¿Cómo funciona una vela en ceñida?

Este comentario va dirigido principalmente a todos los aficionados a la vela a los que se les ha explicado erróneamente cómo funciona una vela y a los que se atreven a trabajar como profesores de aerodinámica en los cursos de Técnico de Vela cursos y que están explicando de forma totalmente errónea este punto.

La errónea interpretación que se explica en muchos libros de vela no soporta las mínimas leyes fundamentales de la física, hace trampas y llega a una conclusión totalmente al revés sobre qué fuerza es la que empuja realmente a una vela, dando pie a considerar que, prácticamente, una vela ‘se mueve por arte de magia’.

Hay distintas teorías falsas sobre cómo funciona una vela contra el viento.

Jordi Lamarca explica en este artículo suyo por qué funciona realmente una vela en ceñida.

TEORÍA ERRÓNEA MÁS EXTENDIDA

Es la que sostiene que por la ley de continuidad de los fluidos, las partículas de aire que entran en la vela y pasan por barlovento y sotavento de la misma deben llegar a la baluma, al final de la vela, al mismo tiempo. Ese primer punto es totalmente falso, ya que las partículas de sotavento llegan antes a la baluma que las partículas de barlovento.

En segundo lugar, que las partículas de aire que pasan por sotavento hacen un camino más largo que las que pasan por barlovento, por tanto las de sotavento deben acelerarse para llegar a la baluma al mismo tiempo que las de barlovento y así cumplir con la ley de continuidad de los fluidos.

En tercer lugar, que por el principio de Bernoulli, las partículas que pasan por sotavento crean una menor presión en la cara de sotavento de la vela debido a su mayor velocidad (esto es totalmente falso ya que lo que ocurre es lo contrario) mientras que en la cara de barlovento se produce una mayor presión debido a la menor velocidad de las moléculas de aire (Falso, nuevamente es al revés), esa diferencia de presiones provoca la sustentación, una fuerza que empuja al velero por arte de magia, pues según esa teoría no existe ninguna fuerza, ningún momento.

En resumen: La mayoría de libros y manuales dicen que una vela produce sustentación (el empuje velico ) porque el aire que se desplaza sobre el lado convexo de la vela (sotavento) hace un trayecto más largo que el aire que fluye por la parte cóncava (barlovento) y por lo tanto tiene que viajar más rápido para que ambos lleguen a la baluma al mismo tiempo por la ley de continuidad de un fluido y entonces, según el principio de Bernoulli, a más velocidad menos presión y a menos velocidad más presión, y que esta diferencia de presión genera el empuje velico (la sustentación).

ERROR FUNDAMENTAL

Esta idea es el error fundamental de la aerodinámica y que desgraciadamente está muy extendido y con dos narices se inventan una fuerza milagrosa que empuja el velero.

Usando humo en un túnel de viento, grabando con cámaras de alta velocidad, hace ya muchos años que se ha demostrado que esta explicación es errónea, se ve que el aire que pasa por sotavento llega antes a la baluma que el que pasa por barlovento.

Veamos la diferencia de velocidad entre barlovento y sotavento:

Lo que desmonta totalmente la errónea teoría citada de que la sustentación se produce por la continuidad de un fluido y el principio de Bernoulli que nunca explica la causa de que el aire se acelere ni porqué cambia la presión, sólo hace una asociación entre el cambio de presión y el cambio de velocidad del viento diciendo:

• A más presión, menos velocidad y viceversa,
• A más velocidad, menos presión y viceversa

El principio de Bernoulli es cierto, pero el total de la teoría es falso y tampoco aguanta los mínimos principios de la física, tiene que existir una fuerza y un momento para mover el velero.

Una segunda teoría errónea decía que la sustentación de la vela es el simple resultado de la simple acción y reacción entre las moléculas de aire que golpean la parte de barlovento de la vela y la impulsan al rebotar en ella. Como si la cara de sotavento no actuase para nada en producir sustentación.

Leí alguna otra teoría falsa pero no recuerdo cómo era.

LA ENERGÍA

De forma simple podemos decir que la energía es la capacidad de hacer un trabajo, añadiendo que en algunas circunstancias no toda la energía está disponible para realizar trabajo.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA

La energía mecánica es la suma de las energías cinética y potencial. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo:

Em = Ec + Ep

Para sistemas abiertos formados por partículas que interactúan mediante fuerzas puramente mecánicas la energía se mantiene constante con el tiempo, “la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”:

Em = Ec + Ep = K

La energía cinética es igual a 1/2 de la masa por la velocidad al cuadrado y es la energía del movimiento que puede ser transformada por la cantidad de trabajo realizado por una fuerza externa

Ec = ?/? mv2

La energía potencial es igual a la masa por la gravedad por la altura y por tanto no es de nuestro interés al depender de la altura que se nos mantiene constante en una vela.

Ep = mgh

Recordemos que la ley de conservación de la energía nos dice que la energía total es constante en un sistema cerrado pero que puede cambiar a otra forma de energía o puede transferirse de un sistema a otro.

¿De dónde sale la energía para realizar un trabajo en la falsa explicación de cómo funciona una vela que estamos denunciando? Debe ser por ‘magia’, no hay otra explicación. Pero yo no creo en la magia.

