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Botes y cosas que flotan

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Juan Sau

on 28 October 2013

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Transcript of Botes y cosas que flotan

William Froude, un ingeniero de Inglés del siglo XIX y el arquitecto naval, determinó que la velocidad de las ondas, Vwv producido por un casco de desplazamiento relativo fijo a un sistema de coordenadas era proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de la ola y Lwv

Hay dos números importantes que se utilizan para caracterizar las hélices de los barcos. El primer número es el diámetro de la hélice, por lo general en pulgadas. El segundo número se denomina el paso de la hélice y representa la distancia teórica,' que la hélice se mueva en relación con el agua a su alrededor para cada revolución de la hélice.
La velocidad teórica delante de la hélice, Vt es igual al paso de la hélice, P, multiplicado por la tasa de rotación de la hélice, n (en revoluciones por segundo).
Este es causado por el contacto del casco del bote con el agua, el coeficiente de fricción Cf es una función del numero de Reynolds del bote.
El numero de Reynolds es una relación adimensional de la densidad del fluido, velocidad, y una longitud característica “L”, dividida por la viscosidad del fluido

El CR o coeficiente de fricción se subdivide en 3 componentes que son los que actuan en el área característica, que son el arrastre de fricción de la coraza (CF ), el arrastre de fricción de las olas (CW ) y el arrastre de fricción de la forma(Cform).
Entonces tendríamos que:


Un bote esta impuesto a fuerzas que van a oponerse a su movimiento, estas fuerzas son las fuerzas de arrastre.
Un bote va a experimentar 2 diferentes fuerzas de arrastre, una hidrodinámica, por la superficie del bote sumergida bajo el agua y otra aerodinámica, por la superficie superior del bote que esta fuera del agua, podemos calcular una estas fuerzas de arrastre con la siguiente formula:

Si el conjunto resistencia se conoce a una cierta velocidad, la potencia efectiva requerida se puede calcular. Si se conoce el coeficiente de eficiencia de propulsión, que puede ser comparada con la potencia de salida máxima del motor para determinar si el motor puede proporcionar este nivel de potencia.

Cuando gira la hélice a través del agua, se genera un empuje. La potencia de empuje, Pt es igual a la fuerza de empuje, Ft, multiplicado por la velocidad de avance de la hélice.

La relación de la velocidad estela a la velocidad del barco se llama la fracción de estela, wf .


La velocidad del barco y la velocidad de avance de la hélice pueden estar relacionados con la fracción de estela.


Al analizar la ecuación velocidad de avance, vemos que en realidad no proporcionan la velocidad de la embarcación debido a que también es necesaria la velocidad raíz en un punto dado en el tiempo. En la ecuación de velocidad de avance existe una variación de la ecuación que relaciona la velocidad del barco a la tasa de rotación de la hélice .
La distancia real recorrida por revolución hélice a ser menor que el paso de la hélice . La velocidad de avance real de la hélice en relación con el agua a su alrededor , también conocida como la velocidad de avance , es menor que la velocidad máxima teórica por una cantidad , Sr , conocida como la relación de deslizamiento real.
Botes y cosas que flotan
Diagrama básico de fuerzas
Un barco que viaja a través del agua está sujeto a varias fuerzas que determinar; la aceleración, la velocidad y la posición de la embarcación. El diagrama básico de fuerza de un barco se muestra en la Figura 9-3
Empuje
Un motor de barco genera un esfuerzo de torsión que se transfiere a un eje de la hélice de un eje de accionamiento y / o, que a su vez está conectado a una hélice. Cuando la hélice gira, se genera empuje que propulsa el barco hacia delante o hacia atrás.
Arrastre
Jet Ski y la Física para Navegar
Terminología náutica
Terminología náutica:
• Manga: La anchura de la embarcación. También se llama la amplitud.
• Proa: La parte delantera o hacia adelante de la embarcación.
• Desplazamiento: El peso del agua desplazada por el barco.
• Proyecto: La profundidad de la embarcación por debajo de la línea de flotación. También se utiliza para describir la profundidad de agua necesaria para hacer flotar un barco.
• Casco: La capa exterior de la embarcación.
• Nudo: Unidad de velocidad de uso común para los barcos. 1 nudo = 0,514 m / s = 1,852 kilómetros / h.
• Puerto: El lado izquierdo de la embarcación cuando se enfrenta a la parte delantera del barco.
• Estribor: El lado derecho de la barca cuando se enfrenta a la parte delantera del barco.
• Popa: La parte trasera o en la popa del barco.
• Peto de popa: El extremo plano, vertical (o casi vertical) de popa del casco.

