Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Voy a contar una historia, ficticia por supuesto (o quizás no), que trata sobre conversaciones que mantuvieron, tiempo hace ya, un veterano y un joven, ambos científicos de renombre: Isaac (de apellido Newton) y Daniel (de apellido Bernouilli), en dichas conversaciones trataban de explicarse mutuamente cómo trabaja una vela cuando se la orienta en la dirección cerca del viento, cosa novedosa pues hasta entonces la tecnología naval en cuanto a las velas no iba más allá del aprovechamiento de los rumbos portantes, es decir, por empuje. Serán 3-4 entradas las últimas más técnicas, la primera más amena para abrir boca, así que mejor vayamos pidiendo algo al Tabernero para aclarar el gaznate :borracho:


En 1720 Isaac, ya mayor, viajó a Suiza concretamente a Basilea para visitar a su amigo Johann Bernouilli cuyo hijo Daniel, estudiante de último curso de medicina, destacaba en matemáticas e ingenio como pocos según su padre. Tras un suculento almuerzo los tres decidieron dar un paseo en un pequeño velero de la familia Bernouilli por el lago de Basilea, hacía un día estupendo con temperatura ideal y ligera brisa del Sur-Este. Johann llevaba el timón mientras que Daniel presto y ágil trimaba velas. Newton observaba atento y disfrutaba del paseo.

La embarcación era un poco extraña para Isaac, nunca había visto un velero con dos velas dispuestas longitudinalmente, lo que ahora venimos llamando vela mayor y foque, una especie de raquero o de pastinaca, algo parecido. Con viento de largo se adentraron en el lago sin nada más que pudiera llamar la atención al genio inglés que la propia embarcación y las bondades del paisaje suizo.

Ya recorridas un par de millas Johann cortó la conversación banal que mantenían en ese momento indicando a Daniel la necesidad de virar a estribor y que iban a tomar rumbo de ceñida a partir de ese momento, dicho y hecho como un equipo sincronizado de regatas padre e hijo procedieron a realizar la maniobra de forma natural como habían hecho tantas veces en el lago. Una vez establecido el nuevo rumbo, Isaac al que no se le escapaba nada se quedó estupefacto!! oye, ni cuando le cayó la manzana encima se había llevado tanta sorpresa. ¿Cómo es posible? navegamos casi contra el viento!!!

Johan miró a su hijo por un momento y ambos estallaron en una enorme y conjunta carcajada. Daniel, dijo su padre, explícale a Sir Isaac tu teoría sobre cómo funciona esta vela. Yo también a veces pienso que es magia pero el chaval tiene una explicación muy convincente que ha ido mejorando y completando con el tiempo. Trata sobre algo que llama flujo laminar o algo así. Cuenta, cuenta...

Continuará... :sip:

:brindis::brindis::brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Por favor no olvidar en la disertación que siga, que veleros como por ejemplo Laser, Optimist y otros que seguro existen. navegan tambien contra el viento, y eso, con una sola vela, echando por tierra la teoría del flujo laminar.

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

pssssshhh quién ha dicho que Bernouilli estaba en lo cierto? todavía no he empezado, deja que lo cuente!! :cunao:

:brindis::brindis::brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Buen titulo. Buen hilo. Estoy impaciente por ver si el relato le hace honor.
Permanezco a la escucha.

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

El título te hace tomar interés, y el tema empieza muy bién. Estoy atento a la continuación que promete ser amena e ilustrativa sobre el funcionamiento de las velas.
Tomaremos unas :brindis: a la espera de la continuación.
:cid5::cid5::cid5:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Uhmmm, después de arrancar el hilo me ha dado por bucear un poco en la Taberna y veo que este tema ya ha ocasionado en otras ocasiones alguna que otra tensión entre los distintos partidarios de unas y otras teorías.

Nada más lejos de mi intención sería llegar a una situación así. Pretendo con este hilo explicar de forma amena y si es posible divertida, los fundamentos físicos básicos del trabajo de la vela. Y cómo no, animar a un posterior debate, por supuesto amigable y si no lo fuera yo sería el primero en cerrar el hilo.

A ver si esta noche puedo avanzar un poco en las conversaciones planteadas entre nuestros amigos que, como comprobaréis, primero iré explicando tesis erróneas o incorrectas que haré propias de ellos mientras con las preguntas adecuadas irán perfilando una teoría o dos que explique el funcionamiento de la vela, a ver si al final del relato podemos tener unas líneas generales "ciertas" al menos por consenso, eliminando alguna que otra leyenda urbana.

No voy a defender con tesón una postura u otra porque realmente me la refanfinflan :cunao:, yo ajusto las velas y mi barco anda y anda muy bien así que con eso me vale :D pero que la gente ajena a la Física pueda tener una idea de este tema pues me gusta y me satisface participar en ello. Luego abriremos debate si os parece, no pienso sentar cátedra y menos en la "catedral" de la marinería :capitan:

Respecto el número de velas de nuestro barquito de recreo en Basilea, pues da igual para las pretensiones del hilo, si lo preferís hablamos sólo de una vela así no desviamos atenciones.

:brindis::brindis::brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Newton en ceñida poco tiene que hacer. Dejemos al maestro Bernouilli y su retoño que nos deleiten con las rarezas de la dinamica de fluidos.

Tomo asiento. Birras pagadas :brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Un poco sonrojado Daniel se levantó y se puso delante del palo por el lado de proa, mirando hacia sus atentos oyentes comentó que se trataba de una idea que no estaba del todo refinada, de hecho tenía formulado un desarrollo matemático del mismo basándose en la conservación de la Energía donde interviene la energía debida a la presión y la energía debida a la velocidad del fluido fundamentalmente, pero los valores numéricos no acababan de cuadrar.

