Tema 4. Gobierno del buque: evolución y parada. 4.1 Descripción de la curva evolutiva del buque. Es el nombre de la trayectoria descrita por el c. de g. G del buque al meter el timón a la banda; trayectoria que es consecuencia de otros dos movimientos: uno lineal con velocidad V sobre la tangente a la curva en dicho punto G, y otro de giro del diametral alrededor de G con velocidad angular ω. Si O es el centro instantáneo de rotación, el movimiento de G alrededor de dicho punto, es precisamente la llamada “curva de evolución”. Que participa de otros dos movimientos: a) Un movimiento de traslación de G sobre el plano diametral con velocidad lineal V·cos δ . b) Un movimiento de rotación de G alrededor del punto O1, punto resultante de proyectar el O sobre diametral del buque. Como consecuencia de estos dos movimientos de G, aparece una fuerza resistente Rd sobre el plano diametral, en sentido contrario a la traslación de G y otra fuerza resistente perpendicular al plano diametral, debido al movimiento de rotación de G alrededor de O1, Rt; esta resistencia aumenta en los puntos más alejados de G por tanto, su punto de aplicación estará a popa de él. Componiendo Rd y Rt, obtenemos la llamada resistencia oblicua opuesta por el medio a la evolución del plano de deriva del buque, Ro. Fig. 4.1 .- Curva de evolución. Fuerzas que actúan en el buque durante la evolución. Fig. 4.2 .- Fuerzas que actúan en la curva de evolución. Pn = Presión normal en la pala. (Pn, - Pn) = Fuerzas que constituyen el par de evolución. Ro = Resistencia oblicua del medio. (Ro, - Ro) = Fuerzas que constituyen el par resistente que se opone al giro y a la traslación del plano de deriva. Pp = Fuerza propulsora. Fuerzas originadas por la propulsión, resistencia del medio y la presión normal en la pala, sobre el plano normal al movimiento, en un instante: Ppn, Ron y Pnn. Fuerzas originadas por la propulsión, resistencia del medio y la presión normal en la pala, sobre el plano tangencial al movimiento, en un instante: Ppt, Rot y Pnt. Ecuación del movimiento giratorio. I– γ = Mtoe – Mtor (1). I = Mto. de Inercia del buque respecto al eje de giro que pasa por el centro de gravedad del buque. γ = dϖ , aceleración angular del movimiento giratorio. dt Mtoe = Momento de evolución. Mtor = Momento resistente del medio al giro del plano de deriva. Ecuaciones del movimiento lineal de «G». Fuerza tangencial = F t = Ppt – Rot - Pnt = M ·a = M · dν (2) dt M ⋅ν 2 (3) Fuerza centrífuga = F c = Ppn + Ron - Pnn = r Analicemos desde el principio la curva de evolución con la ayuda de la figura. Posición 1.- Antes de meter el timón actúan tan solo la P y la Rd. Posición 2.- Ecuación (2). Al comenzar a meter timón aparece la Pn y, consecuentemente la – Pn, por lo que la ecuación (3) queda reducida a (-Pnn), y hay una traslación transversal (abatimiento) del buque, a la banda contraria adonde se metió la pala. Aunque posteriormente aparezcan las componentes transversales de Pp y Ro, predomina inicialmente la de Pn, o sea, que Ppn + Ron < -Pnn. Posición 3.- Seguimos metiendo caña. La velocidad de giro del plano diametral alrededor del centro de gravedad del buque, sigue aumentando y, por tanto, la aceleración angular << γ >> se sigue incrementando; aumenta, por tanto, el ángulo de deriva « δ », y, como consecuencia, las componentes sobre el plano normal de Pp y Ro (Ppn y Ron); hasta que se igualan con la componente normal de Pn (Pnn), M ⋅ν 2 ; r = ∞ , punto de inflexión de la curva. Ppn + Ron = Pnn; F, = 0 = r El momento de evolución predomina sobre el momento resistente, y la velocidad angular sigue aumentando, igualmente el ángulo « δ », y, como consecuencia, las proyecciones sobre el plano tangente y normal al movimiento de la Pp, Ro y Pn; variando como consecuencia la velocidad lineal «V» y la fuerza centrífuga M · v 2 r Fig. 4.3 .- Posición en la curva evolución. Posición 4.- En este momento tenemos toda la caña metida, pero el momento evolutivo va por delante del resistente, y como consecuencia todo continúa incrementándose. Posición 5.