INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA DE LANAVEGACIÓN A VELA

J. J. Ruiz-Lorenzo

Departamento de FísicaUniversidad de Extremadura

http://www.unex.es/fisteor/juan

IES Sierra la Calera (Santa Marta)15 de Abril de 2010

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 1 / 30

Plan de la charla

Tipos de navegación (a favor yen contra del viento).

Experimento.Fuerzas sobre objetos enfluidos (vela, quillas y alas):flotabilidad (Arquímedes),resistencia y sustentación.Equilibrio de un barco.Predicción de la velocidad delbarco a vela.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30

Plan de la charla

Tipos de navegación (a favor yen contra del viento).Experimento.

Fuerzas sobre objetos enfluidos (vela, quillas y alas):flotabilidad (Arquímedes),resistencia y sustentación.Equilibrio de un barco.Predicción de la velocidad delbarco a vela.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30

Plan de la charla

Tipos de navegación (a favor yen contra del viento).Experimento.Fuerzas sobre objetos enfluidos (vela, quillas y alas):flotabilidad (Arquímedes),resistencia y sustentación.

Equilibrio de un barco.Predicción de la velocidad delbarco a vela.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30

Plan de la charla

Tipos de navegación (a favor yen contra del viento).Experimento.Fuerzas sobre objetos enfluidos (vela, quillas y alas):flotabilidad (Arquímedes),resistencia y sustentación.Equilibrio de un barco.

Predicción de la velocidad delbarco a vela.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30

Plan de la charla

Tipos de navegación (a favor yen contra del viento).Experimento.Fuerzas sobre objetos enfluidos (vela, quillas y alas):flotabilidad (Arquímedes),resistencia y sustentación.Equilibrio de un barco.Predicción de la velocidad delbarco a vela.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30

Tipos de navegación a vela

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 3 / 30

¿Es posible navegar en contra del viento?

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 4 / 30

¿Es posible navegar en contra del viento?

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 4 / 30

Experimento: ¿Fuerza sobre una vela navegando enbolina?

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 5 / 30

Experimento: ¿Fuerza sobre una vela navegando enbolina?

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 5 / 30

Experimento: ¿Fuerza sobre una vela navegando enbolina?

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 5 / 30

Flujo alrededor de un sólido

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 6 / 30

Curvatura del flujo alrededor de un sólido

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 7 / 30

Principio de Bernouilli

Principio de Bernouilli:

p +12ρv2 = Constante en la linea de corriente

Conservación de la cantidad de fluido:

ρAv = Constante

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 8 / 30

Principio de Bernouilli (Aplicación) (I)

Efecto Venturi:

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 9 / 30

Principio de Bernouilli (Aplicación) (II)

Alas/Velas/Quilas:

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 10 / 30

Animación: Flujo de aire sobre un ala

Animación: Flujo de aire sobre un ala

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 11 / 30

Sustentación (quillas/velas)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 12 / 30

Alas/Velas/Quillas en 3D

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 13 / 30

Aerodinámica de la quilla

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 14 / 30

Vórtices generados por las alas (I)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 15 / 30

Vórtices generados por las alas (II)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 16 / 30

Vórtices generados por las alas (III)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 17 / 30

Vórtices generados por las velas

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 18 / 30

Principio de Arquímedes

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 19 / 30

Principio de Arquímedes

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 19 / 30

Resistencia

De forma.

De onda.Inducida.De la capa límite.

De fricción.Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite +Resistencia de fricción.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30

Resistencia

De forma.

De onda.Inducida.De la capa límite.

De fricción.Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite +Resistencia de fricción.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30

Resistencia

De forma.

De onda.Inducida.De la capa límite.

De fricción.

Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite +Resistencia de fricción.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30

Resistencia

De forma.

De onda.

Inducida.De la capa límite.

De fricción.

Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite +Resistencia de fricción.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30

Resistencia

De forma.

De onda.Inducida.