Isaac, mientras, iba encendiendo su pipa y se disponía a escuchar con atención al joven Daniel Bernouilli.

Imaginad, decía Daniel, que hacemos incidir el viento aparente sobre la vela un ángulo determinado, por ejemplo 45º y vamos a suponer unas condiciones de estabilidad tales que el fluido se mueve como en láminas, de forma suave, es un fluido ideal. En el avance de la vela el palo rompe el fluido dividiéndolo en dos partes un flujo de partículas del fluido irá por la parte de sotavento de la vela y el otro flujo por la parte de barlovento. He podido demostrar según mis ecuaciones que la presión y la velocidad del fluido son inversamente proporcionales, es decir, si aumenta la velocidad del flujo disminuye la presión del mismo y viceversa. Es condición necesaria para que se cumpla la conservación de la energía, dijo con orgullo.

Por tanto esto significa que si ambos flujos deben encontrarse al final de la vela, siendo igual el tiempo de tránsito por ambos lados de la vela (aquí Isaac hizo un gesto de duda), las partículas que forman el flujo de sotavento, tendrán que ir más rápidas puesto tienen que cubrir un recorrido mayor en el mismo tiempo que las partículas que forman el flujo de barlovento, esta diferencia de velocidades implicará una diferencia de presiones y sabemos que si hay una diferencia de presiones se genera una fuerza sobre la vela cuyo objetivo es igualarlas, dicha fuerza la llamaremos fuerza vélica total y que se puede descomponer en dos componentes, uno de arrastre que empuja en la dirección original del viento y otra de sustentación que a su vez podemos descomponer de nuevo en una fuerza que obligue al barco a derivar más una fuerza de avance que lo haga avanzar. Lo que debemos hacer es anular la componente de deriva de ahí el diseño de este barco con orza; y facilitar todo lo posible el avance minimizando la resistencia en ese sentido.

Esto explicaría el avance del velero con ángulos que permiten ganar barlovento.


http://guias.masmar.net/var/masmar/s...-ES/susten.jpg


Conozco un chico italiano llamado Venturi que se recorre habitualmente todas las tabernas del puerto y botellín en mano se ha convertido en un verdadero especialista en la dinámica de fluidos :borracho:. Me ha comentado que también ha observado que cuando la cerveza pasa por la boquilla del botellín la velocidad aumenta y disminuye la presión, no sé cómo lo ha deducido pero ahí está :cunao: de todas formas mis ecuaciones explican perfectamente lo que ya las malas lenguas empiezan a llamar efecto Venturi y digamos es un caso particular de mi estudio más general, dijo un poco molesto por la fama del italiano que en un futuro no muy lejano aprovecharía las ecuaciones de bernouilli para dar un marco formal a su "efecto".

De todas formas algo debe fallar pues el impulso que consigo teóricamente dista mucho del necesario para mover el barco como se mueve, así que algo me falta comentó Daniel.

Isaac que hasta ese momento había estado escuchando con atención se levantó, se fue a proa y se puso en la línea de crujía del barco por delante del palo mirando a popa. Sin mediar palabra, tras una intensa aspiración sobre la boquilla de su pipa lanzó una enorme bocanada de humo en dirección a popa, tan grande que se pudo apreciar cómo parte del humo se dirigía a popa por barlovento y parte por sotavento. En ese momento preguntó: Johann! ¿qué flujo de aire con humo ha llegado antes a popa? Johann contestó: sin duda el de sotavento, bastante antes :eek:

Daniel !!, espetó Isaac, la premisa de que tienen que llegar ambos flujos a la vez a popa no es correcta, de hecho el de sotavento va mucho más rápido de lo que habías considerado, cosa que te favorece en tu planteamiento, pero ¿has observado las turbulencias que se forman tras la baluma? además si va demasiado rápido puede provocar ruptura del flujo uhmmm. Así sin darle importancia el genio inglés acababa de crear el primer túnel de viento aplicado a la "aeronáutica" :adoracion:

Otro apunte que te quería hacer, para que no se nos olvide: El barco se mueve. Evidentemente eso significa que consigue Energía de algún sitio. Energía Cinética que en tu explicación no aparece por ningún lado. Y sin embargo el flujo externo se acelera con lo cual gana energía, si esa energía es la que pierde el flujo que va por el interior frenándose ¿qué queda para el barco? ¿de dónde sale? el flujo de barlovento debe ser frenado bastante para que haya ganancia de energía en el flujo de sotavento acelerado más energía necesaria para mover el barco más energía perdida por fricción con el viento y ojo! las pérdidas ocasionadas en la fricción del casco con el agua ahí es nada!. Vamos, aquí porque estamos dentro del barco y desde nuestro sistema de referencia no lo notamos mucho pero un observador externo que pudiera ver desde el sistema de referencia "aire" comprobaría que el flujo de sotavento pierde casi toda su energía, seguro. y si un velero viniera un poco detrás de nosotros no sólo se encontraría aire "sucio" con turbulencias, se encontraría que ese aire tendría mucha menos energía para impulsar sus velas.

Por otro lado, la explicación de tu amigo Venturi la obviamos porque no estamos en un tubo controlado al que le disminuimos la sección y observamos presiones y velocidades, no se forma estrechamiento alguno, nuestro sistema es abierto y no tendría porqué respetar la continuidad de la masa del flujo también en la parte de sotavento según nos alejamos de la superficie el flujo tiende a ralentizarse y a amoldarse al flujo general del aire en el ambiente, mientras que en un tubo cerrado como decimos no ocurriría esto ni en un botellín tampoco :cunao:. Su idea es buena y correcta pero seguro que se aplicará mejor y de forma más completa a muchas otras cosas.