- En este momento se igualan los momentos evolutivo y resistente. Ecuación (1); I – γ = Mtoe – Mtor dν ; la derivada de una constante es cero, por tanto, la dt velocidad angular « ω» queda constante. A la vista del anterior análisis observamos tres fases o periodos: Como, I distinto de 0 ; γ =0= a) Fase de maniobra. Fase que dura desde la posición (1) hasta la (4), o sea, desde que se empieza a meter caña hasta que se llega al ángulo deseado. b) Fase variable. Fase que dura desde la posición (4) hasta la (5). Durante esta fase permanece constante el ángulo de caña, pero todavía no se ha establecido el equilibrio dinámico entre las fuerzas que intervienen en la evolución del buque. c) Fase uniforme. A partir de la posición (5): Empieza esta fase cuando al establecerse el equilibrio dinámico entre las fuerzas que intervienen en la evolución del buque, el movimiento del buque se convierte en circular y uniforme y su velocidad se ha reducido a un 60% de la que tenía al iniciar la evolución. Con ángulo de deriva que varía entre 6º y 10º, y después de haber girado el buque 180º con respecto al rumbo primitivo. El ángulo de metida α , ya no será el que forma la pala con el diametral puesto que durante la evolución los filetes líquidos incidirán en la pala bajo el ángulo α ′ menor que α ; por otro lado la velocidad V’ será que V, razones por las cuales Jöessel experimentalmente determinó que durante el periodo uniforme, el momento evolutivo permanece constante. Las características de la curva de evolución son las siguientes: a) Avance. Es la distancia GB medida sobre el rumbo que lleva el buque al iniciar la evolución, hasta que forma 90° su rumbo actual con el primitivo. También se puede decir que es la distancia comprendida sobre el rumbo primitivo, entre el origen de la evolución y la proyección del centro de gravedad del buque en la posición (11), sobre la recta del rumbo primitivo. Es el espacio que se necesita para librar un obstáculo por la proa; su valor oscila según las ciases de buques entre 4 y 8 esloras. El avance es uno de los datos de las tablas de evolución del buque para distintas velocidades y ángulos de timón. b) Diámetro táctico, es la distancia MN comprendida entre la recta del rumbo primitivo y la que forma 180° con ella. Es el espacio que se necesita para cambiar 180° sobre el rumbo primitivo; su valor oscila, según las clases de buques, entre 6 y 10 esloras. c) Traslado lateral de una posición cualquiera del centro de gravedad del buque en la curva de evolución, es la distancia comprendida entre «G» y la recta del rumbo primitivo, GB. Fig. 4.4 .- Características curva evolución. En las tablas de evolución para distintas velocidades y ángulos de timón, se consideran dos traslados laterales: El GB, correspondiente a la posición del buque (II), cuando forma 90º con el rumbo primitivo. El M N , correspondiente a la posición del buque (III), cuando forma 180º con el rumbo primitivo, definido anteriormente como diámetro táctico. Reciente investigaciones en lo que respecta a las características de la curva de evolución, de sesenta buques de distintos tipos, han dado un valor promedio, en el siguiente parámetro: Dt 100 ⋅ S p Cm ⋅ ⋅ = 0,25 a 0,35 E E ⋅ Cm E y δ− C pp − C pr 6 ⋅ Cm = 0,75 a 0,80 D = Diámetro táctico. E = Eslora entre perpendiculares. Sp = Superficie de la pala del timón. Cm = Calado medio. Sp = Coeficiente bloque. Cpp - Cpr = Asiento. Los valores obtenidos con este parámetro han sido un poco dispersos, y según se cree parece ser debido: a) Variación del tiempo necesario para mover la pala del timón «todo a la banda», en los distintos buques. b) Influencia de las pequeñas diferencias, en el ángulo máximo que se puede meter el timón a la banda, en los distintos buques. c) Influencia de la poca profundidad del agua. Finalmente diremos que, en función del anterior parámetro, llegamos a la conclusión que en los actuales tipos de buques mercantes de gran coeficiente bloque, un valor del «Diámetro táctico» de 4 a 5 veces la Eslora entre perpendiculares, es bastante aproximado. Para terminar, podemos añadir las características más importantes a este respecto, de los modernísimos buques-tanque de 500.000 toneladas métricas de desplazamiento en máxima carga, deducidas prácticamente de sus «Pruebas de mar»: a) El «Avance» de la Curva es de 3,10 veces su Eslora entre Perpendiculares. b) El «Diámetro táctico» es de 3,30 veces su Eslora entre Perpendiculares. c) El Giro completo de la Curva en máxima carga y máxima potencia (40.000 SHP), lo hace en catorce minutos diez segundos. d) Si navegando «Toda Avante» el buque, se ordena «Toda Atrás», éste avanza 5.290 metros en un tiempo de veintidós minutos cuarenta segundos. 