REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL MARÍTIMA DEL CARIBE ESCUELA DE NÁUTICA E INGENIERÍA VICERRECTORADO ACADÉMICO ESTABILIDAD DEL BUQUE II (EST-824) SECCIÓN: A-OP PROFESOR: ESTUDIANTE: Cap./Alt. JUAN HERNANDEZ FERNANDO CUBIDES C.I.:(23.039.874) Catia La Mar, Febrero de 2020. INTRODUCCIÓN Antes de adentrarnos más en nuestro tema de discusión, primero comprendamos qué significa el término “maniobrabilidad “de un buque. La maniobrabilidad se define como la capacidad inherente de una embarcación para cambiar su curso/trayectoria. Comprender el factor de maniobrabilidad de un buque es extremadamente importante para un diseñador o un marino, junto con otros aspectos como el diseño estructural, la maquinaria, la propulsión, la estabilidad y el estado del mar. Como un buque tiene que soportar largos viajes a través de diferentes condiciones climáticas, es importante que el rendimiento de un buque durante las instancias diarias de su viaje no se vea comprometido en dar la vuelta a una obstrucción como tierra firme o cualquier otro vehículo marino, dando vueltas sobre un punto de interés deseado, surgiendo, deteniéndose y acelerando; para mantener/variar su curso o dirección, para mantener una ruta/trayectoria deseada, desviarse rápidamente de un objeto (buque, iceberg, masa de tierra, arrecife, etc.) sin costar mucho tiempo. De hecho, varios tipos de maniobras que un buque necesita ejecutar pueden ser abundantes y reclutarlos a todos será difícil. Cabe destacar decir que maniobrar es una importante área de estudio en el campo del diseño marino y el análisis del rendimiento del buque después del diseño. Las superficies de control como los timones, por lo tanto, son los medios externos para ayudar a la maniobrabilidad a través de la interacción con los parámetros hidrodinámicos asociados con el buque. Además, es esencial tener en cuenta que todo tipo de maniobras se activan mediante la aplicación de la fuerza del timón en alguna dirección específica. Inmediatamente después del lanzamiento, una nave se somete a todas las pruebas necesarias bajo ciertas condiciones predefinidas para evaluar estas habilidades de maniobra. La OMI tiene su propio conjunto de reglas programadas para llevar a cabo cada una de estas pruebas de maniobra para optimizar los límites máximos viables con el mejor rendimiento del buque. CARACTERISTICAS DE LA CURVA DE EVOLUCION Esta es la maniobra más común que se le puede requerir a un buque de vez en cuando al hacer un viraje alrededor de una masa de tierra (isla, puerto, otros buques), atracar por el manejo de la carga, atravesar un canal o regresar a su destino original después de arribar su destino. El giro es inevitable en los buques. La “Maniobra de círculo giratorio” posee características que pueden explicarse brevemente como: Primero, se asegura que la embarcación se dirija hacia adelante en línea recta con una velocidad de aproximación constante. Luego, el timón se gira en la dirección específica, es decir, para el giro de estribor, el timón se gira hacia el lado de estribor. Para obtener el mejor rendimiento posible, el ángulo máximo del timón aplicado es de 35 grados dentro de los límites de diseño (ya que excederlo gradualmente conduciría a una elevación menos eficiente y finalmente a una parada). El buque inicialmente tiene una tendencia a desviarse hacia babor. Luego toma un gran giro a estribor. Después de algún tiempo, da un giro completo (un giro en U) con un cambio de 180 grados en la dirección del rumbo. Después de un tiempo, toma la trayectoria de un círculo con un radio de giro constante. El círculo de giro debe hacerse en ambos sentidos, es decir, en babor y estribor, desviando el timón en la misma medida en ambos sentidos. Aunque esto puede parecer bastante simple, tiene una gran cantidad de interacción hidrodinámica involucrad a. A efectos de poder comparar los rasgos característicos de diferentes curvas evolutivas y facilitar el uso de los datos que proporcionan, se definen los términos siguientes: 1. Avance de un buque para cierto cambio de rumbo es la distancia que se desplaza su centro de gravedad en la dirección del rumbo original, medida desde la posición donde se puso timón a la banda. 