Además, para nada veo claro que haya tanta diferencia de camino entre sotavento respecto de barlovento, la vela es muy fina y si consideramos situación ideal en el problema el palo no tendría grosor, es posible que entre el ángulo de incidencia y que en la bolsa de la vela se acumule aire estático se forme un perfil que podría dar grosor al sistema y constituir lo que ya hace tiempo un ilustre inventor italiano llamado Leonardo denominó perfil alar. Este sí que era bueno, consiguió crear objetos alados, maquetas que volaban y a veces los hacía de papel y volaban de una forma y también con las alas invertidas, con lo cual me cuesta creer lo del flujo laminar con tantos interrogantes sin resolver. Además la situación real es diferente, hay viscosidad del aire, el régimen laminar real sería turbulento casi por definición, vas a tener que introducir nuevas variables a tu explicación y aunque simplificando mucho se podría explicar como que el aire se descompone en dos flujos y uno va más rápido que el otro lo que ocasiona una presión menor y por tanto la aparición de una fuerza que succiona la vela desde sotavento, es una explicación que, aunque parece correcta, le faltan cosas. En el futuro de todas formas mucha gente lo explicará así.

Lo más importante es que hemos podido eliminar la idea de que el tiempo de tránsito es el mismo, esta será la leyenda urbana más extendida y el mayor error al explicar la sustentación.

Y creo que deberíamos hablar del ángulo de ataque o ángulo de incidencia. Considero que es algo fundamental. También creo que deberías considerar la posibilidad de que la presión sea inversamente proporcional al cuadrado de la velocidad, lo meter en las ecuaciones el inverso del cuadrado de alguna magnitud a mi me ha dado muy buenos resultados :D

Si me permitís, dijo Isaac, voy a explicar cómo trabaja esta vela desde un punto de vista mecánico aplicando algunas de las leyes que me hicieron famoso, teniendo en cuenta el ángulo de incidencia y la desviación de enormes cantidades de aire hacia popa que supondrán un empuje hacia proa, espera que cargue la pipa de nuevo :D

continuará...

Perdón! dijo Daniel, yo también voy a ser incisivo con mis cuestiones y comentarios Sir Isaac :eek:

:brindis::brindis::brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Vamos !!!!! Date prisa en acabar el tocho que se me acaba la cerveza :cagoento:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Interesante forma de explicarlo
Cojo un botellin de los de Venturi y me siento a esperar
Saludos:brindis:

Respuesta: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Muy entretenida tu forma de hacer divulgación científica,

:brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Muy interesante la divulgación, cofrade Zephyros. :cid5::gracias:

Espero con expectación el momento en que tercien en la conversación Reynolds, Prandtl y, sobre todo, Schlichting con sus respectivas birras...

Von Kármán no, que a ése lo que le iba eran los flujos supersónicos, y en una vela como que no hay de eso.

Saludos y :brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Newton y Bernoulli ... los dos tienen razón

Newton Y Bernoulli

las alas y las velas funcionan desviando el viento Y por diferencia de presiones

Cl_2d = Newton + Bernoulli

Cl_2d = 0,8 + 4 pi x (flecha / cuerda)

una ala/vela que fuera una chapa plana de acero conseguiría un Coeficiente máximo de sustentación en dos dimensiones de 0,8

y si doblamos la chapa y le damos lo que en las velas llamamos embolsamiento conseguimos más fuerza de sustentación

http://foro.latabernadelpuerto.com/s...8&postcount=56

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

¿¿¿?? ¿incidiendo el viento sobre el borde de la chapa plana de acero, lograrias un coeficiente de sustentacion de 0.8?...:nosabo:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

desviando el viento con una placa plana lo máximo que se consigue es un coeficiente de sustentación en dos dimensiones (Cl_2d) de 0,8

y luego hay que traducirlo a tres dimensiones siguiendo a Ludwig Prandtl

CL_3d = Cl_2d / (1 + (2 / AR))

AR, Alargamiento (Aspect Ratio) = envergadura del Ala elevada al cuadrado dividido entre la superficie del Ala

https://es.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Prandtl

ejemplo de cálculo aerodinámico:

http://foro.latabernadelpuerto.com/s...6&postcount=66

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Al Prandtl este lo conozco yo!!:D de sus teorias de la torsión en el analisis estructural. No sabia que fue un guru de la aerodinamica

Aprovechando que el Pisuerga pasa por aquí... ¿tu podrias indicarme un texto donde explique como se distribuyen las fuerzas que van a los puños de una vela, a partir de la accion del viento que incide sobre ella y de la "forma de la vela" (profundidad de bolsa o relacion flecha/cuerda; posicion de la bolsa; y alabeo...)

Nada que sea sesudo... Tan solo una formulacion aproximada, para al menos tener un numero de referencia y poder estimar las cargas que actuan en los puntos de anclaje de las velas...