4.2 Distancia de parada. A nadie se le escapa la importancia de conocer el espacio necesario para que un buque pueda frenar su arrancada, para ello es importante que el astillero constructor nos los facilite, al igual que el resto de la pruebas de navegación, en los momentos anteriores a la entrega del buque. Si desgraciadamente no se posee ese dato es conveniente tratar de realizar experiencias de frenado con distintos desplazamientos y asientos de calados en cuanta oportunidad se presente, sobre una base medida. De esa forma se evitará la desagradable sorpresa de no poder parar el buque en la distancia deseada. No hay que pensar que un buque de 212.000 HP y de 60.000 tons de desplazamiento ha de parar antes que un buque de igual tonelaje con 16.000. debido a la falta de proporcionalidad entre dimensiones, desplazamiento y potencia de máquinas. Generalizando para buques mercantes convencionales chicos podemos decir que dejando el timón a la vía e invirtiendo la máquina, dando atrás con la misma potencia que se venía navegando, un buque motor recorre hasta detenerse de 3 a 5 esloras. Si el buque no utilizaba toda su máquina avante al ciar se detendrá antes. En los buques cuyo elemento propulsor son las turbinas, estas desarrollan un 70 por ciento de potencia al ciar. La distancia puede entonces alcanzar las 7 esloras. Los buques con cargas líquidas requieren mayor espacio para detenerse que otros similares con carga seca, debido a la inercia de las cargas líquidas. Los buques de mediano desplazamiento necesitan cerca de 7 esloras para detenerse. Existen diferentes estudios con formulaciones empíricas que se acercan bastante a la experiencia en la mar. Entre ellas encontramos las realizadas en Argentina por el Capitán Vela Berdeguer nos ofrece la siguiente fórmula para determinar la distancia en que se detiene un buque mediano, alrededor de 185 m. de eslora, de casco corriente, velocidad moderada y timón convencional: Distancia (en pies) = 0,0397 D ⋅V 2 R en la cual D es el desplazamiento, V la velocidad en millas y R la resistencia en toneladas. La resolución de esta fórmula para los buques de esas medidas, 185 mts. de eslora, nos da una distancia equivalente a 7 esloras. El Capitán V. Gómez nos da algunos datos sobre la distancia que recorren y el tiempo que emplean en detenerse algunos gigantes del mar al pasar de toda máquina adelante a toda máquina atrás. DESPLAZAMIENTO Velocidad en Kn. 120.000 14 -18 150.000 14 -18 206.000 14 -18 65.000 12 79.000 4-8 Estabilidad direccional del buque. Emergencia Distancia T MAQ. ATR T. MAQ, ATR T. MAQ, ATR T. MAQ, ATR T. MAQ, ATR 3.962 5.334 5.639 2.623 1.000 Tiempo (MIN) 13 16 21 10 6A9 Cuando un buque en movimiento se escora por cualquier causa, no responde al timón como cuando se encuentra adrizado. Esto es debido a que parte de la energía del timón, que es lateral, se convierte en vertical y carece de efecto útil para el gobierno. Un buque escorado tenderá a gobernar su proa hacia la banda sumergida, siendo necesario meter la pala del timón un cierto ángulo hacia la parte emergida para contrarrestar dicho efecto. Las condiciones de asiento tienen un efecto considerable en la gobernabilidad del buque. Si se halla muy calado de popa gobernará bien, y además, el buque desarrollará gran potencia debido a que la hélice cogerá muchas aguas en relación con el desplazamiento; peor será difícil hacer caer su proa en contra del viento, es decir, de orza, debido a que el escaso calado de esta cabeza hace el efecto de un foque. Con un buque en estas condiciones hay que maniobrar con precaución cuando evoluciona a lo largo de un muelle. En el caso de que el buque esté aproado, responderá mal al timón; pero una vez iniciada la caída será difícil detenerla. La potencia será baja y la maniobrabilidad incierta por lo que es conveniente que nunca se tenga al buque en estas condiciones. 