob Griffits | Asociación Internacional de Catamarán de la División A" . www.a-cat.org . Consultado el 2 de agosto de 2020 .
- ^ Block, Alan (22 de septiembre de 2013). "Los gatos frustrados de 'Little Cup' listos para el prestigioso trofeo del campeonato de la Clase C" . www.yachtsandyachting.com . Consultado el 2 de agosto de 2020 .
- ^ McArthur, Bruce (2020). "Velero Nacra 20" . sailboatdata.com . Archivado desde el original el 27 de julio de 2020 . Consultado el 27 de julio de 2020 .
- ^ "GC32s para reemplazar Extreme 40s" . www.extremesailingseries.com . Consultado el 2 de agosto de 2020 .
- ^ El récord de 500 metros fue de 51,36 nudos (95,12 km / h; 59,10 mph), alcanzado en vientos de 30 nudos (56 km / h; 35 mph) por Hydroptère , un trimarán de hidroala , ver "Hydroptère World Records" . Consejo Mundial de Récords de Velocidad de Vela. 23 de septiembre de 2009 . Consultado el 25 de agosto de 2010 .
- ^ "Sitio web oficial de l'Hydroptère" . Consultado el 25 de agosto de 2010 .
- ^ "Registros de 500 metros" . Consejo Mundial de Récords de Velocidad de Vela .
- ^ Espectro, Peter H. (2006). Libro de días de un marinero, 2007 . Dobbs Ferry, Nueva York: Sheridan House. ISBN 1-57409-226-X. OCLC 173009383 .
- ^ Dill, Bob (marzo de 2003), "Diseño de yates de vela para máxima velocidad" (PDF) , 16º Simposio de Yates de Vela de Chesapeake , Anapolis: SNAME
- ^ Smith, Doug (enero-febrero de 2004). Navegando sobre astillas de acero . Escultismo . Boy Scouts of America, Inc. págs. 18–21.
- ^ a b Bob Dill (13 de julio de 2003). "Preguntas frecuentes" . Asociación Norteamericana de Vela Terrestre . Consultado el 25 de agosto de 2010 .
- ^ El récord fue de 126 mph (109 kn; 203 km / h) con vientos de 30-50 mph (48-80 km / h), ver Bob Dill (5 de abril de 2009). "Informe de medición del intento de récord de velocidad realizado por Richard Jenkins en el Yacht Greenbird el 26 de marzo de 2008" . Asociación Norteamericana de Vela Terrestre . Consultado el 25 de agosto de 2010 .
- ^ Editors (27 de marzo de 2009). "Coche de viento bate récord" . BBC New, Reino Unido . Consultado el 28 de enero de 2017 .CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
- ^ a b c Garrett, Ross (1996). La simetría de la navegación: la física de la navegación para navegantes . Sheridan House, Inc. pág. 268. ISBN 9781574090000.
- ^ McEwen, Thomas (2006). Referencia de bolsillo del navegante: su recurso integral para botes y paseos en bote . Anchor Cove Publishing, Inc. pág. 182. ISBN 978-0-9774052-0-6.
- ^ Batchelor, GK (1967), Introducción a la dinámica de fluidos , Cambridge University Press, págs. 14-15, ISBN 978-0-521-66396-0
- ^ Klaus Weltner Una comparación de explicaciones de la fuerza de elevación aerodinámica Am. J. Phys. 55 (1), enero de 1987 pág 52
- ^ Kimball, John (22 de diciembre de 2009). Física de la Navegación . Prensa CRC. ISBN 978-1-4200-7377-5.
enlaces externos
- Consejo Mundial de Récords de Velocidad de Vela
- Asociación Norteamericana de Vela Terrestre
- The Four Lakes Ice Yacht Club