Saludos

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

hola, Keith11, un saludo, pues no lo sé, lo que he leído es que hay que suponer una fuerza igual a la fuerza total de la vela

es difícil encontrar buenos libros y el foro BoatDesign tiene un buscador que es una castaña y es bajar a una mina de carbón

lo más directo es tener la suerte de encontrar lo buscado en un congreso como hiswa

http://www.hiswasymposium.com/symposium-papers

a ver si encuentro algo

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

recuerdo que cuando en BoatDesign salió la discusión de la tensión en la escota de la Mayor la vieja guardia decía que las fórmulas tradicionales sobredimensionan una barbaridad, algo que encaja con la tradición en los barcos

he estado mirando la que usa Harken

http://www.harken.com/MainsheetLoading/

y viene a ser 2 veces la fuerza máxima (que ronda un coeficiente de 1,5) que al final viene a ser multiplicar x 3

así que como lo normal en un barco es multiplicar todo x 2 y x 3 me imagino que por eso nadie habla en concreto de cuánta tensión hay exactamente aquí y allá

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

http://foto-cache.abc.es/jpg/9/8/1369148888689.jpg
http://www.areopago.eu/gallery/5112_...15_9_20_01.JPG

Coeficiente de Sustentación (CL)
Angulo de Ataque (AoA)
Alargamiento (AR, Aspect Ratio)

(bueno, con la escala del ángulo de ataque no sé qué carallo he hecho)

primer experimento

agarramos y metemos en el túnel de viento un Ala de alargamiento infinito, así, un Ala de tamaño infinito qué menos, es la más fácil de construir y estudiar pues es el Ala que va de pared a pared del túnel de viento

vamos subiendo el ángulo de ataque y va subiendo la sustentación hasta algo más de 1,6 con 15 grados y luego la sustentación se desploma

segundo experimento

metemos en el túnel de viento un Ala con un alargamiento de 10 (AR = 10) y resulta que se parece bastante al Ala de alargamiento infinito, pues el coeficiente de sustentación se aproxima a 1,5 con 15 grados de ángulo de ataque

bien

de aquí deducimos que con cada grado de ángulo de ataque se consigue entre 0,10 y 0,11 de coeficiente de sustentación

tercer experimento

metemos en el túnel de viento una solitaria Vela de alargamiento 2 (AR = 2)

y la Vela consigue un coeficiente de sustentación de alrededor de 1,5 con 30 grados de ángulo de ataque

y llega Ludwig Prandtl y hace una teoría que nadie entiende pero de esa teoría se deduce una sencilla fórmula que es capaz de explicar que las dos cosas obedecen a lo mismo

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

http://www.areopago.eu/gallery/5112_...15_9_58_34.JPG

cuarto experimento

nos ponemos a jugar con placas planas hechas de chapa, y vemos que lo máximo que se puede conseguir con una placa plana es un coeficiente de 0,8 en dos dimensiones

y ahora curvamos la chapa ... y -oh sorpresa- produce sustentación con un ángulo de ataque de cero patatero

fenómenos bien conocidos, pero que nadie te explica bien porque unos se van por nubes teóricas y otros se quedan atrapados en una nube de datos, y entre unos y otros los que buscamos hacer estimaciones reales en el mundo real acabamos con la cabeza caliente y los pies frío con tanta teoría que no hay nadie que entienda

por fortuna un día me topé con un buen aficionado/apasionado: un físico aficionado a los veleros a radiocontrol:

http://www.onemetre.net/Design/Design.htm

y entre todo el enredo teórico de siempre ... apareció lo que buscaba

cl_2d = 0,8 + 4 pi x (flecha / cuerda)

joooooder, asín sí

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

así ya tenemos una caja de herramientas con 3 herramientas

una herramienta para traducir a tres dimensiones:

CL_3d = cl_2d / (1 + (2 / AR))

y dos herramientas para estimar el coeficiente de sustentación en dos dimensiones:

cl_2d = 0,10 x AoA

cl_2d = 0,8 + 4 pi x (flecha / cuerda)

la primera la usamos para orzas y timones y ángulos de ataque pequeños, y la segunda la usamos para velas y ángulos de ataque grandes

además tenemos que tener en cuenta dos cosas:

-es muy difícil conseguir un coeficiente (CL_3d) mayor de 1,5 con un Ala simple o una Vela solitaria, así que en principio 1,5 actúa como tope

-el embolsamiento más grande con el que podemos contar es la mitad del ángulo de ataque, no podemos calcular suponiendo el embolsamiento que nos de la gana porque no sería realista, ejemplo: con un ángulo de ataque de 20 grados podemos suponer un embolsamiento del 10% (0,10 = flecha / cuerda)

con esta pequeña caja de herramientas podemos montar y desmontar bastantes casos de Alas sencillas y Velas

---

el primer modelo que se propagó fue el modelo de Hazen publicado en 1980, A Model of Sail Aerodynamics for Diverse Rig

y de ahí viene el actual modelo de ORC

http://www.orc.org/

el modelo de Hazen simplemente presupone que en ceñida la tripulación trima las velas hasta conseguir un coeficiente de 1,5 y si el barco escora mucho y no aguanta tanta fuerza entonces se aplana (Flat) las velas quitándoles embolsamiento y se reduce (Reef) la superficie vélica, aunque en realidad lo que se hace es aplanar, abrir y darle torsión/alabeado a las velas

la mayoría de los Programas de Predicción de la Velocidad (VPP) están basados en el fondo en el modelo de Hazen

el modelo de Hazen refleja cómo son los veleros de regatas: hay un montón de trapo y luego aplanar y aplanar y aplanar con tensión, tensión y más tensión

desde el punto de vista de un crucerista o transportista de latas de cervezas la forma de actuar de los regateros es un poco extraña

¿para qué narices quieren tanto trapo si después les sobra potencia/fuerza por todos lados?

