air- análisis integral del rendimiento: caso de aplicación real, uso de

C A N A L D E E X P E R I E N C I A S H I D R O D I N Á M I C A S, E L P A R D O
Publicación núm. 223
AIR- ANÁLISIS INTEGRAL DEL RENDIMIENTO:
CASO DE APLICACIÓN REAL, USO DE LA
HERRAMIENTA AIR EN EL DISEÑO DE LA
CANOA C1-1000 M. DE DAVID CAL
POR
E. MOLINELLI
E. CARRILLO
M. ROSA
Ministerio
de Defensa
MADRID
OCTUBRE 2013
AIR- ANÁLISIS INTEGRAL DEL RENDIMIENTO:
CASO DE APLICACIÓN REAL, USO DE LA
HERRAMIENTA AIR EN EL DISEÑO DE LA
CANOA C1-1000 M. DE DAVID CAL
POR
E. MOLINELLI
E. CARRILLO
M. ROSA
Presentado en el 52º Congreso de Ingeniería Naval, Asociación de Ingenieros Navales de España
Octubre 2013
AIR-Análisis integral del rendimiento: caso de aplicación real, uso de la herramienta AIR en el diseño
de la canoa modalidad C1-1000 m de David Cal.
Autores: Molinelli Fernández, E. - Carrillo Hontoria, E. - Rosa Serván, M.
Resumen - Abstract
Durante los cuatro últimos años el Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo (CEHIPAR),apoyados
por las Reales Federaciones de Vela (RFEV) y Piragüismo (RFEP), afrontó diferentes programas de
investigación aplicada a los Equipos Olímpicos, tanto de ámbito interno como bajo el auspicio del Consejo
Superior de Deportes (CSD).
Aunque en un principio no había conexión entre ellos el ambicioso programa de investigación conjunta iba
direccionado a integrar todos ellos en una sola herramienta multifuncional que sirviera de ayuda a los
diseñadores y equipos de competición (entrenadores y tripulaciones) para obtener datos reales de
navegación y medición de embarcaciones que permitieran optimizar los entrenos y mejorar las capacidades
de competición, a la vez que aportar a los diseñadores los datos necesarios para proceder a nuevos diseños
competitivos y exclusivos de las embarcaciones (valor añadido al diseño).
Las técnicas integradas abarcaron desde sistemas de comunicación inalámbrica, procedimientos de medición
y alineación de apéndices y embarcaciones, estudios hidrodinámicos, hasta el uso de UAV's (vehículos
aéreos no tripulados).
En el presente trabajo se recoge una visión global del sistema desarrollado y utilizado en diferentes diseños y
mejoras, entre ellas la canoa modalidad C1-1000 m de David Cal.
Since last years, the El Pardo Model Basin (CEHIPAR) with the support of the Royal Spanish Sailing
Federation (RFEV) and the Royal Spanish Canoeing Federation (RFEP) led different research programs
related with the performance optimization for sailing and canoeing Olympic Teams. Some projects as internal
and other under the support of the National Sports Council (CSD).
Although initially there was no connection between them, this ambitious research program was directed
towards a complete integration of all of them in a multifunctional tool for designers and competition teams
(coaches and crew) with the aim to obtain real navigation data and equipment measurements allowing the
optimization of training and competition capabilities improvement. AIR gives to the designers enough data to
proceed with personalized and competitive new designs (added value of design).
Integrated techniques applied in AIR include wireless communication systems, measurement and alignment
procedures for appendages and boats, hydrodynamic analysis as well as UAV applications (Unmanned Aerial
Vehicle).
This paper offers a global vision of the developed system and shows its application for a specific case: the C11000 m Olympic class canoe for David Cal.
Estado del arte
La preparación de deportistas de alto nivel conlleva un conocimiento exhaustivo de las distintas facetas que
influyen en su entrenamiento y resultados durante la competición. A día de hoy es muy difícil encontrar un
procedimiento integrado de mejora del rendimiento del binomio embarcación/deportista en clases olímpicas
de vela y/o piragüismo, de hecho es que en la realidad no existe ningún procedimiento similar, por lo menos
1
documentado y expuesto al público, aunque es cierto que diferentes países a través de sus federaciones
trabajan en ello pero sin publicidad y bajo una estricta confidencialidad a tenor de la importancia de los
resultados, por lo que no se han encontrado referencias actuales sobre este tema.
Sí se tiene conocimiento de la existencia de iniciativas que cubren de forma parcial la optimización de
embarcaciones, empleadas por instituciones y/o empresas para la optimización de embarcaciones propias,
sobre todo relacionadas con las canoas en sus clases olímpicas (como se puede ver en la referencia 1 de la
bibliografía). Es posible también que algunos equipos olímpicos utilicen algún tipo de programa de
optimización de sus embarcaciones y entrenamientos, pero en todo caso no se han encontrado evidencias de
que dispongan de un protocolo de optimización que, de forma sistemática, integre la embarcación, el regatista
y la interacción entre ambas, tal y como se presenta en el presente estudio.
La aportación novedosa de este proyecto consiste en su aproximación integral al proceso de optimización y
mejora del rendimiento, apoyándose en un enfoque holístico que implica el uso de diferentes tecnologías de
optimización de forma conjunta y coordinada.
Filosofía integral del proyecto AIR
El objetivo final del proyecto AIR fue el de disponer de un conocimiento técnico detallado de las
embarcaciones de clase olímpica, del entorno en el que navegan y de las posibilidades de "enseñar a
navegar/palear" a los deportistas al poder configurar y establecer una comunicación fluida entre el entrenador
y los regatistas durante los entrenamientos y mediante la toma datos de los parámetros de navegación de la
embarcación durante los entrenos, analizándolos de forma efectiva y obteniendo las características
necesarias (requisitos técnicos) de un software de apoyo al análisis de los datos obtenidos (Figura 1).
Comunicación
Control Dimensional:
Simetrias, corrección
apendices
AIR
Aplicación
Integral de
proyectos
I+D para la
mejora del
rendimiento
Optimizacion
HIDRODINAMICA
Ensayos Canal
Analisis CFD
Mallado 3D
Diseño Actual
Optimizado
Rediseño
Formas
Monitorización
Nuevo Diseño
Optimizado
Toma de datos
previa
Toma de datos
posterior
Sesiones video y
Toma Datos
AeroToolsUAV
Figura 1. Esquema estructural del proyecto AIR
2
Los trabajos comenzaron a final del año 2009, dándoles continuidad en los años 2010 y 2011 con vistas a
