Para conseguir
la supercavitación hay que romper una barrera a partir de la cual se
pueda mantener el fenómeno, y para ello se deben emplear formas hidrodinámicas que parten de un morro generador del fenómeno. La
velocidad se encuentra en torno a los 200 kilómetros por hora,
consiguiendo la formación de una gran burbuja que envuelve todo el
objeto que a su vez se desplazará sin apenas rozamiento
hidrodinámico. La alta velocidad de avance evita que la burbuja
colapse sobre el objeto, permaneciendo este
dentro de la masa de gas de vapor de agua.
Las continuas
implosiones debidas a la cavitación en la hélice de esta turbina
llegan a perforar el acero inoxidable de forma notable tanto en la
unión de la pala con el buje central como en sus bordes.
La ventilación
Si en un motor
fueraborda llevamos el trim demasiado elevado
y aceleramos más de la cuenta, la hélice absorbe aire y se produce
un fenómeno conocido como “ventilación”, en
la que toda la hélice se ve envuelta en una masa de aire evitando la
entrada de agua hacia las palas y haciendo que la hélice trabaje sin
esfuerzo.
Es inútil
decir que en estos casos no llega agua a las palas y no hay empuje,
pero observaremos que desaparece el rozamiento lo cual hace que el
motor se acelere alocadamente. Algo tan inconveniente podría ser sin
embargo muy beneficioso para conseguir carenas de altísimos
rendimientos. Quizás haya observado lo mismo al hacer la mayonesa o
la crema de verduras en el robot de cocina. A veces el cono de
absorción creado por el movimiento de las palas trituradora coge
aire produciendo el mismo fenómeno descrito para el fueraborda;
ventilación, falta de rozamiento y revoluciones del motor
descontroladas al carecer de rozamiento.
Si pudiéramos
inyectar aire debajo de la carena de un barco para forzar un fenómeno
de ventilación, podríamos alcanzar altos rendimientos al disminuir
la resistencia de superficies mojadas y sin necesidad de alcanzar
las altísimas velocidades en las que de forma natural ocurre en la supercavitación y su burbuja de gas.
¿Qué es la Supercavitación?
No se trata de
pura teoría, ni mucho menos. Ya en la Segunda Guerra Mundial los alemanes andaban probando torpedos que
aprovechaban las ventajas de la supercavitación, aunque
afortunadamente se quedaron en fase experimental. Durante la guerra
fría, los rusos,
lograron con éxito crear torpedos que funcionaban
en régimen de supercavitación, como el
torpedo Shkval que alcanzaba velocidades de
200 nudos bajo el agua.
Para lograrlo,
el torpedo va equipado con un motor a reacción, parte de cuyos gases
salen expelidos desde la parte frontal del torpedo para ayudar a
crear el fenómeno de ventilación y burbuja en la que se envuelve el
torpedo para lograr desplazarse a casi ¡400
kilómetros por hora!
La Navy de
Estados Unidos contrató en 2006 a la empresa Northrop Grumman y GE Electric Boat para el desarrollo de un
vehículo subacuático capaz de viajar en supercavitación. También crearon de forma exitosa proyectiles
supercavitantes para limpieza de zonas de minas submarinas.
La
Resistencia hidrodinámica
Desplazarse
debajo del agua o en su superficie conlleva un importante gasto de
energía que es proporcional a la tercera potencia de la velocidad.
La resistencia del agua es 1.000 veces mayor a la resistencia del
aire y por ello cualquier yate necesita poderosos motores si quiere
navegar a 40 ó 50 nudos, para lo cual
necesariamente ha de ir en planeo, durante el
cual la superficie mojada de la carena se reduce de forma
drástica.
Quizás el
fenómeno de la supercavitación tendría mucho que decir en el próximo
futuro de la náutica, para disminuir la tediosa resistencia
hidrodinámica que nos limita a velocidades tan lentas. La idea
consisten en reducir la superficie mojada de la carena envolviéndola
en una burbuja de gas.
