Hace unos meses, Cantabria económica publicó un artículo discutiendo si Santander sería una buena sede para la celebración de la Copa América. Aún dejando caer en el artículo que la falta de infraestructura dificultaría una hipotética candidatura, no cabía de la emoción de ver en vivo los veleros de la Copa América por la bahía de Santander.

Pero Juan ¿Qué tienen de especial estos veleros? Pues que los AC75 o los F50 son verdaderas obras de ingeniería. Como aficionado a la navegación a vela, intentaré explicar en esta entrada cómo hemos pasado de solo poder navegar a favor del viento a recibir multas de tráfico al pillarnos los radares 😉.

¿Nuestro motor? El viento

Rumbos

Uno de los conocimientos vitales en navegación a vela es comprender como afecta el viento a nuestra embarcación. Empecemos con un poco de nomenclatura básica sobre los rumbos:

• Empopado: Es el rumbo que todos nos imaginamos cuando pensamos en un velero. El viento nos llega desde la popa del barco y navegamos a favor del viento.
• De través: Es el rumbo que tiene un barco cuando el viento le llega por su través, es decir, perpendicular a la dirección hacia dónde se dirige.
• Largo: El rumbo intermedio entre una empopada y de través, es decir, recibimos el viento por la aleta del barco.
• Ceñida: Es el rumbo más antiintuitivo. El barco avanza contra el viento recibiéndolo por su amura, es decir, lo recibimos entre el través y la proa.
• Aproado: En este rumbo no se puede avanzar. El viento nos llega desde la proa, es decir, la parte delantera del barco y llevamos rumbo a barlovento.

Si os tenéis que quedar con algo de este artículo es que cuando Jack Sparrow dice “poned rumbo a barlovento”, por muy épico que quede, le está diciendo a su tripulación que pare el barco ya que van a aproar el barco y no van a recibir nada de viento.

Pero ¿cómo se comporta el barco en cada uno de los rumbos? El vector fuerza, el cuál es el que define cómo se moverá el barco, se puede dividir en 3 componentes que facilitarán nuestro análisis. Tomándome cierta licencia de nomenclatura, las llamaremos componente de proa, componente de popa y componente de través:

Como se puede observar, para producir el avance del barco necesitamos reducir al máximo las componentes de popa y través en los diferentes rumbos de tal manera que la componente de proa haga el barco avanzar. En rumbos cómo el de empopada no es especialmente problemático pero en el través y, especialmente en las ceñidas, estas componentes nos generan problemas ya que nos desvían demasiado el barco de la dirección deseada.

La componente de popa es sencilla de explicar cómo se palia. Sencillamente, los barcos son anchos en la popa y se estrechan hacia la proa. Es decir, la popa es mucho menos hidrodinámica que la proa, generando mucha resistencia al retroceso y cancelando, en gran medida, la componente de popa que empujaría el barco hacia atrás. Sin embargo, la componente de través se merece su propia sección:

La orza y el escoramiento

¿Cómo evitamos que la componente de través nos lleve el barco lejos de nuestro destino(abatimiento)? La respuesta es la orza. Esta parte del barco es una prolongación submarina del barco que genera resistencia al movimiento lateral del barco. Sin embargo y como contrapartida, el barco se escora y, si no se controla, puede volcar.

¿Pero, si la orza es tan pequeña comparada con la vela, cómo es posible que oponga tanta resistencia al abatimiento? La respuesta es la diferencia de densidad entre los 2 fluidos: el aire/viento que afecta sobre la vela y el agua que ejerce la resistencia sobre la orza. El peso de agua desplazada, aún teniendo poco volumen, sirve de contrapeso a la fuerza ejercida por el viento sobre la vela equilibrando la embarcación.

El problema del viento aparente

Habiendo paliado las dos componentes del viento de popa y través, ahora podemos concluir el rumbo más rápido de la embarcación. Como es obvio, el rumbo más rápido es aquel que maximiza la componente de proa. Por tanto, podemos concluir que es cuando el barco está en empopada ¿no?

No del todo, si observamos una regata de SailGP podemos ver que el rumbo que toman al quedar la siguiente boya a sotavento es un largo y no una empopada:

¿Por qué ocurre esto? Pues, cómo diría nuestro amigo Albert Einstein, todo es relativo. Hasta ahora en nuestra explicación hemos hablado de la velocidad del viento absoluta, es decir, asumiendo que el barco está inmovilizado. Sin embargo, la fuerza que ejerce el viento sobre la embarcación depende de la velocidad del viento relativa a la velocidad de la embarcación llamado viento aparente.

¿Esto qué significa? Que un barco que avanza a favor del viento va perdiendo viento aparente ya que este cada vez es menor al restar la velocidad del viento a la velocidad del barco. Y al revés, un barco que navega en contra del viento tiene un viento aparente cada vez más fuerte conforme su velocidad aumenta.