obtener resultados para los JJOO de Londres 2012.
Los escasos recursos disponibles y la problemática de obtener financiación para acometer un proyecto global
hicieron que se optara por dividirlo en subproyectos interconexionados y que permitieran una futura
integración.
Es por ello que todos los proyectos a desarrollar deberían de tener una serie de características comunes:
1. Proyectos de investigación aplicada: se consideró de extrema importancia que dado la escasez de
recursos económicos y tiempo no fueran proyectos teóricos sino de aplicación inmediata para su uso
en competición. Para ello se requirió la implicación directa del usuario final, lo que permitiría no sólo
obtener un banco de pruebas totalmente fiable sino el integrar los conocimientos técnicos de
desarrollo de embarcaciones con los de optimización físico/psíquica del deportista tanto desde el
punto de vista del propio deportista como de su entrenador, equipo indivisible y que aporta un valor
añadido al proyecto.
2. Proyectos no focalizados: deberán ser proyectos de amplio espectro que permitan su uso en
diferentes embarcaciones y clases con sólo adaptar las herramientas y los equipos diseñados y
construidos puntualmente: multidisciplinares y de aplicación a diferentes competiciones y/o
federaciones así como clases y/o modalidades.
3. Base formativa para futuros técnicos: que permitan formar e incorporarse a personal investigador en
todas las facetas que cubren los diferentes proyectos, pero fundamentalmente orientado a la
hidrodinámica de la náutica deportiva y a entrenadores y deportistas con el objeto de crear una masa
crítica que de continuidad a la labor iniciada y a su vez genere equipos de trabajo e investigación de
gran proyección al estar tutorizados inicialmente por expertos en las distintas áreas de conocimientos.
4. Transferencia de tecnología a la industria nacional: tanto en la fase de desarrollo, mediante
colaboraciones con empresas privadas que deseen evolucionar, adaptar o desarrollar nuevos
equipos específicos y que cubran las necesidades requeridas en los diferentes proyectos así como la
fabricación del producto final desarrollado y tras estudiar las diferentes vías de transferencia
tecnológica.
5. Proyectos evolucionables y con perspectivas de futuro: la "volatilidad" actual de la alta tecnología
debida a la rápida evolución de equipos, sistemas y bases de desarrollo obliga a una actualización
continua de los mismos por lo que deben ser abiertos y fácilmente adaptables a dicha evolución, por
lo que se exige un desarrollo estructural fácilmente implementable, lo que ha obligado a establecer
bases de funcionamiento adaptables y sistemas de comunicación directa con protocolos
personalizados y fácilmente ampliables.
6. Proyectos direccionados: la utilidad de los equipos y técnicas desarrolladas en los proyectos no
focalizados deberían ser utilizados de forma prácticamente inmediata en la evolución de las clases
olímpicas priorizadas por el usuario final, léase Federaciones y Consejo Superior de Deportes, con
vista a obtener resultados en las clases y/o modalidades de mayor proyección .
Además de la integración de los resultados y protocolos obtenidos en los subproyectos planteados y que han
ido cubriendo todas las áreas de interés, como son el Control Dimensional de la embarcación, la
Comunicación durante el entrenamiento, la aplicación de Ingeniería Inversa para la obtención de planos de
formas, el Análisis de CFD (Computational Fluid Dynamics) o el estudio hidrodinámico mediante Ensayos de
Canal, el proyecto de integración (AIR) introduce una nueva herramienta que contribuye de forma
determinante al conocimiento del entorno en que se desenvuelve el binomio deportista-embarcación y a
mejorar la capacidad de análisis de las prestaciones. Esta herramienta es la toma de imágenes en video
sincronizado con los sistemas de sensorización de la embarcación, mediante un sistema de transmisión que
permite incorporar los datos de los sensores a la señal de video, pudiendo realizarse esta toma tanto desde
3
dentro de la embarcación en estudio como desde otras embarcaciones (la del entrenador, por ejemplo) o
aparatos voladores de apoyo (como por ejemplo UAV´s).
El programa de optimización de embarcaciones y mejora del rendimiento de las tripulaciones a través de la
aplicación sistemática del procedimiento definido en este proyecto, proporciona una herramienta novedosa en
el mundo del deporte de la vela y piragüismo en el nivel olímpico, no llevada a la práctica con anterioridad, ya
que tan sólo se llegaron a hacer programas parciales y ad hoc en varias ocasiones. Con la experiencia y el
conocimiento adquiridos en los últimos años se puede ahora planificar en un tiempo medio (unos dos años)
un programa completo de optimización de embarcaciones a vela y piragüismo de clase olímpicas.
Este aspecto tiene especial significancia en la actualidad, ya que la ISAF (Federación Internacional de Vela)
ha introducido nuevas clases olímpicas para los próximos Juegos Olímpicos de Río 2016, el catamarán Nacra
17 de tripulación mixta y el skiff 49er FX para tripulación femenina, de las cuales, al menos en el catamarán,
no se tiene el conocimiento necesario como para garantizar una tripulación con posibilidades de medalla.
Como España es un país que sí tiene regatistas de muy alto nivel y de gran reconocimiento mundial, le falta
complementar este excelente nivel humano con un dominio de las tecnologías relacionadas con las
embarcaciones de clase olímpica para cerrar el círculo.
Este proyecto AIR integra los conocimientos y tecnologías necesarias para que en un plazo razonable los
regatistas dispongan del conocimiento que necesitan para mantenerse al más alto nivel entre los países
punteros y medallistas de forma continuada, tanto en vela como en piragüismo.
Metodología aplicada
Desde un principio del proyecto se estableció una metodología en cuanto a su realización, de tal modo que se
optimizaran los recursos disponibles al tiempo de desarrollo del proyecto y a compatibilizar los trabajos a
desarrollar con resultados de trabajos previos que sentaron las bases y viabilidad de esta investigación.
El punto de partida del proyecto fue estudiar los resultados obtenidos en los proyectos anteriores relacionados
con los objetivos de este proyecto, que a su vez se dividieron, como anteriormente se mencionó, en dos
grandes bloques:

Proyectos no focalizados: entre los que se encontraban:




08/UPB10/10 (CET): Desarrollo de un Sistema de Comunicación fiable y efectivo entre
Regatista y Entrenador durante la Navegación y Entrenamientos en barcos de Clases
Olímpicas.
09/UPB10/10 (ASA): Desarrollo de Procedimientos de Alineación, Simetría y Posicionamiento
de Apéndices para embarcaciones Clases Olímpicas.
007/EPB10/11 (TDE) y 007/EPB10/12 (TDE 2012): Toma de datos y análisis en tiempo real
de los parámetros de navegación de un velero de Clase Olímpica.
Proyectos direccionados a clases olímpicas de piragüismo: se centraron en este deporte dado que las
correspondientes a vela se canalizaron vía el convenio de colaboración existente entre el CEHIPAR y
la Real Federación Española de Vela (RFEV) denominado HIDALCOM (HIDrodinámica de ALta
COMpetición), firmado entra ambas entidades en el año 2003:


01/EPB10/11 (OHK2): Optimización hidrodinámica de piraguas olímpicas modalidad K2.
004/EPB10/11 (OHC1): Optimización hidrodinámica de canoas olímpicas modalidad C11000 m.
4


005/EPB10/12 (OHK1): hidrodinámica de piraguas olímpicas modalidad K1.
06/EPB10/12 (OHC1 – 200): Optimización hidrodinámica de canoas olímpicas modalidad C1200 m.
Y de forma simultánea se fue desarrollando la herramienta de video que permite simultanear imágenes y
datos de forma sincronizada.
Dado que casi todos los proyectos se realizaron en el CEHIPAR o con su colaboración, la comunicación entre
investigadores fue fluida y muy frecuente, donde se traspasaban las conclusiones y los avances que se iban
obteniendo.
Desde un principio el proyecto se ideó como una sucesión de acciones y actividades asociadas a cada tarea.
Las tareas tenían definido un tiempo de inicio y finalización y en la medida de lo posible se solapan algunas
entre sí para aumentar la eficiencia y llegar a los objetivos en el plazo estipulado.
Las fases tienen una componente estructurada en un orden progresivo según el grado de avance del
proyecto. La primera era la descripción de los equipos disponibles para la realización de los trabajos de
análisis y las adaptaciones necesarias si era el caso. El siguiente paso es la realización de pruebas y ensayos
de campo para poder disponer de toda la información de entrada para proceder al análisis de la información.
Proyecto 08/UPB10/10 (CET)
Este proyecto tuvo como objetivo el desarrollo de un sistema de comunicación que permitiera la comunicación
efectiva y continua durante la navegación entre los regatistas y entrenador, situados en embarcaciones
diferentes.
Tuvo su origen en unas necesidades expuestas por el Equipo Olímpico de Vela relativas a optimizar las
comunicaciones entre entrenador y regatista en los entrenamientos, al estar prohibido su uso durante la fase
de competición (Figura 2) que consistían básicamente en alcanzar una comunicación con las siguientes
características:




Mayor fluida y naturalidad, evitando diálogos a viva voz.
Más compleja, que no tuviera que limitarse a órdenes cortas.
No limitada por el ruido o las condiciones ambientales.
Que permitiera que el entrenador pudiera comunicarse con varias tripulaciones simultáneamente o de
forma individualizada.
Figura 2. Esquema del proyecto CET y uso por parte de tripulaciones olímpicas con vistas a los JJOO de Londres 2012
5
Lograr mejoras en esos aspectos permitiría al entrenador una mayor concentración en la navegación del
regatista, obteniéndose de este modo un mayor aprovechamiento de los entrenamientos.
Con este objetivo, se decidió desarrollar y/o adaptar un sistema que reuniera las siguientes características:







Sistema rugerizado y de pequeño peso y volumen.
Comunicación de buena calidad que permitiera comprender sin dificultad el mensaje del interlocutor.
Comunicación clara incluso en entornos ruidosos.
Inexistencia de interferencias con otros sistemas de comunicaciones (WiFi, telefonía móvil, VHF,...).
Uso cómodo en navegación, habilitando la posibilidad de una comunicación full-dúplex, sin necesidad
de accionamiento manual de botones, interruptores, etc.
Alcance suficiente para permitir al entrenador estar en contacto con el (los) velero(s) cuyo
entrenamiento supervisa.
Encriptación de las comunicaciones para su protección.
El resultado del mismo fue el desarrollo y adaptación de la tecnología necesaria para establecer una
comunicación clara y fluida entre el entrenador y el regatista en las duras condiciones que se dan en el mar
durante la navegación (viento, rociones, motor del entrenador, etc.) con un equipo tipo full dúplex que
disponen en sus micrófonos de filtros para atenuar el ruido del entorno con unos resultados excelentes.
La escucha se lleva a cabo a través de auriculares integrados en la oreja de los deportistas, con la posibilidad
de hacer moldes personalizados para una perfecta integración sin molestias.
Estos equipos van alimentados mediante pilas tipo AA, que son fácilmente recargables e intercambiables,
permitiendo su uso en casi cualquier lugar del mundo.
La tecnología de comunicaciones empleada corresponde con el estándar DECT (Digital Enhanced Cordless
Telecommunications, Telecomunicaciones Inalámbricas Mejoradas Digitalmente), que tiene limitada la
potencia de transmisión y por tanto también la de alcance de las comunicaciones, esto obliga a que la
distancia entre el emisor y receptor esté limitada para mantener las comunicaciones, no obstante, en caso de
pérdida de comunicaciones, el restablecimiento es automático, no requiere ninguna intervención de los
usuarios, tan sólo recuperar la distancia de cobertura. La razón de seleccionar esta tecnología es que no
requiere autorización de uso en ningún país por su limitación de alcance (300 m) lo que permite su
transportabilidad y al ser una frecuencia de las denominadas de uso libre permite su utilización en cualquier
campo de regatas.
Proyecto 09/UPB10/10 - ASA
El proyecto tenía como objetivo el desarrollo de procedimientos de alineación, simetría y posicionamiento de
apéndices para las embarcaciones de vela de las Clases Olímpicas.
Para obtener una buena alineación y simetría de una embarcación es imprescindible enfocar el problema
desde tres ámbitos diferentes:
1. Hidrodinámico: estudiando y comprobando la simetría de la carena (incluyendo los elementos que
están íntimamente unidos a la misma y que permiten el enganche de los apéndices, como la cajera
de orza, apoyos del timón, etc.) por un lado y cada uno de los apéndices de forma independiente, es
decir, comprobando la simetría y dimensiones de cada elemento de forma autónoma.
2. Aerodinámico: verificando así mismo la simetría de palos y demás elementos que configuran la jarcia.
6
3. Hidro/Aerodinámico: comprobando la alineación y simetría del barco como uno sólo, es decir, la
perfecta alineación de los apéndices y del plano vélico con el casco prestando especial atención a los
montajes, secuencias, calzados, etc.
El desarrollo de los procedimientos permitió establecer la mejor tecnología para la caracterización
dimensional de las embarcaciones y el análisis de simetría y posicionamiento de los apéndices (aspecto muy
crítico en el rendimiento de las embarcaciones
Tras evaluar diferentes sistemas y tecnologías de medición se realizó una selección de equipo que aunará los
compromisos de precisión, fiabilidad, versatilidad y portabilidad entre otras características, dado que con ello,
y siguiendo la filosofía de todos los proyectos, se podría realizar mediciones y puesta a punto de
embarcaciones "in situ" pudiendo incluso montar configuraciones específicas para cada manga y/o regata en
el lugar de la competición.
El equipo seleccionado fue un brazo de medición de longitud adecuada a la precisión (Figura 3), del que con
apoyo de software específico se obtienen una nube de puntos organizada según los intereses de la medición,
que principalmente son:




Puntos concretos y determinados específicamente (herrajes).
Plano de referencia de simetría (plano de crujía).
Otros planos de referencia (espejo de popa, transversal, etc.).
Nube de puntos de secciones transversales para la obtención de superficies, etc.
Estos datos permiten, mediante tras un post proceso y análisis determinado y según el tipo de medición
realizado, disponer de información de:



Posición y alineamiento de los apéndices respecto el plano de simetría.
Definir la posición correcta de los herrajes de aparejo, timón, carriles y poleas.
Generar las superficies de las carenas para análisis de simetría (defectos de construcción) y análisis
de CFD.
Los desarrollos llevados a cabo han dotado a los regatistas/piragüistas olímpicos de una herramienta
exclusiva y diferencial respecto a sus competidores que les permite alcanzar un rendimiento superior en
competición.
Así mismo se han realizado controles dimensional de barcos de vela de clases olímpicas en su primera
recepción desde el astillero constructor por los regatistas, pudiendo detectar desviaciones y tras un posterior
estudio y análisis evaluar las posible influencia en el rendimiento de la embarcación y o bien rechazarla o bien
estudiar las medidas correctoras para minimizarlas.
La comparación de embarcaciones, lo que resulta especialmente interesante en clases que no permiten por
reglamento muchas modificaciones, ha permitido seleccionar la embarcación que mejor comportamiento
presenta.
7
Figura 3. Brazo de medición y proceso de alineación de apéndices en una embarcación de la clase olímpica 470
Proyectos 007/EPB10/11 (TDE) y 007/EPB10/12 (TDE 2012)
Para poder llevar a cabo un diseño y/o optimización de navegación es imprescindible disponer de unos datos
objetivos y fiables obtenidos durante la navegación. En el período 2009/10 se priorizó un proyecto
denominado TDE (Toma de datos y análisis de los parámetros de navegación de un velero de Clase Olímpica
durante entrenamientos) con el objetivo de poder disponer de datos reales de navegación (posición GPS,
velocidad, deriva, escoras, trimados, hundimientos, etc.) de las embarcaciones y cruzarlos con los parámetros
de los entornos en que se produjeron, es decir configuración propiamente dicha de la embarcación
(apéndices, plano vélico, tripulación, etc.) y datos meteorológicos (datos de viento tanto velocidad como
rumbo, corrientes, estado del campo de regatas, etc.). Las primeras pruebas se realizan con el equipo
nacional de piragüismo en la modalidad canoa C1 (Figura 4).
Los datos obtenidos permitían no sólo optimizar las configuraciones acorde a las condiciones
medioambientales sino también personalizar la propia embarcación, es decir, configurarla dependiendo del o
de los deportistas a los que iban destinadas, debido fundamentalmente a tres razones:
1. Peso de la tripulación: al ser embarcaciones ligeras, tanto en el caso de vela como el de piragüismo,
el desplazamiento varía sustancialmente. Sirva como ejemplo el caso de la canoa C1, cuyo peso de
medición para competición es de tan sólo 16 kg, por lo que el peso del palista, que puede oscilar
entre los 74 y 96 kg, significa casi un 20% de variación de éste parámetro.
2. Método de navegación: hay tripulaciones que por su envergadura, potencia muscular, hábitos
acumulados a lo largo de los años, método/táctica de navegación, etc. prefieren una configuración
básica inicial al no poderse adaptar a la que en principio podría considerarse óptima.
3. Sensaciones de los deportistas: los tripulantes de alta competición disponen de un "sensor" natural
inigualable y capaz de detectar comportamientos imperceptibles o difícilmente detectables a los
equipos electrónicos o simplemente que en una variación de la configuración se encuentran "más a
gusto", por lo que se obtienen rendimientos mayores de los que en un principio se prevén. El binomio
hombre/máquina es el que hay que optimizar.
8
Figura 4. Prototipo de equipo de monitorización TDE 2012
Años posteriores y tras el estudio y evaluación de nuevos requerimientos se evolucionaron los primeros
equipos y programas de sensorización del proyecto base (denominado TDE-2012 Figura 4) permitiendo
aumentar sus prestaciones en base a una serie de características adicionales implementadas:
a. Integración de nuevos sensores y/o equipos de visualización internos a la embarcación (cámaras de
video giroestabilizada, mini-dinamómetros de seis componentes para evaluación de esfuerzos o
cargas, etc.)
b. Rugerización de los equipos a montar a bordo para soportar las extremas condiciones de
funcionamiento que van a afrontar durante su vida útil.
c. Toma de datos y monitorización en tiempo real y comunicación y envío vía radio para optimizar los
entrenamientos, al poder los entrenadores tomar decisiones acorde a los parámetros de navegación
que visualizan instantáneamente. La selección de las frecuencias de transmisión de datos se hace
con la misma filosofía ya expuesta en el programa CET: universal y de uso libre para permitir su
transportabilidad a la mayoría de países del mundo sin necesidad de adaptación de los equipos.
d. Almacenamiento de los datos de navegación en alta frecuencia para un post-análisis tras los
entrenamientos (grabación realizada en tarjetas micro SD de alta velocidad a través del
microprocesador que controla la adquisición de datos).
e. Diseño y fabricación de plataformas estabilizadas y sensores de bajo coste, reducido tamaño,
rugerización elevada y modularidad, permitiendo reducir la inversión en equipos, la influencia en la
navegación por su volumen (bien a la embarcación bien a los tripulantes), y aumentando la
operatividad del sistema.
Proyectos direccionados a clases olímpicas
El uso de los equipos y protocolos de los proyectos mencionados y ensayos y cálculos hidrodinámicos
permitió la optimización y diseños de las siguientes clases olímpicas:

Piragüismo:
 Piragua modalidad K1
 Piragua modalidad K2
 Canoa modalidad C1-1000 m
 Canoa modalidad C1- 200 m
9

Vela:



470
Tabla clase RS-X
Skud 18 (modalidad paralímpica)
Caso de aplicación real, uso de la herramienta AIR en el diseño de la canoa modalidad C1-1000 m de
David Cal
El proyecto AIR representa un ciclo completo de lo que conlleva el diseño, optimización y construcción de una
embarcación de alta competición.
Tras evaluar las diferentes modalidades de competición y contar con la inestimable ayuda del tándem
formado por David Cal y su entrenador Suso Morlán se decidió enfrentarse al diseño de una nueva canoa de
la modalidad C1-1000 m.
Las modalidades olímpicas para los JJOO Londres 2012 dentro de la canoa C1 (un solo palista) habían
cambiado con las de los JJOO Pekín 2008 pasando de ser 1000 y 500 m (ambas modalidades podrían
enmarcarse en la categoría de resistencia o larga distancia) a ser 1000 y 200 m (una modalidad de
resistencia y la otra claramente de velocidad o sprint).
La configuración física de David Cal y la aparición de un joven palista, Alfonso Benavides (Sete) con una
constitución más adecuada a la opción de 200 m, decanta a que David compita exclusivamente en la
modalidad de 1000 m, centrándose la investigación en mejorar la embarcación para esta modalidad y con un
dato de especial relevancia: el peso esperado para el palista el día de la competición es de 86 kg.
Las únicas limitaciones, establecidas por las Reglas de clase de la International Canoe Federation (ICF) para
estas embarcaciones eran:



Peso mínimo de la embarcación (Regla 6) ............. 16 kg
Longitud máxima (Regla 7) ...................................... 520 cm
Construcción:
o Regla 8.1: longitudinalmente el casco de la canoa no podrá ser cóncava ni horizontal ni
verticalmente.
o Regla 8.3: no podrán emplearse sustancias extrañas que puedan dar una ventaja al competidor.
o Regla 8.6: los barcos deberán ser simétricos respecto al plano de crujía.
o Regla 8.6.1: no pueden llevar timones o cualquier elemento que sirva para su guiado.
El proceso de optimización de esta canoa siguiendo las pautas definidas por AIR, lleva a realizar las
siguientes fases:
1.
2.
3.
4.
Ingeniería inversa
Monitorización
Ensayos en CFD
Ensayos en Canal
Estos pasos no se realizan de forma lineal sino que de forma coordinada e interactuando entre sí a medida
que se van obteniendo resultados. La realización de estas fases permite abordar las tareas de optimización y
toma de decisiones sobre las posibles mejoras. A continuación se detallan las fases de optimización indicadas
y representadas en la Figura 1 y de forma particular, para el caso de aplicación, el siguiente diagrama de flujo
presenta los pasos seguidos (Figura 5):
10
CANOAS
PREPARACIÓN
INSTRUMENTACIÓN
DIGITALIZACIÓN
(BRAZO ARTICULADO)
ENSAYOS DE
RESISTENCIA
IDENTIFICACIÓN
FORMAS
CFD
(Computational Fluids Dynamics)
PESO ORIGINAL
TRIMADO ORIGINAL
 5 kg
 0,5º (Pp/Pr)
ADAPTAR CFD A ENSAYOS
ESTUDIO Y PROPUESTA DE MEJORAS
Figura 5. Metodología de ensayos para determinación de las condiciones de navegación cuasi-estáticas de las canoas y obtención
de resultados para validación de los programas de CFD
Ingeniería Inversa
Siguiendo el esquema del proyecto AIR la primera fase consistió en establecer el punto de partida, mediante
el estudio de las últimas embarcaciones utilizadas en los JJOO y mundiales precedentes. Se procedió a
realizar una ingeniería inversa de las embarcaciones, siguiendo los protocolos y usando los equipos del
proyecto ASA.
A su vez se realizó un estudio histórico de las condiciones meteorológicas existentes en los campos de regata
donde fueron utilizadas, con el fin de evaluar las posibles modificaciones llevadas a cabo para solventar
problemas de viento y/o oleaje1.
Las embarcaciones estudiadas fueron las correspondientes a 2004 y 2008, ambas del mismo fabricante y
formas redondeadas a lo largo de toda la eslora, y la usada en el mundial del año 2010, de formas menos
redondeadas y con un codillo longitudinal de proa a popa.
Los levantamientos permiten ver la diferencia de reparto de volúmenes, obtener curvaturas longitudinal y
transversal y conocer los parámetros hidrostáticos de los barcos. (Figura 6).
Figura 6. Comparativa de canoas modalidad C1 utilizadas en los JJOO de Atenas 2004 y Pekín 2008
1
La modalidad C1 al no permitir asimetrías en la embarcación pero ser la forma de palear por una sola banda se transforma en una
modalidad asimétrica (el palista siempre ataca al agua por el mismo lado), siendo muy importante la orientación del campo frente
al viento pues pueden verse favorecidos los diestros o los zurdos y los palistas grandes o pequeños en función del rumbo de
viento. Este hecho y el estado del oleaje en el campo (campos restringidos pero con olas cortas en función de vientos locales)
obliga a modificaciones en los diseños cambiando el puntal de las embarcaciones y a veces el reparto de volúmenes en la obra
viva.
11
El análisis de formas permite un amplio conocimiento de los parámetros de diseño y el desarrollo de la
geometría necesaria para los cálculos de CFD
Monitorización
Conocer el comportamiento del binomio palista-embarcación es imprescindible para poder definir muchas de
las variables de los cálculos numéricos y para la preparación de los ensayos en canal. Empleando los equipos
descritos y desarrollados en los proyectos TDE y TDE 2012 se puede obtener información de velocidad,
distancia recorrida, escora, trimado, deriva, velocidades angulares y aceleraciones. Los periodos de
monitorización deben programarse para realizarlos en fechas muy próximas a las competiciones para
coincidir con las condiciones físicas óptimas.
Se realizaron dos periodos de monitorización, el primero para conocer las características de paleo y la
definición de los parámetros de funcionamiento de la canoa. Estos datos son los empleados en los cálculos
en CFD y los ensayos en canal.
El segundo periodo de monitorización se realiza sobre el diseño optimizado para verificar que se consiguieron
los objetivos definidos mejorando los resultados obtenidos con las canoas anteriores y permiten además
obtener la posición óptima del palista en la embarcación dependiendo de las condiciones principalmente
meteorológicas. La Figura 7 muestra el equipo de monitorización y la posición de instalación en la canoa
prototipo construida en el CEHIPAR.
Figura 7. Monitorización con el primer prototipo TDE con el piragüista David Cal
Dado que la disponibilidad de equipos olímpicos es muy escasa, no por su falta de colaboración sino por las
necesidades de preparación física continua y sistemática que conlleva a alcanzar condiciones reales de
competición días antes de las diferentes fases eliminatorias o finales, se siguieron dos vías totalmente
diferenciadas a la hora de obtener datos que permitieran avanzar en el diseño de la embarcación:
1. Estudio de las regatas llevadas a cabo en alta competición los últimos años: se dispuso de los videos
de competición de los últimos eventos internacionales, que se analizaron detalladamente con el fin de
obtener los parámetros necesarios. La razón de sólo emplear este tipo de registro y no los obtenidos
en competiciones inferiores fue porque el rendimiento en plena forma física y el de preparación para
su obtención es totalmente distinto, pudiendo ser hasta un 30% inferior, por lo que los resultados
12
varían sustancialmente. De ellos se obtuvieron velocidades y aceleraciones en los diferentes tramos
de la regata (Figura 8)
Velocidades
4,90
Atenas 2004 (1000 m)
Mundial 2007 (500 m)
4,80
Pekín
2008 (500 m)
Pekín
2008 (1000 m)
Velocidad (m/s)
4,70
4,60
4,50
4,40
4,30
4,20
0 - 250
250-500
500-750
750-1000
Distancias (m)
Figura 8. Análisis resultados en competiciones anteriores
2. Monitorización del palista haciendo uso de los protocolos y equipos desarrollados en el programa
TDE y TDE 2 (Figura 7): se llevaron a cabo diferentes sesiones para obtener una base de datos fiable
dada las posibles diferencias de navegación que se debían contemplar.
Como punto de partida se consideraron los datos de navegación de una situación totalmente
controlable, es decir, sin viento ni oleaje, con vistas a minimizar incertidumbres en las medidas. Para
ello se contó con la presencia del equipo (entrenador y palista) en las instalaciones del CEHIPAR,
realizándose distintas mediciones para el estudio de arrancada y ritmo sostenido en los primeros
250 m y a distintos niveles de carga de trabajo, o lo que es lo mismo a cambios de niveles de
cansancio y/o esfuerzo del palista. En ellas se obtuvieron los parámetros de velocidad y movimientos
inducidos por el palista (escora, derivas, trimados, ....) y dando lugar a un primer dato muy interesante
que posteriormente sirvió de referencia al entrenador: estudios de frecuencia de paladas, longitud de
la palada, repaleos, etc. (Figura 9).
Figura 9. Sesión de toma d datos de David Cal en el Canal de Aguas tranquilas del CEHIPAR y gráficos de registro
Posteriormente se realizaron mediciones en diferentes ambientes y sesiones que tuvieron lugar en el
río Deva (Pontevedra) lugar habitual de trabajo del equipo, y en el embalse de Cervo (Lugo) lugar de
concentración durante largos períodos, que fue seleccionado por disponer de unas características
muy similares a la pista de competición de los JJOO de Londres 2012, tanto en temperatura,
humedad, altitud, etc. como en condiciones meteorológicas (la selección de este embalse regulador
13
de flujo de agua de una industria local permitió disponer de datos más que reales y equivalentes a los
que se iban a encontrar durante la competición).
Cálculos CFD y ensayos en canal
Los cálculos numéricos permiten predecir las características hidrodinámicas de los nuevos diseños sin la
necesidad de construir y ensayar las carenas, ahorrando tiempo y dinero al proyecto. A las formas obtenidas
de los modelos existentes se le realizaron cálculos de CFD para establecer su resistencia al avance, a la vez
que se realizaron ensayos para obtener la validación de dichos programas. Los ensayos se realizaron en
nueve configuraciones distintas para todas las embarcaciones, correspondientes a tres situaciones de
desplazamiento (suponiendo el peso de diseño y una variación de más menos 5 kg), y a otras tres situaciones
de trimado (posición normal del palista en la embarcación, una con el palista a proa y otra equivalente con el
palista a popa).
Para poder realizar ensayos y cálculos de CFD fue necesario previamente obtener los parámetros de
navegación para con ello poder determinar velocidades y aceleraciones de diseño así como conocer los
momentos inducidos por el palista para una posterior optimización en lugar de intentar minimizar dichos
movimientos2 o diseñar unas formas en los que los movimientos no tuvieran gran influencia en el cambio de
resistencia.
Los primeros cálculos en CFD (Figura 10) fueron los correspondientes a las embarcaciones existentes
empleadas en anteriores campeonatos. El proceso de validación es sencillo ya que se pueden ensayar en el
canal las canoas existentes (no es necesario construir modelos) y obtener las fuerzas y momentos que actúan
sobre las carenas. Del mismo modo se calculan en las mismas condiciones mediante CFD y se comprueban
que los resultados son válidos. En la Figura 11 se comprueba la diferencia obtenida entre la resistencia
calculada en CFD y la medida en ensayos. Esta diferencia no permite validar la modelización numérica para
obtener resultados cuantitativos pero sí para análisis cualitativos.
Figura 10. Resultados de CFD (Presiones en casco y mapa de olas)
2
La opción de minimizar los movimientos inducidos por el palista se descartó desde un primer momento, por dos
motivos fundados: en primer lugar porque es muy difícil intentar modificar la forma de palear de un profesional y en
segundo lugar, y causa más fundada, es debido a que el cambio de apoyos, posición forma de palear, ... depende
enormemente de la constitución física y desarrollo muscular del deportistas y modificaciones insignificantes (que
algunos son capaces de absorber sin mayor problema) pueden dar lugar a lesiones o malformaciones muy
importantes.
14
Errores (Ensayos vs CFD)
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
0,0%
-1,0%
Nelo C1 VANQUISH SCS - NELO 2005
Nelo C1 VANQUISH III SCS - NELO 2008
-2,0%
Plastex el C1 FIGHTER - BIG –PLASTEX 2010
-3,0%
Error (%)
-4,0%
-5,0%
-6,0%
-7,0%
-8,0%
-9,0%
-10,0%
-11,0%
Velocidad (m/s)
Figura 11. Comparativa de resultados CFD y ensayos
Con los resultados obtenidos en CFD's y en las diferentes monitorizaciones se procedió a un diseño nuevo de
embarcación con los siguientes criterios:




Optimizada para un palista de 86 kg de peso.
Potencia obtenida de los registros del palista.
Velocidad mantenida equivalente a la mínima del palista en 1000 m.
Minimización de resistencia y a ser posible de movimientos.
En la fase de análisis CFD se comparaban los resultados de embarcaciones actuales con los de las nuevas
versiones optimizadas, permitiendo seleccionar la mejor configuración para los ensayos en canal, en la Figura
12 se comprueba la disminución de la resistencia al avance conseguida con diferentes evoluciones, la
propuesta denominada “E” con una importante reducción de la resistencia al avance fue la seleccionada para
construir el modelo y ensayar en el canal.
Figura 12. Resistencia al avance obtenida por CFD de las evoluciones a estudio
15
Resultado final
Como conclusión del proceso expuesto se obtuvo un nuevo diseño de canoa modalidad C1-1000m, que fue
homologada en el mundial de Szeged 2011 (Hungría) y posteriormente validada en los JJOO de Londres
2012.
Todo ello ha permitido cerrar un ciclo de un proyecto global que abarca desde el estudio de las
embarcaciones actuales hasta la construcción de la canoa de competición denominada
"C1 HIDALCOM 2832 E" en una industria nacional y tras la correspondiente transferencia de tecnología
(Figura 13).
Figura 13. David Cal en el embalse de Cervo evaluando la embarcación C1-HIDALCOM-2832-E
Conclusiones
El desarrollo y los resultados obtenidos con el Proyecto AIR, así como la perspectiva que ofrece su enfoque
integral, han permitido definir una herramienta muy potente para su aplicación sistemática en Equipos
Olímpicos y de Alto Nivel en los deportes náuticos. Tanto la Vela, que es el deporte que más medallas
olímpicas ha conseguido para nuestro país (con 19 medallas), como el Piragüismo que consiguió en los
pasados Juegos de Londres 2012 tres medallas, entre ellas una de David Cal (deportista español más
laureado en Juegos Olímpicos con 5 medallas); e incluso, el Remo, con sólo una medalla olímpica pero con
un potencial enorme de mejora, pueden verse beneficiados de la aplicación del AIR en apartados como:


La Mejora del rendimiento y control del entrenamiento.
o Optimizando los entrenamientos de los deportistas facilitándoles la comprensión de lo que
sucede en el entorno regatista-embarcación, las influencias de los errores de alineación de los
apéndices y la validación de sus sensaciones.
Los Factores de rendimiento en deportistas exitosos.
o Los deportistas de muy alto nivel, ya tienen un conocimiento muy alto sobre la disciplina que
practican y conseguir mejoras requieren un esfuerzo (y tiempo) mucho mayor. Además se
añaden presiones psicológicas, especialmente en campeonatos de importancia y clasificatorios
para olimpiadas. El proyecto AIR les ayudará a canalizar los esfuerzos y a mejorar la capacidad
de análisis en los entrenamientos que aprovecharán directamente en estos eventos importantes.
o La capacidad de uso de la tecnología de integración a desarrollar por este proyecto será
claramente un diferencial respecto al resto de competidores. Traduciéndose en unos segundos o
fracciones de segundo de ventaja sobre el resto de competidores, lo que para estos niveles
supone estar en el podio o no.
16


