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#1
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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
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... ![]() ![]() ![]() ![]()
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#2
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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.
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#3
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#4
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Buen titulo. Buen hilo. Estoy impaciente por ver si el relato le hace honor.
Permanezco a la escucha. |
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#5
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Tomaremos unas a la espera de la continuación.![]() ![]() ![]() |
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#6
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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 , yo ajusto las velas y mi barco anda y anda muy bien así que con eso me vale 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 ![]() 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. ![]() ![]() ![]()
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#7
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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 ![]() |
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#8
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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. ![]() 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 . 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 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 ![]() 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" ![]() 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 . 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 ![]() 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 ![]() continuará... Perdón! dijo Daniel, yo también voy a ser incisivo con mis cuestiones y comentarios Sir Isaac ![]() ![]() ![]() ![]()
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"Nunca te acostarás sin haber leído un post de La Taberna nuevo" Editado por Zephyros en 20-06-2015 a las 04:42. |
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#9
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Vamos !!!!! Date prisa en acabar el tocho que se me acaba la cerveza
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Interesante forma de explicarlo
Cojo un botellin de los de Venturi y me siento a esperar Saludos ![]() |
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Zephyros (22-06-2015) | ||
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#11
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Muy entretenida tu forma de hacer divulgación científica,
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| Los siguientes cofrades agradecieron este mensaje a Prometeo | ||
Zephyros (22-06-2015) | ||
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#12
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Muy interesante la divulgación, cofrade Zephyros.
![]() ![]() 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 ![]()
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Navigare necesse est. Vivere non est necesse. (Pompeyo) Si damos bordos de menos de 180º, llegaremos a algún sitio... (anónimo) |
| Los siguientes cofrades agradecieron este mensaje a Apagapenol | ||
Zephyros (22-06-2015) | ||
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#13
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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 |
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#14
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#15
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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 Editado por U25pies en 25-06-2015 a las 09:52. |
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#16
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Al Prandtl este lo conozco yo!!
de sus teorias de la torsión en el analisis estructural. No sabia que fue un guru de la aerodinamicaAprovechando 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 |
| Los siguientes cofrades agradecieron este mensaje a Keith11 | ||
kabuto (01-07-2015) | ||
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#17
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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 |
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#18
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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 |
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#19
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![]() 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 |
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#20
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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 |
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#21
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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 ![]() |
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#22
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![]() 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 |
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#23
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Y ahora por dónde sigo yo?
![]() 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 ![]() ![]() ![]()
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#24
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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) ![]() |
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#25
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![]() 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 . ![]() Editado por javib en 26-06-2015 a las 08:55. |
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