4.3 Información de la maniobra del buque que debe conocerse y presentarse en el puente de gobierno del buque. 1. Tablilla de Practicaje. La Tablilla de Practicaje, que será llenada por el Capitán, tiene por objeto dar información al práctico cuando éste suba a bordo. La información debe describir la condición del buque en ese momento, en lo que atañe al equipo de carga, de propulsión y de maniobra y a todo equipo pertinente. Los datos facilitados en la Tablilla de Practicaje se ofrecen sin necesidad de realizar pruebas especiales de maniobra. 2. Tablón de Gobierno. El Tablón de Gobierno irá expuesto permanentemente en lugar visible del puente de navegación. Contendrá pormenores generales e información detallada de las características de maniobra del buque, y su tamaño será suficiente para que resulte cómoda su lectura. El comportamiento del buque en las maniobras podrá diferir del presentado en el Tablón, en razón de condiciones ambientales del casco y de la carga. 3. Cuadernillo de Maniobra. El Cuadernillo de Maniobra se llevará a bordo y en él deben figurar los pormenores completos acerca de las características de maniobra del buque, así como otros datos útiles. El Cuadernillo de Maniobra comprenderá la información contenida en el Tablón de Gobierno junto con la demás información relativa a la maniobra de que se disponga. La mayoría de la información relativa a la maniobra qué figure en el Cuadernillo puede tener carácter estimativo, pero al menos ciertos datos se deberán extraer de las pruebas de mar. La información dada en el cuadernillo debe completarse durante la vida útil del buque. Información que se recomienda incluir en el cuadernillo de maniobras. INDICE 1. Descripción general. 1.1. Características del buque. 1.2. Características de la máquina principal. 2. Características de maniobra en aguas profundas. 2.1. Compartimiento del buque cuando se cambia de rumbo. 2.2. Curvas de evolución en aguas profundas. 2.3. Evolución acelerada. 2.4. Pruebas de control direccional. 2.5. Maniobras en caso de hombre al agua. 2.6. Efectividad de los impulsores laterales. 3. Características de parada y control de velocidad en aguas profundas. 3.1. Capacidad de parada. 3.2. Comportamiento del buque durante la desaceleración. 3.3. Comportamiento del buque durante la aceleración. 4. Características de maniobra en aguas poco profundas. 4.1. Curva de evolución en aguas poco profundas. 4.2. Empopamiento. 5. Características de maniobra con viento. 5.1. Fuerzas y momentos producidos por el viento. 5.2. Limitaciones en cuanto al mantenimiento del rumbo. 5.3. Abatimiento por el efecto del viento. 6. Características de maniobra a baja velocidad. 7. INFORMACION ADICIONAL 1. Descripción general. 1.1. Características del buque. 1.1.1. Generalidades. Nombre del buque, número o letras distintivos, año de construcción. 1.1.2. Arqueo bruto y datos conexos. Arqueo bruto y datos desplazamientos (con el calado de verano). 1.1.3. Dimensiones y coeficientes principales. Eslora total entre perpendiculares, manga (de trazado); puntal (de trazado), calado de verano, calado en lastre normal, coeficientes del casco en las condiciones de carga de verano y en lastre normal. Altura máxima de la estructura del buque por encima de la quilla. 1.1.4. Máquina principal. Tipo, número de unidades y potencia disponible. 1.1.5. Hélice. Tipo, número de unidades diámetro, paso, sentido de la rotación, inmersión de la hélice. 1.1.6. Timón. Tipo, número de unidades, superficie total de la pala, relación de áreas del timón (a plena carga y en lastre). 1.1.7. Impulsores de proa y de popa. Tipo, número de unidades, capacidad de cada uno y emplazamiento. 1.1.8. Perfiles de proa y popa. 1.1.9. Sectores ciegos a proa y a popa con especificación de sus dimensiones (con plena carga y en lastre). 1.1.10. Otras características del casco. Área proyectada de los perfiles longitudinal y lateral por encima de la flotación (con plena carga y en lastre). Longitud del cuerpo cilíndrico (con plena carga y en lastre), que se tendrá en cuenta por atracar. 