Y es que la Sustentación, Lift, es la mitad de la película, la otra mitad de la película es la Resistencia aerodinámica: Drag, el arrastre

los regateros están obsesionados con el arrastre, están obsesionados con la resistencia aerodinámica, tanto que han impuesto sus obsesiones a todos los demás, así podemos ver cómo vamos navegando la tribu de los cruceristas: dingui colgando de un arco-portería, un toldo, un motor fueraborda, un cargador eólico, una placa solar, una tremenda capota ... y el palo/mástil agujereado para esconder las drizas no vaya a ser que una driza por fuera del palo roce mucho con el viento y frene al velero creando "resistencia aerodinámica parásita" ... y un palo/mástil alto alto rascando el cielo no vaya a ser que haya mucha "resistencia inducida" rumbo a la boya de barlovento

los así llamados 'cruceros' son como concepto barcos de regatas de los años 60-70-80 del siglo pasado pero con muebles, y últimamente con popa ancha y un poco más de timón

mi próximo velero será un barco optimizado para el honrado transporte de latas de cerveza y fabada y llevará un palo chiquitajo y al palo ni tocarlo, cerrado por los dos extremos, y las drizas por fuera

¿cuál es la mejor forma de optimizar un velero para la ceñida?

pues cortar el casco por la mitad (como los veleros deportivos que navegan top less sólo con la parte de abajo del casco) luego cortar la tripulación por la mitad y luego cortarle la cabeza al patrón, todo sea por reducir la resistencia aerodinámica

http://www.yacht-club-monaco.mc/medi...3072012(1).jpg

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

https://upload.wikimedia.org/wikiped...rag_of_Car.jpg

algunos Coeficientes (Cd) de Resistencia Aerodinámica, Drag

0,021 Phantom F4

0,25 Toyota Prius

0,58 Jeep

0,6 - 0,7 Tractor

1 - 1,2 un cable y un cabo

1,1 - 1,3 esquiador volando

1,3 - 1,5 Empire State Building

1,8 - 2 Torre Eiffel

el casco de un velero es más o menos como un tractor

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Y ahora por dónde sigo yo? :nosabo:

La filosofía del hilo era contar de forma amena una discusión sobre la física de las velas muy extendida, eliminar algunas leyendas urbanas y dar una respuesta asequible y entendible cuando alguien nos pregunta porqué un velero remonta el viento. El resultado final ya lo ha adelantado en parte U25pies, la respuesta es que los dos tienen razón. Pero no es que colaboren las aportaciones, más bien es la resolución física de un problema tratado desde dos puntos de vista distintos, uno el energético y el otro a partir de las ecuaciones del movimiento de la dinámica newtoniana. Ambas son explicaciones válidas al fenómeno.

Con el desarrollo que ha tenido en estos días que no he podido dedicar tiempo a escribir pues ya no se si encaja continuar por la línea original. Desde luego pretendía algo más didáctico, pero se agradecen las intervenciones

Intentaré retomarlo pero ya como que no encaja hablar de física del siglo XVIII con tanto coeficiente del siglo XXI

:brindis::brindis::brindis:

Respuesta: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Por favor, sigue, a mi mi estaba encantando tu enfoque!!!
La mejor explicación (que no lo es, mas bien da una idea) que yo había encontrado a por que un barco puede remontar el viento, la conseguía soplando un folio y viendo que el folio se acercaba en lugar de alejarse del flujo de viento.
Me encantaría poder dar una explicación mejor (apta para todos los públicos)
:brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

:brindis:
Zephyros ya has hablado de la succion que se produce y en el ultimo parrafo ibas a contar como la vela desviaba enormes cantidades de aire hacia popa .
:velero:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Zaphyros por favor sigue con tu enfoque. Para los que no somos muy buenos en física ese montón de formulas no son fáciles de digerir. Yo personalmente seguiría con el enfoque más simple y redactado para ver si nos graduamos y cuando tú termines que empiecen las aportaciones para el master, :meparto:

Estoy seguro que se complementarían muy bien y se agradecerían mucho una vez que se ha visto mas claramente, aunque sea menos exacto o preciso (no se si es así).:santo:

En cualquier caso yo te animo a seguir por donde ibas, aunque luego volvamos a releer las aportaciones mas de formulas, que yo, sin ánimo de despreciar el esfuerzo y la aportación (pero me cuesta digerirla), me las he saltado solo con una lectura superficial. :sorry:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Error

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Me sumo.


Por cierto:
"U25pies" tiene un hilo http://foro.latabernadelpuerto.com/s...d.php?t=131453 "recetas para un balandro moderno", muy interesante, en el que trata estas fórmulas, además de otras cuestiones sobre la sustentación y más.

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Zephyros, yo también estaría encantado de que continuases con tu historia, es muy entretenida y didáctica :adoracion:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

No puedo evitar dar mi opinión a favor de que son tres (al menos) los efectos que propulsan un barco de vela.
Es lo que me parece intuitivamente. Esos tres efectos puede que en realidad sea el mismo desglosado
ya que provienen del mismo fenómeno: interacción vela-viento.

1. Efecto succión (primer esquema)

La diferencia de presión, menor en sotavento y mayor en barlovento
tiran de la vela hacia sotavento, y con ella al barco, que escora.
La orza evita que el barco derive hacia sotavento por este efecto y mantenga el rumbo,
utilizando sólo la componente de la fuerza F en el sentido del rumbo.


2. Efecto cohete a reacción (segundo esquema).

La parte barlovento de la vela desvía aire hacia la zona de salida por la baluma. Este aire tropieza con el que allí hay,
creando una zona de mayor presión mayor tras ella (es como si la vela expulsara aire como un cohete por el lado
de barlovento hacia atrás).
Para compensar esta acción A, hay una reacción R que provoca que el barco avance huyendo en sentido
opuesto de la zona de mayor presión.