El Desarrollo tecnológico en equipamiento y material deportivo, dirigidos a la protección del
deportista y la mejora del rendimiento en la alta competición.
o El Proyecto AIR consigue la optimización en los equipamientos empleados por los regatistas
(embarcaciones, conjunto aparejo y velas, palas…), además de mejorar el rendimiento de las
embarcaciones y optimizar los entrenamientos. Los protocolos desarrollados permitirán facilitar la
complicada tarea de seleccionar el material y equipamiento, ya que en la actualidad, los criterios
de selección están basados en la experiencia y tiempo de uso y no en resultados numéricos
basados en mediciones además de que el usuario podrá validar sus sensaciones y adquirirá más
fluidez a la hora de valorar determinadas características de su embarcación. El ahorro en tiempo
o en recursos económicos será considerable.
Las Estrategias y métodos de monitorización y análisis objetivo de la actividad física y el
deporte.
o Este proyecto refuerza los desarrollos de monitorización y análisis de sensaciones sobre las
embarcaciones ya que integrará éstos con las mediciones previas de simetrías y las
comunicaciones entre regatista y entrenador.
o Los resultados permitirán un análisis objetivo de las prestaciones de la embarcación y su
interacción con el regatista, permitirán realizar análisis de progresión de resultados al poder
disponer de un histórico de actuaciones comparables entre sí.
Este potencial de mejora establece una relación intrínseca entre la investigación y los equipos competitivos,
esta investigación debe ser, además, una investigación aplicada que sin menospreciar a la teórica, la aplicada
ofrece resultados tangibles para los entrenadores y regatistas. Siendo la colaboración del tándem entrenadordeportista en las investigaciones fundamental, la comunicación investigadores-“usuarios finales” tiene que ser
fluida y directa.
El proyecto AIR, como proyecto de investigación puntero, requiere de una dinámica continua para seguir
creciendo y mejorando. Es por ello que se han evaluado y está en vías de desarrollo las siguientes mejoras:



Mejora de las técnicas de ingeniería inversa, especialmente en la generación de superficies desde la
nube de puntos y en la incorporación de láser escáner para grandes volúmenes.
Validación de CFD, el CEHIPAR tiene la capacidad de validar los cálculos en CFD con sus ensayos
con la ventaja adicional de que los ensayos son a escala real en este tipo de embarcaciones
olímpicas. Debe mejorarse el nivel de ajuste de la solución obtenida de los CFD mediante estudios
más detallados de convergencia de malla, dimensiones del dominio y especialmente en los modelos
de turbulencia. En este último sentido, la tendencia para los próximos cálculos será la de emplear el
programa de código libre OpenFOAM que permite una mejor adaptación de los modelos de
turbulencia según el tipo de problema que se presente, pero a su vez requiere un mayor esfuerzo y
dedicación por parte de los investigadores.
Otro campo de mejora, que ya está evaluado, es la incorporación a los ensayos físicos o numéricos
de los movimientos intrínsecos de las embarcaciones (cabeceo, guiñada, avance, etc.) que influyen
en gran medida en las prestaciones de las embarcaciones. En caso de CFD, aplicando mallas
móviles y en los ensayos en canal mediante la incorporación de un hexápodo que simule los
movimientos registrados en la monitorización.
Agradecimientos
La principal razón por la que se han podido realizar estos proyectos de investigación ha sido sin duda el
apoyo y valor humano de todas las personas que han permitido mediante su inestimable ayuda y empuje
hacer propias las ideas que se exponían, defenderlas y elevarlas a las instancias correspondientes en los
diferentes estamentos e instituciones que han colaborado al buen desarrollo del conjunto de proyectos.
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La masa crítica generada a todos los niveles y concepto de "equipo de trabajo e investigación" ha sido
fundamental para generar esa tan necesaria fuerza para llevarlos a cabo.
Agradecer el apoyo y subvenciones del Consejo Superior de Deportes (CSD) y del Canal de Experiencias
Hidrodinámicas de El Pardo (CEHIPAR) sin cuyas ayudas y apoyos continuos hubiera sido imposible llevar a
cabo estos trabajos, así como a las Reales Federaciones Españolas de Piragüismo (RFEP) y Vela (RFEV), a
la Cátedra Madrid Diseño de Yates (MDY) y a la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte
(INEF) ambos dependientes de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y sin olvidar a la Diputación de
Pontevedra que en momentos críticos de continuidad nos aportó la ayuda y ánimo suficiente como para no
parar lo que podría haber significado el fin de los trabajos.
Agradecer así mismo la colaboración de las siguientes empresas en diferentes fases de los proyectos:
Aerovisual, Ceotronics, Corporate Sailing, Hexagon Metrology y Stock RC.
Punto y aparte un agradecimiento muy especial a los becarios de los diferentes proyectos por su encomiable
trabajo, desvelos y nunca mejor dicho a veces colaboración desinteresada.
En último lugar reconocer y agradecer el apoyo total y absoluto de los dos mejores colaboradores que han
aportado mucho más de lo que han obtenido pues sin su disponibilidad, sabiduría, colaboración y buen
entender hubiera sido imposible realizar la mitad de los trabajos: el entrenador Jesús Morlán Fariñas (Suso) y
su amigo y palista David Cal. Ellos tuvieron claro desde el principio el alcance del proyecto y la necesidad de
aunar esfuerzos entre desarrolladores y "usuarios finales". Muchas gracias.
Bibliografía
[1] T. J. Bugalski, Hydromechanics for Development of Sprint Canoes for the Olympic Games, 2008.
[2] F. Fossati, Aero-Hydrodynamics and the Performance of Sailing Yachts: The Science Behind Sailboat
and Their Design., McGraw-Hill, 2009.
[3] CEHIPAR, "Proyecto ASA. Alineación y asimetrías de apéndices. 09/UPB10/10," 2010.
[4] CEHIPAR, "Proyecto CET. Comunicaciones Entrenador y Deportista. 08/UPB10/10," 2010.
[5] CEHIPAR, "Proyecto TDE. Toma de datos en entrenamientos. 007/EPB10/11," 2011.
[6] CEHIPAR, "Proyecto TDE - 2012. Toma de datos en entrenamientos 2012. 007/EPB10/12," 2012.
[7] CEHIPAR, "Proyecto OHC1 - 200. Optimización hidrodinámica C1-200. 006/EPB10/12," 2012.
[8] CEHIPAR, "Proyecto OHK1. Optimización hidrodinámica K-1. 005/EPB10/12," 2012.
[9] CEHIPAR, "Proyecto OHK2. Optimización hidrodinámica K-2. 004/EPB10/11," 2011.
[10] CEHIPAR, "Proyecto OHK2. Optimización hidrodinámica K-2. 001/EPB10/11," 2011.
[11] CEHIPAR, "Proyecto AIR. Análsis Integral del Rendimiento. 008/EPB10/12," 2012.
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