1.2. Características de la máquina principal. 1.2.1 Tablas de velocidades de maniobra (medidas o estimadas en las condiciones de plena carga y de lastre). Régimen de revoluciones de la máquina, velocidad del buque y empuje (avante) correspondientes a cada orden a las máquinas. 1.2.2. Régimen critico de revoluciones. 1.2.3. Tiempo necesario para que surtan efecto los cambios de sector del telégrafo de máquinas que se especifican en 3.1.2. en condiciones normales y en emergencia. 1.2.4. Tiempo límite en marcha atrás. 1.2.5. Régimen mínimo de revoluciones para que funcione el motor (motores diesel) y velocidad correspondiente del buque. 1.2.6. Número máximo de arranques consecutivos (para motores diesel). 2. Características de maniobra en aguas profundas. 2.1. Compartimiento del buque cuando se cambia el rumbo. 2.1.1. Resultados de la prueba inicial de evolución (medios o estimados, en condiciones de plena carga y de lastre). Condiciones de las pruebas, diagramas del ángulo de rumbo en función del tiempo y de la trayectoria del buque. 2.1.2. Resultados de la prueba de cambio de rumbo (medios o estimados, en las condiciones de plena carga y de lastre). Curvas de la distancia recorrida hasta el cambio de rumbo y punto inicial de metida a la banda opuesta para obtener el ángulo necesario de cambio de rumbo en condiciones de plena carga y de lastre). 2.2. Curvas de evolución en aguas profundas (datos medios o estimados, en las condiciones de plena carga y de lastre). 2.2.1. Resultados de la prueba de evolución. Condiciones del test de la prueba (avance y traslado y trayectoria de la evolución con velocidad máxima de servicio avante. 2.2.1.1. Curvas de evolución en condiciones de plena carga y de lastre (se indicará la trayectoria de la popa). 2.2.1.2. Los datos presentados se referirán a la evolución a estribor (a menos que exista una diferencia significativa en relación con la evolución a babor). 2.2.1.3. La velocidad inicial del buque será la máxima de servicio avante. 2.2.1.4. Se indicarán específicamente los tiempos y las velocidades de evolución a 90°, 180°, 270° y 360° y se presentará un diagrama del buque. 2.2.1.5. El ángulo de metida utilizado en la prueba será el ángulo de metida máxima. 2.3. Evolución acelerada (datos medidos o estimados). 2.3.1. Se presentarán los datos en zig-zag y de la maniobra de restablecimiento en condiciones de plena carga y de lastre del mismo modo que en 2.2. respecto de las curvas de evolución. Se hará que el buque acelere desde la condición de parado con la máquina dando avante toda con velocidad de maniobra y con el ángulo de metida máximo. 2.4. Prueba de control direccional (datos medidos o estimados). 2.4.1. Resultados de la prueba en zig-zag y de la maniobra de restablecimiento en condiciones de plena carga y de lastre, presentados en forma de diagrama de los cambios de rumbo de la proa y de ángulo de metida. 2.5. Maniobras en caso de hombre al agua y de trayectoria paralela. 2.5.1. Maniobra en caso de hombre al agua (datos medidos). Se presentarán diagramas de las maniobras de evolución a estribor y babor en condiciones de plena carga y de lastre. 2.5.2. Maniobra para el establecimiento de derrota paralela (datos estimados). Diagramas que muestre la traslación lateral con respecto a una derrota paralela, después de aplicar el ángulo de metida máximo. 2.6. Efectividad de los impulsores laterales (datos metidos e estimados). 2.6.1. Se presentarán diagramas del comportamiento del buque durante la evolución siendo la velocidad avante cero, tanto en condiciones de plena carga como de lastre, con los impulsores de proa y de popa actuando por separado y en combinación. 2.6.2. Se incluirán diagramas que muestren el efecto de la velocidad avante en el comportamiento evolutivo del buque. 2.6.3. Se presentará información relativa a los efectos del viento. Sobre el comportamiento evolutivo del buque. 3. Características de parada y control de velocidad en aguas profundas. 3.1. Capacidad de Parada. 