3. Efecto cuña (tercer esquema). (Puede formar parte del primer efecto).

Si tenemos una cuña de madera sobre hielo (no hay rozamiento) y aplicamos una fuerza vertical
con otra cuña menor (también sin rozamiento) sobre la primera,
es evidente que que la grande avanzará huyendo de la presión.

Este caso, en el barco, se corresponde con un rumbo de través perfecto.

La cuña grande, evidentemente es la vela, y la pequeña es el viento que incide.
Entre el viento y la vela (barlovento) no hay rozamiento.
La fuerza del hielo evitando que la cuña se hunda en él lo hace la orza al evitar la deriva del barco.
La falta de rozamiento que permiten a la cuña "escapar" hacia adelante la aporta el agua en el casco
del barco y el aire en la vela (sotavento).

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Por cierto,

el símil de la vela como una cuña sobre hielo (dibujo 1)
y de la vela (parte de barlovento) como cohete a reacción
expulsando aire hacia atrás (dibujo 2),
nos ayuda a entender porqué el través es el rumbo más rápido de todos
(en general y con una sola vela).

Entre el rumbo de través y de ceñida, el ángulo de incidencia
del viento en ceñida no es óptimo. La cuña pequeña (viento) se deslizará
más rápidamente hacia abajo (hacia la baluma),
"apretando" poco a la cuña grande (vela) hacia abajo,
y transfiriéndole menos fuerza. El ángulo de incidencia de través es mejor
que el de ceñida puesto que transfiere más presión a la cuña grande
y por tanto mayor velocidad.

Través y ceñida además se benefician del efecto "cohete" puesto
que desplazan aire hacia atras, a la salida de la baluma, creando
una zona de mayor presión de la que la vela huye.

En un rumbo de largo, vemos que básicamente sólo actúa
la fuerza de empuje del viento. La cuña pequeña empuja
a la grande hacia adelante y muy poco o nada hacia abajo
(por eso se puede subir la orza y el barco no deriva).

Como ángulo de ataque de viento, parece que es mejor el
de largo, pero aquí ya no hay efecto "cohete", con lo
cuál el barco no irá más rápido que el viento.

En resumen: el rumbo más rápido es través
porque entre los rumbos que se benefician del
efecto cohete es que el tiene mejor ángulo de incidencia
del viento para el efecto cuña.

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Yo tambien me apunto a la opcion didactica y menos numerica
No lo dejas :brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Ok esta semana seguimos. También nos debemos quitar de la mente un fenómeno que en física como tal no existe: Fuerza de succión.

Esta fuerza es ficticia, realmente sería el efecto de la diferencia de presiones que es la que hace que las moléculas de aire de un lado de una membrana (en nuestro caso barlovento de la vela) empujen la vela hacia el lado de más baja presión (sotavento). No es que haya succión aunque lo llamamos muchas veces así, lo que pasa es que un lado empuja y el otro no compensa este empuje para mantener la membrana en su estado original porque en sotavento hay menos moléculas que en barlovento, menos densidad de aire, menos presión por tanto. La resistencia del tejido de la vela es la que soporta el esfuerzo o de otra forma se rompería la vela y pasaría aire de un lado a otro, obvio. Nuestro Isaac dixit :D

Respecto succión general, como podría ser una bomba de succión o el simple hecho de tomarse un batido con una pajita, lo que realmente hacemos es disminuir la presión en la zona alta de la pajita y el líquido es empujado por la presión atmosférica que pesa sobre el vaso. ¿os suena el experimento de Torricelli?

Yo no hablaría de succión y sí de fuerza normal a la superficie de la vela ejercida por la mayor presión en el lado de barlovento. También aclarar para que no haya malos entendidos que la presión NO es una fuerza como tal. Es fuerza por unidad de superficie (kg/m2 por ejemplo).

Una fuerza se ejerce en un punto y tiene una dirección y sentido determinado mientras que la presión se ejerce en todas direcciones si el fluido es estático y/o en ciertas direcciones según la dinámica del fluido. La presión es fuerza por unidad de superficie, de tal manera que en todos los puntos de la vela curvada tendríamos una fuerza de presión, cada uno en su dirección perpendicular a la vela curva y por tanto cada uno diferente, imaginad en vez de puntos centímetros cuadrados y cada uno con una flechita de la fuerza aplicada en ese trocito de superficie. Lo que hacemos es hallar la Resultante que es una fuerza que no existe como tal, pero sería la suma de todas las demás, se comporta igual y trabajamos con ella para simplificar el problema pero el problema físico que habría que resolver es tremendamente complicado al tener que hallar la ecuación aproximada de la superficie y luego integrar (sumar) todas las pequeñas fuerzas de presión) y encima como todos sabemos la vela no es una superficie rígida y estable es tremendamente cambiante si nos fijamos en los detalles. Bueno, lo de la Resultante es un caso claro de equivalencia que nos simplifica los cálculos y a nosotros nos vale: 1 fuerza en un punto mejor que infinitas fuerzas pequeñas en toda la superficie.

Sirva este comentario para complementar un poco más el tema de la diferencia de presiones.