2. Desviación lateral de un buque para cierto cambio de rumbo es la distancia que se desplaza su centro de gravedad en dirección perpendicular al rumbo original, y medida desde la posición donde se puso timón a la banda. 3. El avance y la desviación lateral son pues las coordenadas ortogonales de la curva evolutiva cuando se adoptan como ejes de referencia la dirección del rumbo original y su normal, tomando como origen el punto en que inicialmente se puso timón a la banda. Cuando se hace mención simplemente al avance o a la desviación sin especificar la magnitud del cambio de rumbo se sobreentiende que los valores indicados corresponden a una caída de 90°. 4. Diámetro táctico, o de evolución, es la mayor distancia obtenida proyectando la curva evolutiva sobre la normal al rumbo inicial. Diámetro final, o de rotación, es el diámetro de la curva evolutiva durante el período uniforme, es decir cuando la trayectoria se hace prácticamente circular. FUERZAS QUE ACTÚAN DURANTE LA EVOLUCIÓN Las representaciones gráficas de esas curvas para diferentes velocidades y ángulos de timón se llaman diagramas evolutivos y dan una excelente visión de conjunto sobre el comportamiento del buque, permitiendo al maniobrista prever la trayectoria que seguirá el buque en las condiciones concretas en que se encuentre. Para analizar este movimiento del buque deben contemplarse tres fases, que se presentan consecutivamente desde el inicio de la operación, denominadas, de maniobra, variable y uniforme. La fase de maniobra comprende desde el instante en que se empieza a meter el timón hasta que la pala llega a alcanzar el ángulo deseado. El análisis de las fuerzas que se generan sobre el buque y de sus efectos durante las tres fases se recoge esquemáticamente en la siguiente imagen. Antes de iniciar la fase de maniobra las únicas fuerzas que actúan son el Empuje Del Propulsor “Tp” y la Resistencia Al Avance “Ra”; si el movimiento es rectilíneo y uniforme ambas fuerzas están situadas en el plano de crujía y son iguales y de sentido contrario. (1) MOVIMIENTO GIRATORIO DEL BUQUE, FASES Y PERIODO La Fase Variable Es aquella en la que el ángulo del timón permanece constante pero no se ha alcanzado el equilibrio dinámico entre todas las fuerzas que actúan sobre el buque y por tanto el movimiento de éste es variable. Finalmente, la fase uniforme es la que se produce a partir del momento en que se alcanza dicho equilibrio y dura mientras no se alteren las condiciones de máquinas y timón en las que se desarrolla la evolución. En cuanto se inicia la fase de maniobra y se empieza a meter el timón (2) aparece la fuerza “PT” perpendicular a su pala, que ocasiona el momento evolutivo sobre el buque haciéndole caer a la banda correspondiente con un ángulo de deriva “β” con respecto a la trayectoria, aunque, debido a la inercia, en los primeros instantes el buque continuará manteniendo su plano de crujía en la dirección inicial; además del efecto anterior, la descomposición de la fuerza “PT” en sentido longitudinal y transversal al buque, produce una fuerza opuesta a la propulsora que disminuye la velocidad de este y una componente transversal que hace abatir al buque hacia la banda contraria a la que se ha mantenido el timón. La Fase De Maniobra Continúa desarrollándose según va aumentando el ángulo del timón. (3 y 4) hasta alcanzar el ángulo deseado que es la posición reflejada como “4” en la imagen. Durante esta etapa las fuerzas actuantes son el empuje del propulsor “Tp”, la resistencia al avance “Ra”, la fuerza en la pala del timón “PT” y la fuerza centrífuga “Fc” que actuará según la normal a la trayectoria. De estas fuerzas conviene destacar que la Resistencia al avance deja de estar situada en el plano de crujía ya que debido a la deriva “β” con que navega el buque, la resistencia al avance no es simétrica en ambas bandas, produciéndose un desplazamiento progresivo del punto de aplicación de “Ra” hacia popa dado que los elementos de la carena que ofrecerán mayor resistencia serán los más alejados del centro instantáneo de rotación en los que la velocidad es mayor. El establecimiento de las