Tipos de casco del barco
Hay varios generales tipos de cascos. Un casco de desplazamiento es el que se mantiene relativamente bajo en el agua cuando el barco está viajando y para su camino a través del agua. La sección transversal de un casco de desplazamiento tiene un forma de U relativamente constante de proa a popa. Cascos de desplazamiento se utilizan en larga distancia gasolineras como cruceros. Son el tipo de casco más eficiente de combustible, pero también experimentan las fuerzas de arrastre más altas en el agua, lo que limita su velocidad a relativamente valores bajos.
Con un casco de semi-desplazamiento , la sección delantera del casco es de forma de V , que permite la parte delantera del barco para levantar cuando la embarcación se desplace hacia adelante. El movimiento de elevación reduce el arrastre de agua (también llamada resistencia hidrodinámica) experimentada por el barco. La velocidad máxima de un casco de semi - desplazamiento es mayor que la de un casco de desplazamiento comparables. Barcos de langosta y arrastreros costeros tendrán típicamente cascos semi - desplazamiento.
Lanchas de alta velocidad y las motos acuáticas tienen lo que se conoce como un casco de cepillado. Este tipo de casco tiene una forma de V en la mayor parte del casco, lo que permite que el casco se levante fuera del agua cuando el barco está en marcha hacia delante. El ángulo que el casco se eleva fuera del agua se conoce como el ángulo de planeo
. Un casco de cepillado puede elevarse fuera del agua .
Puesto que la porción del casco todavía en el agua se reduce durante el cepillado, la hidrodinámica arrastre experimentada por el barco se reduce también. Barcos de cepillado pueden alcanzar velocidades de 160 km / hr o más. La desventaja es que los barcos de planeo tienen las tasas más altas de consumo de combustible y son los menos estable en mar, pero que rara vez es un problema en situaciones de juego.

Hay cuatro fuerzas que debemos tener en cuenta que actuan sobre el barco. Estamos ya bien familiarizados con la fuerza de la gravedad. Se tira de la embarcación hacia abajo. Para que el barco flote en el agua, otra fuerza debe estar allí para contrarrestar la fuerza de la gravedad. Esta fuerza se conoce como la flotabilidad de la embarcación. Si la fuerza de flotación es lo suficientemente grande para contrarrestar la fuerza de la gravedad, el barco flotará. Las dos fuerzas que actúan en la dirección horizontal son de empuje y arrastre. En un barco a motor, las hélices que están conectados al motor del barco proporcionan el empuje.

Flotabilidad
Para que un objeto flote tiene que haber otra fuerza que equilibra el tirón gravitatorio itational. Esta fuerza se conoce como la fuerza de flotabilidad. La flotabilidad se ha estudiado desde hace mucho tiempo. Arquímedes descubrió los principios de la flotabilidad hace más de 2.200 años. Arquímedes, quien vivió en Siracusa, Sicilia, es considerado el más grande matemático y científico del mundo antiguo. Junto con el campo de la hidrostática Arquímedes descubrió también cómo se podrían utilizar poleas y palancas para levantar objetos pesados.