Cuando un
fluido se mueve rápidamente alrededor de un objeto debajo del agua
disminuye la presión en el flujo, y
especialmente en los bordes de salida del objeto. Al aumentar la
velocidad del objeto, llega un momento en el que la presión del
fluido alrededor del objeto alcanza la presión de vapor del agua, o
lo que es lo mismo, baja tanto la presión que el agua se evapora
instantáneamente a temperatura ambiente. El agua cambia de fase y se convierte en vapor de agua de
forma casi instantánea al no existir presión que contenga el estado
líquido de las moléculas de agua que saltan al estado de vapor.
Velocidad de
supercavitación
En una hélice
o en carenas
de alta velocidad y en sus zonas más afiladas,
el flujo de agua contendrá cavidades de presión llenas de vapor de
agua y aire generando un fenómeno conocido como cavitación natural.
Los ingenieros navales intentan evitar esta forma de cavitación a
toda costa, pues distorsiona el flujo laminar
del agua que alimenta los túneles de las hélices o de las turbinas.
La cavitación también puede producir ondas de choque muy violentas o
implosiones de las burbujas que alcanzan de nuevo una zona de alta
presión, colapsándose en una explosión hacia dentro que erosiona la
superficie de las palas de las hélices y también la superficie de la
carena.
A partir de
los 50 metros por segundo tendremos que lidiar con fenómenos de
cavitación. En las cercanías de los vértices de las hélices, se
forman supercavidades que son bolsas de gas a baja presión. Los
objetos alargados generan elipsoides alargados que envuelven al
objeto desde su punta hasta la estela, en donde colapsan de nuevo en
un flujo complejo, aleatorio, impredecible e inestable.
En torpedos de
última generación desarrollados por los científicos en las bases
navales de Newport en Rhode Island, se consiguió alcanzar los 1.549
metros por segundo, logrando romper la barrera del sonido debajo del
agua.
También se han logrado desarrollar balas que pueden avanzar
bajo el agua en supercavitación. Al contrario
de las balas normales que pierden el impulso o su cantidad de
movimiento así como su rumbo al cabo de un solo metro de estar en el
agua. Para ello se las imprime un movimiento giratorio que
produce una estabilización giroscópica y una forma específica que
consigue generar la burbuja de gas en la que se envuelven para
conseguir avanzar en supercavitación.
Una bala normal pierde impulso al cabo de pocos centímetros y viaja
en un rumbo impreciso.
Leyes que
rigen la cavitación
Es muy difícil
teorizar sobre comportamientos en los que se ven implicados
fenómenos relacionados con la teoría del caos.
El diseño de hélices, de carenas, redanes, bulbos, apéndices y en
general todo lo relacionado con la mecánica de fluidos, en muchos
casos necesita experimentación, mucha dosis de inspiración y
numerosas pruebas
en canales hidrodinámicos.
A pesar de
ello, el alemán Hans Reichardt en el año 1943 construyó un túnel de agua en el
que poder estudiar los fenómenos de cavitación midiendo presiones,
depresiones, densidades, velocidades y diferentes formas de torpedos. Escribió;
“respecto al movimiento rápido de objetos en el agua, la cuestión
radica en dar con la forma que consiga crear igual presión en toda
la superficie del objeto. Pero también es importante conocer la
forma de la burbuja formada por cavitación y encontrar un contorno
que minimice la hipervelocidad en su superficie”.
Reichardt 1943: En su
túnel hidrodinámico pudo estudiar y deducir las ecuaciones de la
supercavitación.
Fruto de su
trabajo, Reichardt consiguió describir en lo que actualmente es el
Instituto Max Plank, una serie de ecuaciones conocidas como las
leyes de la cavitación.
Si
consideramos un torpedo de forma cónica con altura h, y diámetro que
se desplaza bajo el agua a velocidad v, el coeficiente de rozamiento
es Cw, entonces la cavidad elipsoidal formada por la alta velocidad, también
llamada burbuja de cavitación, queda
expresada por la relación (1) donde D y L son el diámetro y la
longitud de esta burbuja elipsoidal y con un ratio expresado por (2) que
describe el contorno de misma presión, en donde σ se expresa como
(3) en términos:
po
presión del entorno debido a la profundidad.
pbl
presión
dentro de la burbuja
q
Presión dinámica = ρ/2*v²
ρ Densidad del agua.