3.1.1. Resultados de la prueba de parada (medidos). Condiciones de la prueba, trayectorias del buque, rpm, velocidad, distancia recorrida, alcance longitudinal y alcance lateral. Se efectuarán dos a más pruebas, incluidas una prueba de atrás toda a partir de avante con velocidad máxima de servicio y una prueba de atrás toda a partir de avante toda. 3.1.2. Capacidad de parada (estimada). Se presentarán información y diagramas sobra la distancia recorrida, el alcance longitudinal, el alcance lateral, el tiempo de parada y el factor de desaceleración, de la distancia recorrida (distancia/nudo perdido) para un buque en condiciones de plena carga y de lastre, lo cual comprenderá las siguientes modalidades de maniobra de parada: - atrás toda a partir de avante con velocidad máxima de servicio. - atrás toda a partir de avante toda fuerza. - atrás toda a partir de avante medía fuerza. - atrás toda a partir de avante despacio, - parar las máquinas a partir de avante con velocidad máxima de servicio. - parar las máquinas a partir de avante toda fuerza. - parar las máquinas a partir de avante media fuerza. - parar las máquinas a partir de avante despacio. 3.2. Comportamiento del buque durante la desaceleración (datos estimados). 3.2.1. Capacidad de desaceleración (estimada). Se presentarán información y diagramas sobre, la distancia recorrida. El tiempo de parada y el factor de desaceleración de un buque en condiciones de plena carga y de lastre dadas las siguientes órdenes a máquinas: - desde la velocidad máxima de servicio a “máquinas listas” 3.3. - avante toda a avante media fuerza. - de avante media a avante despacio. - de avante despacio a avante muy despacio. Comportamiento del buque durante la aceleración (datos estimados). 3.3.1. Se dará información con diagramas correspondientes a la distancia recorrida y al tiempo necesario para que el buque alcance la velocidad máxima de servicio partiendo de velocidad cero. 4. Características de maniobras en aguas poco profundas. 4.1. Curva de evolución en aguas poco profundas (estimada). 4.1.1. Curva de evolución en la condición de plena carga (se indicará la trayectoria de la popa). 4.1.2. La velocidad inicial del buque será avante media fuerza. 4.1.3. Se indicarán específicamente los tiempos y las velocidades de evolución a 90º, 180º, 270º y 360º y se presentará un diagrama del buque. 4.1.4. El ángulo de metida utilizado será el máximo y la razón entre la sonda y el calado será de 1,2. 4.2. Empopamiento (datos estimados). 4.2.1. Se dibujarán curvas de empopamiento en aguas poco profundas y con anchura infinita de canal, indicándose el empopamiento máximo en función de la velocidad para diversos valores de la razón sonda/calado. 4.2.2. Se dibujarán curvas de empopamiento en aguas poco profundas y restringidas, indicándose el empopamiento máximo en función de la velocidad para diversos factores de encajonamiento. 5. Características de maniobra con viento. 5.1. Fuerzas y momentos producidos por el viento (estimados). 5.1.1. Se presentará información respecto de los efectos que las fuerzas y los momentos producidos por el viento puedan ejercer sobre el buque, teniendo en cuenta diversas direcciones y velocidades relativas del viento, en condiciones de plena carga y de lastre, para facilitar las operaciones de atraque. 5.2. Limitaciones en cuanto al mantenimiento del rumbo (datos estimados). 5.2.1. Se presentará información acerca de los efectos del viento en cuanto a la capacidad del buque para mantenerse a rumbo en las condiciones de plena carga y de lastre. 5.3. Abatimiento por efecto del viento (datos estimados). 5.3.1. Se presentará información acerca del abatimiento del buque por efecto del viento con las máquinas paradas. 6. Características de maniobra a baja velocidad (datos medidos o estimados). 6.1. Se presentará información acerca del régimen mínimo de revoluciones para que funcione la máquina principal y de la velocidad correspondiente del buque. 6.2. Se presentará información acerca de la velocidad mínima de gobierno cuando el buque siga andando después de parar las máquinas. 7. Información adicional 7.1. Se incluirá en el cuadernillo cualquier otra Información adicional que resulte pertinente, en particular la relativa al manejo de los mandos que haya en el puente para la realización de las maniobras.