Vela Conversaciones entre Newton y Bernouilli

[lao]

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,

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).

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.

[Winder]

Error

[Winder]

Originalmente publicado por lao

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,

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).

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.

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.

[el_pickti]

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

[Garbinet]

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).

[Garbinet]

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.

[Mafin]

Originalmente publicado por lao

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,

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).

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.

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

[Zephyros]

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

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

[Zephyros]

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 , 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

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

[alarones]

Muy bueno
Me ha encantado la explicación

[Garbinet]

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

[Zephyros]

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.

[Garbinet]

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.