Y el diámetro
"D" del elipsoide y la fuerza W
necesaria para mover el objeto cónico a través del agua quedarían expresadas como el producto
del coeficiente de rozamiento del cono, F la sección del cono, ρ la densidad
del agua y la velocidad de desplazamiento v.
En resumen y a
modo de ejemplo; Para un objeto
de 25 centímetros de diámetro desplazándose a 5 metros de
profundidad y a 100 metros por segundo (360 km/hora) y simplificando
la presión de la burbuja a cero bares, la burbuja elipsoidal creada
sería de 15 metros de longitud con un diámetro máximo de 1,3 metros
y necesitaríamos una fuerza de 2*105 Newton (unas 20 toneladas de
empuje).
Pero los
experimentos demuestran que a partir de 78 m/s el elipsoide ya es
capaz de envolver el objeto, y que parte de
la energía invertida en lograr la velocidad de desplazamiento se
puede recuperar como impulso positivo debido al colapso de la
burbuja que se cierra detrás del cono. En los experimentos con pequeños
objetos la resistencia disminuyó en una tercera parte, pudiéndose
inferir que para grandes objetos, como por
ejemplo un
submarino, la resistencia inicialmente
prevista se podría reducir en torno a un 80% a 90%.
Torpedos de
Cavitación
El Shkval Ruso: Se trata de un objeto cilíndrico de 8,2 metros de
eslora con un diámetro de 53 centímetros y un peso de 2,7 toneladas.
Su velocidad es de 370 km/hora. El torpedo controla el rumbo gracias
a 4 aletas que se proyectan hasta el borde del elipsoide de
cavitación, en donde rozan la superficie del agua para girar y
cambiar su rumbo con total libertad. El plato de proa puede
modificarse para alterar la forma del elipsoide y lograr giros más
radicales o ajustar el tamaño de la burbuja a justo el tamaño del
misil, minimizando el gasto de propulsión y logrando que las aletas
de control estén en la frontera de la burbuja.
El torpedo
necesita un empuje de 130 kN (Unas 13 toneladas de empuje) para lo cual es posible que el Shkval
inyecte agua en la tobera de combustión. En principio es posible que
este torpedo pueda ser utilizado desde cualquier tubo lanzatorpedos
con una velocidad de salida de 25 m/s momento en el que arrancaría
su motor de propulsión formado por 8 pequeños motores ya alejado del
submarino que lo lanzó.
En la
actualidad,
DARPA está desarrollando un
minisubmarino, que aprovechando este efecto, podrá alcanzar
teóricamente los 100 nudos, un gran avance en velocidad submarina,
en comparación con los 25/30 nudos actuales.
El torpedo Shkval
alcanza cerca de
400 km/hora bajo el agua inmerso en su elipsoide de supercavitación
Aire debajo de
la carena
Está sobretodo
relacionado con el efecto de ventilación. Si consiguiéramos crear un
colchón de aire debajo de la carena… ¿Podría
reducirse parte del rozamiento y aumentar rendimiento y velocidad?
Naturalmente nos referimos a barcos de planeo y no a veleros o yates
con carenas de desplazamiento. Algunos
argumentan que no, y piensan que lo importante durante el planeo es
el empuje por presión dinámica que mantiene el barco casi fuera del
agua apoyado sobre la superficie del mar.
Otros opinan
que es posible reducir la resistencia y para ello construyen
dispositivos que permiten crear un colchón de aire debajo de la
carena, como por ejemplo las lanchas FastTrak del fabricante norteamericano Regal
entre otros, con carenas con “Steps” diseñadas para que el aire
entre por absorción desde las amuras diseñadas a tal efecto y se
forme por ventilación un “colchón” sobre el que se apoya parte de la
carena.
