La navegación solía considerarse un pasatiempo bastante tranquilo. Pero en los últimos años, el mundo de las regatas de yates se ha visto revolucionado por la llegada de los catamaranes con hidroplano, conocido como "foilers". Estos vasos, más parecido a los aviones de alto rendimiento que a los yates, combinar las leyes de la aerodinámica y la hidrodinámica para crear embarcaciones capaces de alcanzar velocidades de hasta 50 nudos, que es mucho más rápido que el viento que los impulsa.

Un catamarán F50 que se preparaba para la serie Sail GP recientemente incluso rompió esta barrera, alcanzando una velocidad increíble de 50,22 nudos (57,8 mph) impulsado exclusivamente por el viento. Esto se logró con un viento de solo 19,3 nudos (22,2 mph). Los F50 tienen 15 metros de largo, Catamaranes de hidroala de 8,8 metros de ancho propulsados ​​por velas rígidas y capaces de alcanzar velocidades tan asombrosas que Sail GP ha sido denominada la "Fórmula 1 de la vela". ¿Cómo pueden estos yates ir tan rápido? La respuesta está en una dinámica de fluidos simple.

Mientras el casco de un barco se mueve por el agua, Hay dos mecanismos físicos primarios que crean resistencia y ralentizan la embarcación. Para construir un barco más rápido tienes que encontrar formas de superar la fuerza de arrastre.

El primer mecanismo es la fricción. Mientras el agua pasa por el casco, una capa microscópica de agua se une efectivamente al casco y se arrastra junto con el yate. Luego, una segunda capa de agua se adhiere a la primera capa, y el deslizamiento o cizallamiento entre ellos crea fricción.

En el exterior de esto hay una tercera capa, que se desliza sobre las capas internas creando más fricción, etcétera. Juntos, estas capas se conocen como capa límite, y es el cizallamiento de las moléculas de la capa límite entre sí lo que crea resistencia por fricción.

Un yate también hace olas cuando empuja el agua alrededor y debajo del casco desde la proa (frente) a la popa (trasera) del barco. Las olas forman dos patrones distintivos alrededor del yate (uno en cada extremo), conocidos como patrones de ondas Kelvin.

Estas olas que se mueven a la misma velocidad que el yate, son muy enérgicos. Esto crea un arrastre en el barco conocido como arrastre de creación de olas, que es responsable de alrededor del 90% de la resistencia total. A medida que el yate acelera a velocidades más rápidas (cerca de la "velocidad del casco", explicado más adelante), estas olas se hacen más altas y más largas.

Estos dos efectos se combinan para producir un fenómeno conocido como "velocidad del casco", que es lo más rápido que puede viajar el barco, y en los yates convencionales de casco único es muy lento. Un yate de casco único del mismo tamaño que el F50 tiene una velocidad de casco de alrededor de 12 mph.

Hidroalas

Sin embargo, Es posible reducir tanto la fricción como la resistencia de las olas y superar este límite de velocidad del casco construyendo un yate con hidroalas. Los hidroalas son pequeños, alas submarinas. Actúan de la misma forma que el ala de un avión, creando una fuerza de sustentación que actúa contra la gravedad, levantando nuestro yate hacia arriba para que el casco esté libre del agua.

Si bien las alas de un avión son muy grandes, la alta densidad del agua en comparación con el aire significa que solo necesitamos hidroalas muy pequeñas para producir gran parte de la importante fuerza de elevación. Un hidroala del tamaño de tres hojas de papel A3, cuando se mueve a solo 10 mph, puede producir suficiente sustentación para levantar a una persona grande.

Esto reduce significativamente la superficie y el volumen del barco que está bajo el agua, que corta el arrastre de fricción y el arrastre de formación de olas, respectivamente. El efecto combinado es una reducción en la resistencia general a una fracción de su cantidad original, de modo que el yate es capaz de navegar mucho más rápido de lo que podría hacerlo sin hidroalas.

La otra innovación que ayuda a aumentar la velocidad de los yates de regata es el uso de velas rígidas. La potencia disponible de las velas tradicionales para impulsar el barco hacia adelante es relativamente pequeña, limitado por el hecho de que las fuerzas de la vela tienen que actuar en equilibrio con un rango de otras fuerzas, y que las velas de tela no tienen la forma ideal para crear poder. Velas rígidas, que son muy similares en diseño al ala de un avión, formar una forma mucho más eficiente que las velas tradicionales, dando efectivamente al yate un motor más grande y más potencia.

A medida que el yate acelera debido a la fuerza motriz de estas velas, experimenta lo que se conoce como "viento aparente". Imagina un día completamente tranquilo sin viento. Mientras caminas, siente una brisa en su cara a la misma velocidad que camina. Si también soplara un viento, sentiría una mezcla del viento real (o "verdadero") y la brisa que ha generado.

Los dos juntos forman el viento aparente, que puede ser más rápido que el viento verdadero. Si hay suficiente viento verdadero combinado con este viento aparente, entonces se puede generar una fuerza y ​​potencia significativas a partir de la vela para propulsar el yate, por lo que puede navegar fácilmente más rápido que la velocidad del viento.

El efecto combinado de reducir la resistencia y aumentar la potencia de conducción da como resultado un yate que es mucho más rápido que los de hace unos años. Pero todo esto no sería posible sin un avance más:los materiales. Para poder "volar", el yate debe tener poca masa, y el hidroala en sí debe ser muy fuerte. Para lograr la masa requerida, La resistencia y rigidez utilizando materiales tradicionales de construcción de barcos, como madera o aluminio, sería muy difícil.

Aquí es donde entran en juego los materiales compuestos modernos y avanzados, como la fibra de carbono. Técnicas de producción que optimizan el peso, la rigidez y la resistencia permiten la producción de estructuras que son lo suficientemente fuertes y ligeras para producir yates increíbles como el F50.

Los ingenieros que diseñan estos barcos de alto rendimiento (conocidos como arquitectos navales) siempre buscan utilizar nuevos materiales y ciencia para obtener un diseño óptimo. En teoria, el F50 debería poder ir aún más rápido.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.