Estoy dando por sentado que todos conocemos lo que va a decir Isaac y yo también me adelanto a la discusión o debate posterior :cunao:


:brindis::brindis::brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Bien, digamos que Isaac toma la palabra: Se me ocurren dos ideas joven Bernouilli, la primera es usar exclusivamente la tercera Ley que lleva mi nombre, ejemmmm, esa que nos habla de la Acción-Reacción que se produciría en el choque de las "partículas" o moléculas de aire contra la cara de barlovento de la vela transmitiendo parte de su cantidad de movimiento a la vela, esto haría que la partícula rebotara en la vela y por reacción la estaría empujando. Date cuenta que si tienes la vela aproada no deja de flamear pero basta que la pongamos con un cierto ángulo para que de inmediato se infle y empiece a chocar el viento contra la cara de barlovento, no ha habido ni tiempo para crear flujos laminares ni nada de eso, es el aire el que rápidamente llena la bolsa de la vela y empieza a empujar chocando sus moléculas contra la misma.

Esta acción produce una fuerza sobre la vela perpendicular a la misma hacia sotavento que producirá esa sustentación que llamamos.

Daniel, comenta rápidamente que no le parece que esta idea explique la sustentación puesto al otro lado de la vela también hay aire que golpea a la misma, no explica una diferencia de presión en ambas caras y por tanto la cara de sotavento en parte también tendría moléculas con las que golpear la vela y el rendimiento sería malo en general y aunque pongamos cierto ángulo de ataque significaría que la vela funcionaría igual independientemente de cómo fuera la cara de sotavento y está comprobado que dicha cara no puede tener cualquier forma, se comportaría igual independientemente de su forma, distintas velas tendrían el mismo rendimiento si la parte de barlovento fuera igual pero la de sotavento fuera arbitrariamente distinta, cosa incierta amigo Isaac.

Cierto!, comenta Isaac, te doy la razón y esta que fue la primera idea que se me vino a la cabeza pero tampoco me acaba de convencer, me gusta más la idea de que el aire circule pero sea desviado, es decir, la clave estaría en el ángulo de ataque pero respetando una capa límite pegada a la vela y el aire circulando cambiando de dirección de forma suave, no obligando a chocar contra la vela. Observo la existencia de esa capa límite porque veo una pequeña mosca que no hay forma de que se separe de la vela :cunao:, parece estar pegada y el viento no la echa para atrás!!, más bien lo que ocurre es que no sufre los choques que antes comentamos, entonces qué está pasando? pues que al avanzar la vela y recibir viento este se desvía, se desvía una gran masa de aire de su dirección original con cierto ángulo a otra que es hacia popa.

¿Recuerdas mi Primera Ley del movimiento? "Todo cuerpo permanece en su estado de movimiento o reposo en el que se encuentra si ninguna fuerza neta es aplicada sobre el mismo" esto significa que si el aire en movimiento que entra en la vela con un ángulo determinado cambia de dirección significa que una fuerza actúa sobre él y esto es impepinable en física, no hace falta que cambie de velocidad que también podrá pasar y por energía de tu análisis se desprende que sí pierde energía cinética y por tanto velocidad, pero sólo el mero hecho de cambiar de dirección implica la existencia de una fuerza, la de la vela sobre el aire, y por tanto, por la Tercera Ley de Newton de Acción y Reacción, una fuerza en sentido opuesto que sufrirá la vela y que a su vez dará lugar al arrastre y a la sustentación.

No se trata de choques, se trata de cambio suave de dirección que provoca la vela en el flujo de aire y por Acción y Reacción una fuerza igual y de sentido opuesto sobre la vela. La fuerza de reacción será por tanto proporcional al aire desviado que es mucho, es de gran importancia el ángulo de ataque y el perfil de la vela lo es en sentido que disminuye el arrastre a mínimos. Podemos hablar de un ángulo de ataque crítico a partir del cual el aire no fluye suavemente a lo largo de la vela, se desprende y se vuelve caótico y esto vale tanto para la explicación en el flujo laminar como la explicación en la fuerza obtenida por desviación de importante masa de aire en movimiento. También podemos decir que conseguimos la misma sustentación si al aumentar la velocidad disminuimos el ángulo de ataque

Creo firmemente, dice Isaac, que es la desviación del aire la que produce una fuerza que es perpendicular a la vela y que se descompone en sustentación y arrastre, y como ya dijimos anteriormente en la conversación la sustentación tiene dos componentes una de deriva y una de avance que es la que hace que el barco pueda ir con rumbos de ceñida.
____________________

Resumimos:

- La explicación del Efecto Venturi no es aplicable a la vela, en todo caso es un caso particular, una aplicación de las ecuaciones de bernouilli en un tubo de sección cerrada
- La succión como fuerza, en Física no existe
- La teoría de choques de moléculas de aire con el lado de barlovento de la vela no es válida
- Que el tiempo de tránsito es el mismo por ambos lados de la vela es una premisa Incorrecta. Esta es la leyenda urbana más dañina originada por querer simplificar el problema.

- Las ecuaciones de Bernouilli explican perfectamente la sustentación de una vela y de un ala
- Las ecuaciones de Newton, también

Podemos explicar el efecto tanto por diferencia de presiones como por masas de aire desviado. Una explicación utiliza mecánica de fluidos y se basa mucho en la conservación de la energía y la otra explicación lo hace desde el punto de vista de las fuerzas que actúan. Ambas explicaciones son correctas y se pueden usar las ecuaciones de Bernouilli o las ecuaciones de la dinámica de Newton para resolver el problema de la sustentación. Así que podemos decir a nuestro amigos preguntones que hay dos formas de explicar el problema o elegir la que más nos guste.