Para entender la flotabilidad, debemos considerar lo que sucede cuando una roca se deja caer en un balde de agua y se hunde hasta el fondo. El agua que se usa para estar en el espacio que hoy ocupa la roca ha sido empujada lejos, o desplazada, junto a la roca. El volumen de agua desplazada es igual al volumen de la roca.

Arquímedes descubrió que el peso de un objeto sumergido en el agua es menor que el peso del objeto en el aire. En otras palabras, la fuerza neta sobre el objeto sumergido es más baja, lo que significa que una fuerza debe actuar sobre el cuerpo que se opone a la fuerza de la gravedad. Esta fuerza se debe a la flotabilidad de un objeto. Arquímedes también descubrió que la reducción en el peso de un objeto flotante o sumergido es igual al peso del agua desplazada por el objeto. Por consiguiente, la fuerza de flotabilidad, FB, es igual al peso del agua desplazada, la cual es igual a la densidad del agua, pw, multiplicado por el volumen del agua desplazada, Vw, y la constante gravitacional, g.
Cuando un barco flota, la fuerza de flotabilidad debido al agua desplazada por el barco, equilibra la fuerza gravitatoria que actúa sobre el mismo. Si más gente sube al barco, por ejemplo, el barco se hunde un poco más en el agua como se muestra en la Figura 9-4. Al hacerlo, más agua se desplaza, lo que aumenta las fuerzas de flotabilidad que actúan sobre el barco, lo que equilibra el peso adicional de la embarcación.

La siguiente ecuación se puede utilizar para calcular la carga máxima que se puede colocar en un barco (o cualquier otro objeto) y todavía pueda flotar.

Cesar Ivan Lerma Morales
Susan Alvarez Espinosa
Juan Pedro Sau Liceaga
Luis Lauros Silva Alanis
José Antonio Rangel Zamora
Zule Juarez

El sistema de accionamiento más sencillo y menos costoso, es de accionamiento directo.
debido a que el peso del motor se mueve hacia adelante y debido a que el empuje de la hélice se dirige hacia arriba con el sistema de accionamiento directo, un barco de accionamiento directo tendrá un ángulo de planeo inferior a alta velocidad y experimentará más arrastre casco.
El tipo más común de sistema de tracción con modernas lanchas de velocidad, es la unidad de popa . El motor se encuentra en el interior del casco y se coloca muy cerca del espejo de popa (el extremo de popa del casco). El esfuerzo de torsión del motor se transmite hacia abajo al eje de la hélice se encuentra por debajo de la caja de cambios.
El propósito del sistema de accionamiento de un barco es para transferir el par de torsión del motor del barco a la hélice. Cuando la hélice gira, se genera el empuje que propulsa el barco hacia delante o hacia atrás.
La relación de deslizamiento real es una cantidad adimensional con un valor entre 0 y 1 . Hemos estado cuidando de hacer notar que la velocidad de avance es la velocidad de avance de la hélice en relación con el agua a su alrededor
Cuando un barco se mueve hacia delante en el agua , el agua justo detrás de la embarcación va a adquirir un movimiento hacia adelante en la misma dirección que el barco . La velocidad de estela, Vw , es igual a la diferencia entre la velocidad de la embarcación , Vb , y la velocidad de avance , Va .
Empuje
El empuje de un barco debido a las hélices se puede analizar en términos de potencia . El motor genera un cierto nivel de potencia , Pe , que típicamente no es constante, pero será una función de la tasa de rotación del motor. Esta energía se transfiere a través de ejes , cajas de engranajes y otros dispositivos mecánicos para la hélice . Hay pérdidas en el camino, por lo que el poder que está disponible a la hélice , Pp, es una fracción de la potencia del motor.
La eficiencia de transmisión de eje generalmente tendrá un valor bastante cerca de 1.
Cuando el bote se mueve a una cierta velocidad Vb, un poder llamado el poder efectivo Peff, es necesario que sobre pase la resistencia R experimentada por el bote a esa velocidad. La efectividad del poder es igual a la resistencia que actua en el bote multiplicada por la velocidad del mismo.
La potencia efectiva puede estar relacionado con la potencia del motor utilizando el coeficiente de eficiencia de propulsión.
Los valores típicos para el coeficiente de rango de eficiencia de propulsión 0,5-0,7 se pueden utilizar para estimar la velocidad máxima para un barco
La potencia efectiva y la potencia de empuje están relacionados por el coeficiente de eficiencia de casco,
Combinando las 3 ecuaciones anteriores resulta en una ecuación para el empuje producido por el motor de barco como una función de la potencia del motor, la velocidad del barco, la fracción de estela, y los coeficientes de eficiencia de propulsión y el casco.
La clave para el uso de la ecuación anterior, sin embargo, es que se necesita valor para los dos la eficiencia coeficientesy para la fracción estela, wf.
Donde F es la fuerza hidrodinámica de arrastre, CR es el coeficiente de la distancia, Vp es la velocidad del bote, p es la viscosidad del fluido, A el área característica y CR el coeficiente de resistencia.
Cabe mencionar que esto es solo para obtener la resistencia hidrodinámica, mas adelante se mencionara la aerodinamica.