Teniendo esto en cuenta, nos damos cuenta que dependiendo de la velocidad del viento absoluto y la velocidad de la embarcación nos interesa tomar un rumbo u otro para llegar a nuestro destino. Por ejemplo, si queremos llegar a un punto que nos queda en sotavento desde una posición en reposo, el rumbo óptimo teórico sería ganar velocidad con una empopada y, conforme fueramos perdiendo viento aparente al ganar velocidad, orzar hacia un largo para seguir teniendo aparente y mantener una velocidad máxima mayor.

Para representar estas velocidades máximas en función del viento, se utilizan los llamados diagramas polares, los cuáles son intrínsecos a cada modelo de barco. Usaremos como ejemplo medidas tomadas de un Volvo Open 70:

(Créditos a orc.org por la recopilación de los datos)

Como se puede ver, para llegar cuanto antes a un punto en sotavento, el rumbo más rápido no es una empopada(de hecho, en los datos ni se incluye este rumbo pues es inestable) por la pérdida de viento aparente sino un largo.

Ahora, veamos el record de velocidad obtenido en la competición de SailGP:

De manera bastante contraintuitiva ¡la velocidad más rápida se consigue con un viento de través y coincide con los datos del diagrama! Siendo más precisos, la velocidad punta se consigue tras dejarse caer unos grados a favor del viento tras haber logrado acelerar estando de través.

Aunque parezca extraño, tras haber explicado como funciona el viento aparente y las componentes de la fuerza ¡Tiene todo el sentido! Al ir totalmente perpendiculares al viento, no perdemos viento al avanzar y por tanto la fuerza del viento se mantiene, idealmente, constante pudiendo conseguir, en nuestro simplificado modelo sin rozamiento dónde las vacas son esféricas y PI=3, la velocidad que queramos.

¿El reto? El mar

Ya hemos visto cómo exprimir al máximo la energía del viento jugando con los rumbos y el viento aparente para generar la mayor fuerza posible. Sin embargo, lamentablemente en el mundo real el rozamiento existe y existe un gran muro físico que nos frena: el mar.

Resistencia al avance

El agua es aproximadamente 800 veces más densa que el aire. Por mucha fuerza que logremos capturar en nuestras velas, empujar el casco de un barco a través de un fluido tan pesado genera un rozamiento colosal.

Históricamente, la velocidad de un velero tradicional estaba condicionada por su «velocidad de casco», un límite hidrodinámico en el que el barco queda atrapado por el propio tren de olas que genera al desplazarse.

A medida que el barco acelera, la ola generada por su proa se hace cada vez más larga. Cuando se alcanza la velocidad de casco, la longitud de dicha ola se iguala a la eslora de la embarcación, dejando la proa montada sobre la cresta y la popa cayendo en el valle. Físicamente, este desnivel provoca un desplazamiento hacia popa del volumen sumergido y, con ello, el retraso del «centro de carena» (el centro de empuje hidrostático). Al desplazarse el punto de carena, la popa se hunde drásticamente, obligando al velero a navegar perpetuamente “cuesta arriba” contra su propia ola y multiplicando de forma exponencial la resistencia al avance.

Aunque los barcos más ligeros consiguen mitigar este efecto mediante el planeo (deslizándose por encima de la superficie del agua en lugar de apartarla), la gran superficie en contacto con el mar sigue frenando enormemente la embarcación.

Entonces, si el roce con el agua es el problema… ¿por qué no evitar el agua?

Hydrofoil

Aquí es donde la espectacular ingeniería moderna entra en juego con los hydrofoils. Si observas con atención los catamaranes F50 de SailGP o los monocascos AC75 de la Copa América, verás unos grandes apéndices de carbono sumergidos en forma de ‘L’, ‘T’ o ‘Y’.

Su principio de funcionamiento es exactamente el mismo que el de las alas de un avión, pero aplicados a un fluido mucho más denso. Conforme el barco acelera empujado por el viento, el flujo del agua atraviesa los perfiles asimétricos de los foils generando una gran fuerza de sustentación hacia arriba.

Al alcanzar cierta velocidad crítica, esta sustentación se vuelve mayor que el propio peso de la embarcación, levantando el casco por completo y sacándolo fuera del agua. De un momento a otro, la resistencia hidrodinámica se desploma drásticamente, ya que la única superficie en contacto con el mar pasa a ser la parte inferior de los propios foils y las palas del timón.

Gracias a esta reducción masiva del rozamiento, combinada con el efecto multiplicador del viento aparente que vimos antes, el barco queda “liberado”. El velero sigue acelerando hasta multiplicar por tres o por cuatro la velocidad del viento real, catapultando a la tripulación hasta alcanzar la alucinante cifra de 100 km/h (casi 55 nudos) sobre la superficie del océano. ¡Pura física trabajando en perfecta armonía!