condiciones de equilibrio de este sistema de fuerzas permitirá deducir las ecuaciones del movimiento. La posición “3” de la imagen representa el instante en que las componentes de “Tp”, “Ra” y “PT” según la normal a la trayectoria, se equilibran entre sí y por tanto la fuerza centrífuga “Fc” es nula, lo que equivale a decir que el radio de curvatura es infinito y es por tanto el punto de inflexión de la trayectoria. La fase variable se desarrolla desde la posición “4” en la que el ángulo del timón ha alcanzado su valor deseado hasta la posición “5” en la que se alcanza el equilibrio dinámico de todas las fuerzas. El sistema de fuerzas existente en esta fase es el mismo descrito en la etapa anterior, con la particularidad de que la carga sobre el timón “PT”. El Momento Evolutivo correspondiente han alcanzado su valor máximo y no pueden crecer más, con lo cual necesariamente llegará un instante en el que se equilibren los momentos ocasionados por la carga en el timón “PT” y la resistencia al avance “Ra”, resultando una aceleración angular del plano de crujía nula o lo que es lo mismo una velocidad angular constante de dicho plano de crujía. Al mismo tiempo que sucede esto, al alcanzarse el equilibrio entre todas las fuerzas longitudinales, la aceleración longitudinal del centro de gravedad del buque será también nula y la velocidad de traslación, por tanto, constante. Finalmente, el equilibrio de las fuerzas transversales obliga a que la fuerza centrífuga sea constante, y como la velocidad de traslación también lo es, resulta que el radio de curvatura de la trayectoria permanece también constante, convirtiéndose ésta en un círculo, con lo cual toda la fase uniforme esquematizada en la posición (6) de la figura 2 se convierte en un movimiento circular con velocidad uniforme y ángulo de deriva fijo. ESCORA PRODUCIDA DURANTE LA EVOLUCIÓN La componente transversal producida por “Pn” en su punto de aplicación “A” en la pala, da lugar a un abatimiento aplicado en el centro de resis-tencia lateral RL, y a una escora a la banda a que se ha metido la pala del timón mostrado en la siguiente imagen. El buque se escorará hasta que se establezca el equilibrio entre el par escorante y el par adrizante. 𝐏𝒏 . 𝐀𝐑 𝐋 . 𝐜𝐨𝐬 𝜽 = ∆. 𝐆𝐌. 𝐜𝐨𝐬 𝜽 𝐭𝐚𝐧 𝜽 = 𝐏𝐭 . 𝐀𝐑 𝐋 ∆. 𝐆𝐌 Cuando el buque empieza a describir casi una circunferencia, las componen-tes transversales de la propulsión, de la resistencia de la carena y de la presión normal de la 2 pala del timón son iguales M. V ⁄r a cuyo punto de aplicación es el centro de resistencia lateral y hacia el centro de la curva; dinámicamente esta fuerza está compensada con la 2 fuerza centrífuga aplicada en el centro de gravedad del buque M. V ⁄r fuera de la curva en la siguiente imagen. Dentro de la estabilidad inicial, el buque se escora hasta que se igualen los mo-mentos escorantes y adrizantes. 𝐌. 𝐯 𝟐 ∙ 𝐆𝐑 𝐋 ∙ 𝐜𝐨𝐬 𝜽 = ∆ ∙ 𝐆𝐌 ∙ 𝐬𝐢𝐧 𝜽 𝐫 𝐌. 𝐯 𝟐 ∙ 𝐆𝐑 𝐋 𝐭𝐚𝐧 𝜽 = ∆ ∙ 𝐆𝐌 ∙ 𝐫 𝟏 𝟏 = = 𝟎, 𝟏𝟎 𝐠 𝟗, 𝟖𝟏 Sustituyendo; 𝐭𝐚𝐧 𝜽 = 𝟎, 𝟏𝟎 ∙ 𝐌.𝐯 𝟐 ∙𝐆𝐑 𝐋 𝐆𝐌∙𝐫 M = Masa del buque, igual a Δ/g g = Aceleración de la gravedad 9,81 m/seg2 v = Velocidad en metros por segundo (60 por 100 de la velocidad lineal. r = Radio de evolución en el movimiento uniforme en metros. GRL= Distancia en metros entre G y RL, buque adrizado. GM= altura metacéntrica en metros. Supuesto la escora producida fuera de la estabilidad inicial, trabajaríamos con las curvas de brazo de adrizamiento GZ y los escorantes. 𝐌 ∙ 𝐯𝟐 𝐌 ∙ 𝐠 ∙ 𝐯𝟐 ∆ ∙ 𝐯𝟐 𝐅𝐮𝐞𝐫𝐳𝐚 𝐜𝐞𝐧𝐭𝐫𝐢𝐟𝐮𝐠𝐚 = = = 𝐫 𝐫∙𝐠 𝐫∙𝐠 = desplazamiento del buque El brazo del par escorante, sería la distancia entre el centro de RL = ½ Calado y el centro de gravedad “G”, multiplicado por el cos; GRL cos. ∆ ∙ 𝐯𝟐 𝐄𝐋 𝐌𝐨𝐦𝐞𝐧𝐭𝐨 𝐄𝐬𝐜𝐨𝐫𝐚𝐧𝐭𝐞 = ∙ 𝐆𝐑 𝐋 ∙ 𝐜𝐨𝐬 𝜽 𝐫∙𝐠 Como la curva de estabilidad que tenemos, es la de valores en las ordenadas de brazos de adrizamiento GZ; para trabajar sobre ella y con la misma escala, obtendremos la curva de brazos escorantes, dividiendo el momento escorante por el desplazamiento del buque, y tenemos que: 𝐌𝐨𝐦𝐞𝐧𝐭𝐨 𝐄𝐬𝐜𝐨𝐫𝐚𝐧𝐭𝐞 ∆ ∙ 𝐯 𝟐 ∙ 𝐆𝐑 𝐋 𝐁𝐫𝐚𝐳𝐨 𝐄𝐬𝐜𝐨𝐫𝐚𝐧𝐭𝐞 = = ∙ 𝐜𝐨𝐬 𝜽 ∆ ∆∙𝐫∙𝐠 𝐯 𝟐 ∙ 𝐆𝐑 𝐋 𝐁𝐞 = ∙ 𝐜𝐨𝐬 𝜽 𝐫∙𝐠 𝜃 = Escora permanente durante el giro, en el movimiento uniforme. TABLAS DE EVOLUCIÓN