Arrastre de fricción de la coraza
Ecuación para calcular coeficiente de fricción

El valor de L es generalmente tomado del largo del bote o de la parte que hace contacto con el agua mientras que la viscosidad varia con la temperatura y la salinidad del agua.
Arrastre de fricción de la forma
Similar al arrastre de forma en los proyectiles, cuando el casco de la nave se mueve hacia adelante la presión en la parte delantera del casco es mayor a la de la parte trasera, la diferencia genera una fuerza de arrastre en el sentido opuesto al movimiento del bote.

Arrastre de las olas
Es el mismo método usado para el arrastre hidrodinámico, solo que en lugar de usar el área sumergida del bote en la ecuación se usa el área sobre la superficie, la ecuación seria la siguiente:

Cuando el casco de un barco viaja a través del agua, las olas son creadas por la acción del casco empujando el agua lejos de su superficie. Las olas se alejan del cuerpo y se llevan consigo una cantidad de energía que se disipa en el mar, lago o rio. La resistencia de onda experimentada por el barco es una consecuencia de los trabajos realizados por el casco en el mantenimiento de la estructura de la onda.

Pequeños pero con gran movilidad en el agua.
Capacidad de 1 a 3 personas.
Se controlan como motocicletas.
Tienen forma de V y llegan a levantarse de la superficie levemente si van muy rápido.

Son energizadas por unidades de chorro. La bomba de agua de baja presión succiona el agua para luego expulsarla de manera contraria y crear un impulso.
El rodete, un propulsor interno, mueve el agua de arriba y abajo para crear una diferencia entre las partes frontales y posteriores de las aspas.
La eficiencia de la unidad de chorro depende de que tan clara y tranquila sea el agua dentro de la bomba.
Empuje y Resistencia
Empuje:
El motor.

Resistencia:
Elementos aerodinámicos
Elementos hidrodinámicos
Fricción del agua
Resistencia de las olas.


Fisica para navegar
A.- Mástil
B.-Vela Mayor
C.- Foque
D.- Quilla

El viento empuja la vela mientras la quilla resiste el movimiento. Éstas dos causan una fuerza que crea un torque que causa que el bote gire. El velero no cae por un torque de balance contrario, generado por las fuerzas de gravedad y flote. El centro de masa se encuentra en la quilla y la fuerza de flote actúa en éste. La separación entre las fuerzas de flote y gravedad crea el torque de balance contrario.
Un barco al moverse empuja a la ola consigo, por lo tanto esta genera un arrastre al ser empujada a la misma velocidad que el barco, para calcular este “arrastre residual” se utiliza la siguiente formula:
Existen otros factores hidrodinámicos además de los 3 ya mencionados, pero no será necesario mencionarlos ahora.

Arrastre Aerodinamico
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