De la capa límite.

De fricción.

Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite +Resistencia de fricción.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30

Resistencia

De forma.

De onda.Inducida.De la capa límite.

De fricción.

Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite +Resistencia de fricción.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30

Resistencia

De forma.

De onda.Inducida.De la capa límite.

De fricción.Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite +Resistencia de fricción.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30

Resistencia inducida (estela turbillonaria)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 21 / 30

Resistencia inducida (estela turbillonaria)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 21 / 30

Resistencia de onda (estela del barco)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 22 / 30

Ondas

Mar profundo: v = 2.5√λ(m) kt. T = 0.8

√λ(m) s.

Las olas más grandes (en long. onda) se mueven más rapido.Mar poco profundo: v = 6.1

√d(m) kt. Todas las olas se mueven

a la misma velocidad (por ejemplo, en la orilla).

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30

Ondas

Mar profundo: v = 2.5√λ(m) kt. T = 0.8

√λ(m) s.

Las olas más grandes (en long. onda) se mueven más rapido.Mar poco profundo: v = 6.1

√d(m) kt. Todas las olas se mueven

a la misma velocidad (por ejemplo, en la orilla).

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30

Ondas

Mar profundo: v = 2.5√λ(m) kt. T = 0.8

√λ(m) s.

Las olas más grandes (en long. onda) se mueven más rapido.

Mar poco profundo: v = 6.1√

d(m) kt. Todas las olas se muevena la misma velocidad (por ejemplo, en la orilla).

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30

Ondas

Mar profundo: v = 2.5√λ(m) kt. T = 0.8

√λ(m) s.

Las olas más grandes (en long. onda) se mueven más rapido.Mar poco profundo: v = 6.1

√d(m) kt. Todas las olas se mueven

a la misma velocidad (por ejemplo, en la orilla).

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30

Diagrama de Fuerzas

Equilibrio (mov. uniforme): ∑i

Fi = 0

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 24 / 30

Diagrama de Fuerzas

Equilibrio (mov. uniforme): ∑i

Fi = 0

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 24 / 30

Momentos

Equilibrio: ∑i

Mi = 0

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 25 / 30

Momentos

Equilibrio: ∑i

Mi = 0

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 25 / 30

Momentos

Equilibrio: ∑i

Mi = 0

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 25 / 30

Viento Real/Aparente

Ecuación General:

vreal = vaparente + vbarco

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 26 / 30

Viento Real/Aparente

Ecuación General:

vreal = vaparente + vbarco

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 26 / 30

Viento Real/Aparente

Ecuación General:

vreal = vaparente + vbarco

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 26 / 30

¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que lavelocidad real del viento? (I)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 27 / 30

¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que lavelocidad real del viento? (I)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 27 / 30

¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que lavelocidad real del viento?(II)

Hydroptére consiguió el record del mundo (4/9/2009), sosteniendouna velocidad de 51.36 kt durante 500 m en 30 kt de viento.

El 8/11/2009 rompió la barrera de los 50 kt durante 1 NM con unavelocidad de 50.17 kt.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 28 / 30

¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que lavelocidad real del viento?(II)

Hydroptére consiguió el record del mundo (4/9/2009), sosteniendouna velocidad de 51.36 kt durante 500 m en 30 kt de viento.El 8/11/2009 rompió la barrera de los 50 kt durante 1 NM con unavelocidad de 50.17 kt.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 28 / 30

¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que lavelocidad real del viento?(II)

Hydroptére consiguió el record del mundo (4/9/2009), sosteniendouna velocidad de 51.36 kt durante 500 m en 30 kt de viento.El 8/11/2009 rompió la barrera de los 50 kt durante 1 NM con unavelocidad de 50.17 kt.

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 28 / 30

¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que lavelocidad real del viento?(III)

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 29 / 30

Video Promocional del Hydroptére

Video Promocional del Hydroptére

J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 30 / 30