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Navegación

El USS Chemung (AO-30) reabasteciendo de combustible al USS Hooper en alta mar. La navegabilidad o aptitud para el mar es una medida de la idoneidad de una embarcación par...

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El USS Chemung (AO-30)   reabasteciendo de combustible al USS Hooper  en alta mar.

La navegabilidad o aptitud para el mar es una medida de la idoneidad de una embarcación para las condiciones de navegación. Un barco o embarcación con buena navegabilidad se considera muy apto para el mar y puede operar eficazmente incluso en condiciones marítimas adversas .

Medida

En 1976, St. Denis [ 1 ] sugirió cuatro términos principales necesarios para describir el comportamiento en el mar. Estos son:

  • Misión : lo que el barco está diseñado para lograr. El papel del barco mientras está en el mar.
  • Entorno : las condiciones en las que opera el buque. Esto puede describirse como el estado del mar , la velocidad del viento, la región geográfica o alguna combinación de estos factores.
  • Respuesta del buque : la respuesta del buque a las condiciones ambientales. Las respuestas dependen del entorno y de las características del buque.
  • Criterios de comportamiento en el mar : límites establecidos para la respuesta del buque. Estos se basan en los movimientos del buque y las aceleraciones experimentadas, e incluyen criterios de confort como el ruido, las vibraciones y el mareo , valores basados ​​en el rendimiento como la reducción involuntaria de la velocidad y fenómenos observables como la inmersión de la proa.

Un buque perforador y un ferry tienen misiones diferentes y operan en entornos distintos. Los criterios de rendimiento también serán diferentes. Ambos pueden considerarse aptos para la navegación, aunque por razones diferentes y según criterios distintos.

Fondo

El USS Santa Fe (CL-60)   se balancea unos 35 grados a estribor mientras capea un tifón.
El USS Waldron (DD-699)   sacando su proa del agua mientras opera en mares agitados del Atlántico.

En el diseño naval, es fundamental predeterminar el comportamiento del buque o estructura flotante ante el oleaje. Este comportamiento puede calcularse mediante pruebas con modelos físicos y, finalmente, medirse a bordo. Los cálculos pueden realizarse analíticamente para formas simples, como barcazas rectangulares, pero deben realizarse mediante ordenador para buques con formas realistas. Los resultados de algunos de estos cálculos o pruebas con modelos son funciones de transferencia denominadas operadores de amplitud de respuesta (OAR). Para una estructura flotante, estas funciones deben calcularse para los seis tipos de movimiento y para todas las direcciones relativas de las olas.

Los movimientos del buque son importantes para determinar la carga dinámica sobre la tripulación, los pasajeros, los componentes del sistema del buque, la carga asegurada y los elementos estructurales. Los movimientos excesivos del buque pueden dificultar la capacidad del buque para completar su misión, como el despliegue y la recuperación de pequeñas embarcaciones o aeronaves. Una medida de la capacidad de una persona para completar una tarea específica a bordo de un buque en movimiento son las interrupciones inducidas por el movimiento [ 2 ] (MII). Indica la cantidad de eventos en los que una persona de pie buscará apoyo para mantener el equilibrio. Las MII se miden en ocurrencias por hora.

Los movimientos del barco tienen efectos fisiológicos en los pasajeros y la tripulación. La magnitud y la aceleración de estos movimientos (en particular, el cabeceo, el balanceo y el cabeceo ) tienen efectos adversos en los pasajeros y el personal a bordo. El mareo afecta negativamente la capacidad de la tripulación para realizar tareas y mantener el estado de alerta, y obviamente causa malestar a los pasajeros. Una métrica importante para evaluar el mareo es la incidencia de mareo por movimiento (IMM) [ 3 ] . El estudio más importante sobre la IMM fue publicado en Aerospace Medicine por O'Hanlon y McCauley en 1974, que estableció umbrales subjetivos comunes de tolerancia a la IMM. La IMM se mide como el porcentaje de personas que experimentan mareo durante un tiempo de exposición determinado. Un límite comúnmente aceptado de la IMM es una incidencia del 20 % de mareo durante un período de exposición de cuatro horas. Un pequeño porcentaje de personas es muy susceptible al mareo y se enferma incluso en las condiciones más leves, mientras que otras rara vez se marean a pesar de las condiciones severas. También se ha demostrado que la mayoría de las personas se aclimatan a los movimientos de los barcos en un plazo de unos cuatro días, pero algunas nunca se aclimatan en absoluto.

La navegabilidad influye directamente en el diseño de un buque. Los movimientos del barco se tienen en cuenta al determinar sus dimensiones principales y al diseñar la distribución general de sus espacios interiores. Por ejemplo, en la mayoría de los buques, la parte delantera es la que experimenta los movimientos más bruscos y suele ser inaceptable para el alojamiento de pasajeros o tripulación. En casos excepcionales, cuando los movimientos del barco representan una amenaza para la tripulación, la estructura o la maquinaria, o cuando interfieren con la capacidad del buque para cumplir su misión, es necesario modificar el diseño para reducir dichos movimientos.

Descripción matemática

En la teoría lineal de comportamiento en el mar, el movimiento de una embarcación en olas de pequeña amplitud se modela a menudo mediante un flujo potencial . El fluido circundante se trata como incompresible e irrotacional , por lo que el campo de velocidad se escribe como el gradiente de un potencial de velocidad, y el potencial satisface la ecuación de Laplace en el dominio del fluido. Para una onda de Airy regular , la elevación de la superficie libre se puede escribir [ 4 ].