Al moverse el casco a gran velocidad el flujo de la lámina
de agua bajo la carena forma una depresión por efecto venturi que será mayor cuanto más
rápido se navegue. Esta absorción es la que introduce el aire por
los laterales y genera el efecto de ventilación bajo la carena.
Regal FastTrack: Se
aprecia como el aire es absorbido y crea un colchón de apoyo.
Beneteau
facilita el acceso del aire instalando dos agujeros justo en el eje
de crujía del casco y tras el escalón de la carena,
para que el aire pueda entrar libremente
debido a la depresión formada debajo de esta, canalizado por dos
tubos con accesos libres a unas tomas
situadas en la cubierta. El sistema bautizado como “AirStep” ha sido
montado en motoras como las Flyer 750, la Barracuda 9 o
las Monte Carlo.
Según los tests publicitarios que aparecen en YouTube sobre el
AirStep, el sistema consigue aparentemente mejores rendimientos y
maniobrabilidad. En el video parece que el sistema es efectivo y compara dos
cascos de Flyer con misma motorización,
uno con AirStep y otro sin él.
Sería muy interesante que Beneteau
hiciera estudios comparativos en los que en el mismo barco se
registraran rendimientos tapando o destapando los accesos al aire de las
conducciones que llevan el aire a la carena. Aún más aclaratorio
sería instalar caudalímetros para medir realmente el volumen de aire absorbido
hacia el Step.
Y es que
quizás, el aire absorbido por efecto venturi pueda ser totalmente
insuficiente para mantener un colchón de aire sobre el que deslice
la carena, y todo ello se quede realmente en algo más de marketing
que en un asunto técnico. Con el peso del barco y la superficie de apoyo en planeo
se puede calcular la presión que ha de soportar esta capa de aire.
Y conociendo esta presión multiplicada por un espesor y
superficie de apoyo aproximada, y por una velocidad media de planeo
se puede calcular el volumen de aire que es necesario "inyectar" para mantener
el casco “flotando” sobre este “colchón”.
Pero mientras
inventamos o no un nuevo modelo de “overcraft” con aspecto de
motora, no debiera pasarnos desapercibido que
algún invento de este estilo ya ha sido probado, con poco éxito,
en un prototipo con una Delta Conic en la cual se practicaron unas
salidas de aire justo en el Step, alimentadas
por tres compresores de aire movidos por tres motores diesel.
¿Demasiado peso añadido por los compresores, mal cálculo
volumétrico? Poca información al respecto y el hecho de no haber
transcendido son indicadores de un posible fracaso.
Diferentes patentes no
probadas inyectan aire debajo de la carena para reducir la
resistencia.
Sin embargo es
muy posible que sea totalmente viable llegar a un nuevo concepto de
barco por “deslizamiento” en el que, para no
perder estabilidad o maniobrabilidad, el casco tuviera unas finas
orzar o aletas laterales de poca resistencia hidrodinámica, que
permitieran contener el colchón de aire y globalmente redujese muy
significativamente la resistencia hidrodinámica. No hay ecuaciones
al respecto que permitan modelar un sistema que aún está por
inventar. El futuro está aún por llegar, como lo demuestra el gran
número de patentes que supuestamente podrían marcar el avance de los
futuros
barcos planeadores.
En las
imágenes conseguidas de estas patentes podemos ver conceptos
ingeniosos de dudosa viabilidad técnica. La manera en que
trabaja una carena de una lancha es muy complicada y debe ofrecer flotabilidad por
presión hidrostática en modo desplazamiento, debe aportar un apoyo
seguro en planeo, no perder estabilidad en altas velocidades y
asegurar una buena maniobrabilidad en giros con diferentes tipos de
olas. Para ello se diseñan diferentes formas, diferentes redanes,
distintos ángulos de sprays, posiblemente se diseñe uno o más Steps
con diferentes volúmenes y tamaños…. Y después,
si todo va bien, lucharemos por reducir el rozamiento mediante
fenómenos de
ventilación para mejorar rendimientos y velocidades.
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