Nota: Para un gas se aplican tres principios de conservación: el de la masa, el del impulso (o cantidad de movimiento o momento) y el de la Energía. Si hablamos de conservación del impulso del aire aplicamos Newton, si hablamos de Energía en fluidos aplicamos Bernouilli. La explicación más detallada aplicando los tres principios de conservación NO nos la da ni Newton ni Bernouilli, nos la dan las Ecuaciones de Euler (estas sí que son chulas cuando estudias dinámica de fluidos, son de un detalle...) pero tampoco son del todo completas, porque no considera la viscosidad del aire. Euler fue alumno del padre de Bernouilli y durante un tiempo trabajaron juntos Daniel Bernouilli y Euler. Las posteriores Ecuaciones de Navier-Stokes sí consideran el efecto de la viscosidad del aire, pero claro la complejidad aumenta bastante y es que el problema de la vela o el problema del ala de un avión es un problema extremadamente complejo y solemos simplificar para explicarlo, yo he querido simplificar pero de forma amena y sin perder la esencia, seguro que faltan muchas cosas pero tampoco es cuestión de complicar y menos lo de meter fórmulas. El poder de aceptación de un artículo o de un tema explicado es inversamente proporcional al número de fórmulas utilizadas, de forma que si no hay fórmulas mejor.

Menudo tocho :cunao:

Ni que decir tiene que cuando regresaron a puerto se fueron de parranda a La Taberna del Puerto :pirata:

:brindis::brindis::brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Muy bueno :cid5::cid5::cid5:
Me ha encantado la explicación :brindis::brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

O sea, creo entender de tu explicación, que la propulsión se debe a:

1. el empuje del viento sobre la vela (aún en rumbos de ceñida)
por el efecto similar al de cuña sobre hielo que comentaba antes

2. el efecto acción-reacción debido a la zona de mayor presión
a la salida del aire por la baluma

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Hola Garbinet en Física no se usan símiles para explicar un fenómeno, no vale el "esto es como aquello que... tal y tal" así que no lo se, no se si es igual o parecido lo que comentas, son problemas distintos y yo no he hablado de cuñas.

Respecto el posible empuje comento que esta teoría, que correspondería al choque de las moleculas por el lado de barlovento, no explica el fenómeno de la sustentación.

Y lo de mayor presión a la salida por la baluma no encuentro relación con lo dicho, no digo que no la tenga, pero en la salida por la baluma la preocupación viene más por el tema de las turbulencias, y trimamos para conseguir un flujo continuo, no mayor o menor diferencia de presiones. Lo mismo es que no entiendo bien a qué te refieres.

:gracias:

:brindis:

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Hola Zephyros,

lo que quiero decir con el símil de la cuña es el esquema que adjunto más abajo.

En él hay una cuña sobre hielo . Si aplicamos una fuerza
vertical la cuña se desplazará a la derecha.

Traducido al barco:
+ el plano inclinado = vela
+ fuerza vertical = viento de través sobre la vela
+ hielo (evita que la cuña se hunda en él) = orza (evita que el barco derive en la dirección del viento)
+ hielo (rozamiento 0) = agua (permite que el barco se desplace)

He grabado este pequeño video de 10 segundos, que verifica que
el símil es válido. Se trata de una cuña de plástico sobre la mesa,
en la que al soplar verticalmente (de través para la cuña)
sale disparada.

https://drive.google.com/file/d/0B_2...ew?usp=sharing

Es gracioso porque puedes soplarle "de ceñida" (inclinado desde la derecha) y efectivamente
la cuña se mueve también a la derecha, pero no tan rápido.

También puedes presionar en un punto verticalmente o con ángulo "de ceñida" con un lápiz, e igualmente, la cuña
se desplaza a la derecha.

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Sigo:

Visto lo anterior yo deduzco que:

1. EFECTO PRESION: la fuerza vertical (viento) al presionar sobre el plano inclinado (vela)
se puede descomponer en dos componentes: una vertical y una a la derecha (según el croquis).
La componente vertical es anulada por el hielo (orza) pero la componente
a la derecha no es anulada por el rozamiento, porque es prácticamente
despreciable (sea cuña en el hielo, o barco en el agua).



2. EFECTO COHETE: Además, en el caso del viento, al salir por la zona de la baluma (izquierda
en el croquis) crea una presión positiva en esa zona (comparado
con la zona de delante del mástil). Es como, si la vela estuviera
expulsando aire hacia atrás, igual que un cohete.

Re: Conversaciones entre Newton y Bernouilli
 

Sigo:

Esas dos fuerzas explican perfectamente las
diferencias de velocidades de cada rumbo.

De menor a mayor velocidad:

1. Ceñida: el ángulo de incidencia del viento no es óptimo.
En el efecto "presión",
la componente "hacia adelante" (hacia derecha en el croquis)
es menor. Así mismo, el aire desviado hacia la baluma (efecto cohete), lo
es en un ángulo menor.

2. Través: el ángulo de incidencia viento-vela es muy bueno.
La componente "hacia adelante" de la presión del viento
sobre la vela es muy grande. Además se desvía mucho más
aire hacia atrás.

3. Entre largo y través. Este sería el rumbo más rápido,
mientras consigan mantenerse ambos efectos. (¿Lo es?
He consultado y todos los windsurfistas dicen que sí).

Con el efecto presión: la componente "hacia adelante"
es mayor que en el través.

Mientras no se pierda la salida de aire por la baluma,
ambos se suman.

4. De Largo a popa redonda: cuando se pierde
el efecto cohete (no sale aire por la baluma) ya sólo
queda el primer efecto de empuje que aquí es óptimo,
pero al perder el otro no iremos más rápido que en los dos
últimos rumbos.