η(incógnita,t)=aporque⁡(kincógnita−ωt){\displaystyle \eta (x,t)=a\cos(kx-\omega t)}

dóndea{\displaystyle a}es la amplitud de la onda,k{\displaystyle k}es el número de onda yω{\displaystyle \omega }es la frecuencia angular . En profundidad de agua finitah{\displaystyle h}Estas cantidades satisfacen la relación de dispersión.

ω2=gramoktanh⁡(kh){\displaystyle \omega ^{2}=gk\tanh(kh)}

La respuesta del buque se representa comúnmente mediante seis coordenadas generalizadas correspondientes a traslación longitudinal, traslación transversal, traslación vertical, balanceo, cabeceo y guiñada. En el dominio de la frecuencia, las ecuaciones lineales del movimiento se pueden escribir en forma matricial como [ 5 ].

∑ℓ=16[−ω2(METROjℓ+Ajℓ(ω))+iωBjℓ(ω)+dojℓ]ζ^ℓ=F^mij,j=1,…,6{\displaystyle \sum _{\ell =1}^{6}\left[-\omega ^{2}\left(M_{j\ell }+A_{j\ell }(\omega )\right)+i\omega B_{j\ell }(\omega )+C_{j\ell }\right]{\hat {\zeta }}_{\ell }={\hat {F}}_{Ej},\qquad j=1,\ldots ,6}

AquíMETRO{\displaystyle M}es la matriz de masa generalizada ,A{\displaystyle A}es la matriz de masa añadida,B{\displaystyle B}es la matriz de amortiguación de radiación,do{\displaystyle C}es la matriz restauradora hidrostática, yF^mi{\displaystyle {\sombrero {F}}_{E}}es la fuerza o momento de excitación de la ola compleja. La RAO correspondiente es la relación compleja entre la amplitud del movimiento de un buque y la amplitud de la ola incidente, y se utiliza para estimar movimientos, aceleraciones y cargas en estados del mar específicos.

Factores

Diversos factores influyen en la navegabilidad o en la correcta respuesta del buque.

  • Tamaño : Un barco más grande generalmente tendrá menos movimiento que uno más pequeño. Esto se debe a que el tamaño relativo de las olas es menor.
  • Desplazamiento : Un barco más pesado generalmente tendrá menor movimiento que uno más ligero. Dado que la energía de las olas es la misma para cada embarcación y proporciona la fuerza de excitación, la que tenga mayor masa tendrá menor aceleración.
  • Estabilidad : Un barco estable tenderá a seguir el perfil de las olas con mayor precisión que uno menos estable. Esto significa que, por lo general, un barco más estable tendrá mayores aceleraciones, pero menores amplitudes de movimiento.
  • Francobordo : Cuanto mayor sea el francobordo de un buque, menor será la probabilidad de que la cubierta se sumerja. La inmersión de la cubierta suele ser un criterio de navegabilidad, ya que afecta a la capacidad operativa de varios buques.
  • Factor humano : A menudo, los factores más críticos para la navegación, especialmente en embarcaciones pequeñas, son la experiencia y las habilidades de la tripulación en situaciones extremas. Además, es fundamental evitar el mareo, dormir lo suficiente, alimentarse e hidratarse adecuadamente y mantenerse ileso durante un evento extremo.
  • Estado del mar , espectro de olas y dirección relativa. Pueden producirse resonancias indeseables en ciertas frecuencias. El cabeceo y el balanceo pueden alcanzar amplitudes peligrosas si la frecuencia natural del casco coincide con la incidencia de las olas y la amortiguación es insuficiente. El rumbo y la velocidad del buque influyen considerablemente en la frecuencia de incidencia de las olas.
  • La amortiguación del cabeceo y el balanceo contrarresta los movimientos resonantes. En ocasiones, un cambio en el momento de inercia debido al desplazamiento del lastre puede desafinar la resonancia.
  • La estabilidad direccional , o estabilidad de guiñada, afecta al mantenimiento del rumbo, especialmente en olas de proa y de costado, y en olas de adelantamiento, cuando la velocidad del flujo más allá del timón puede disminuir significativamente o volverse negativa, mientras que la inmersión de la proa puede aumentar simultáneamente, desplazando el centro del área lateral hacia adelante.

La respuesta de un casco determinado a unas condiciones marítimas específicas puede variar considerablemente en función de la carga, la superficie libre de los depósitos, la distribución del peso, la velocidad y la dirección de desplazamiento.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Lewis, Principios de Arquitectura Naval , Volumen III, Sección 7, pág. 137 (Medidas de rendimiento).
  2. ↑ Graham, 1990
  3. ↑ O'Hanlon y McCauley, 1974
  4. ↑ Mei, CC; Stiassnie, M.; Yue, DK-P. (2005). Teoría y aplicaciones de las olas superficiales oceánicas . World Scientific.
  5. ↑ Faltinsen, OM (1990). Cargas marinas en buques y estructuras marinas . Cambridge University Press.

Bibliografía

  • Brown, David K. (1988). "Navegable por diseño". Warship International . XXV (4): 341– 352. ISSN 0043-0374 . 

Lecturas adicionales

  • CA Marchaj (2007). Seaworthiness: The Forgotten Factor . ISBN 978-1-888671-09-4.
  • ARJM Lloyd (1998). Seakeeping: Ship Behaviour in Rough Weather . Amazon. ISBN 0-9532634-0-1.
  • Factores de navegabilidad