PROPIEDADES DEL AIRE

El aire es un fluido y por ello es una sustancia que se deforma continuamente al ser sometida a un esfuerzo cortante (esfuerzo tangencial) por pequeño que este sea.

Las propiedades del aire, densidad, temperatura, velocidad, etc., las consideramos como funciones continuas en la posición y en el tiempo, o sea que suponemos que tienen un valor definido en cada punto del espacio.

ESFUERZO CORTANTE O FUERZA DE CIZALLAMIENTO

Puesto que un fluido real se opone al esfuerzo cortante, siempre que haya una variación de dicho esfuerzo con el tiempo, tiene que existir una fuerza de cizalla. En el flujo unidimensional, la fuerza de cizalla actúa paralelamente al plano del esfuerzo cortante.

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO

El flujo es laminar si el movimiento del aire es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Las capas adyacentes del fluido se deslizan suavemente entre sí. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinámico. Ocurre a velocidades relativamente bajas o viscosidades altas.

El flujo es turbulento cuando se hace más irregular, caótico e impredecible, las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos.

LA CAPA LÍMITE

Hay una regla muy simple en aerodinámica que dice que la velocidad del fluido justo al lado del ala (o cualquier otra superficie como la vela) es cero. Esto se conoce como la condición de límite sin deslizamiento. Junto a la superficie hay una capa delgada, llamada capa límite, en la que la velocidad aumenta de cero a su valor máximo, o sea la velocidad del viento aparente.

Cuando el flujo de aire entra en contacto con un objeto sólido, como es la vela, se separa para rodearlo por ambos lados y en cada lado se forman dos regiones:

La región más próxima a la superficie de la vela es una capa delgada (llamada capa límite) afectada por la fricción y la viscosidad, donde podemos calcular exactamente lo que hará el flujo por lo que se simplifica mucho el cálculo matemático, aunque este cálculo no nos interesa para nada en veleros mono tipo con velas iguales.

La otra región la forma todo el resto del flujo que no queda afectado por la fricción y donde se pueden despreciar los efectos de la viscosidad, pero que tiene una enorme complejidad matemática y donde resulta muy difícil calcular lo que hará el flujo.

Aquí supondremos que estamos usando una vela con su adecuada forma aerodinámica y correctamente cazada y, por tanto, que trabaja en flujo laminar, es decir, sin desprendimiento de la capa límite y sin entrar en lo que ocurre dentro de dicha capa límite ya que ocurre lo mismo en todos los veleros mono tipo.

En los bordes de la vela se forman remolinos o vórtices y derrames turbulentos, delante depende de la forma del mástil (por ejemplo, en un Láser que tiene el palo redondo, debemos colocar los catavientos de la vela a 39 cm. del grátil, donde el viento ya pasa en derrame laminar sin desprendimiento de la capa límite, después de las turbulencias generadas por el mástil que tiene una forma poco aerodinámica al ser redondo que no permite que el flujo de aire siga esa forma). En todos los otros bordes de la vela, tanto en el puño de pena como en el pujamen y la baluma, también se generan remolinos provocados por la diferencia de presión entre las caras de barlovento y sotavento de la vela, pero todo ello tampoco nos interesa mucho, ya que en veleros monotipo, con el mismo mástil y la misma vela, es lo mismo para todos ellos, en los barcos con mayor y foque, si ello es posible, se hacen los foques de forma que el pujamen llegue a la cubierta para eliminar la energía que se pierde por el pujamen al generar remolinos. Cualquier remolino que genera la vela es energía que se pierde, pero en los veleros monotipo todos pierden lo mismo y el tema deja de interesarnos.

LA SUSTENTACIÓN O EMPUJE VÉLICO

La sustentación se produce cuando un flujo de aire en movimiento desvía su dirección por contacto con un objeto sólido.

El flujo se desvía en una dirección, y la sustentación se genera en la dirección opuesta, de acuerdo con la tercera ley de Newton.

Principio de Acción y Reacción (3ª ley de Newton): Cuando dos partículas interaccionan, la fuerza que hace la partícula 1 sobre la 2 (La vela sobre el viento) es igual en módulo y dirección pero de sentido contrario a la que hace la 2 sobre la 1 (El viento sobre la vela).

Dado que el aire es un gas y las moléculas son libres de moverse, cualquier superficie sólida puede desviar un flujo.

En un barco de vela, tanto la cara de sotavento como la de barlovento contribuyen al desvío del flujo de aire.

Como todos los puntos de la vela van desviando paulatinamente el flujo de aire, en cada punto de la vela se genera las dos fuerzas, la acción de la vela desviando el flujo de aire y la fuerza de reacción igual y de sentido contrario del aire sobre la vela, la gracia de la forma aerodinámica de la vela está en que la suma de las fuerzas de reacción dan una resultante perpendicular al flujo del aire, que podemos aprovecharla para poder navegar contra el viento en un ángulo de unos 22º con el viento aparente que es el que recibe la superficie de la vela (dicho ángulo es mayor con poco viento).

La sustentación actúa perpendicular al flujo de aire pero se combina con la fuerza de arrastre que actúa en dirección opuesta al movimiento, con lo que la fuerza que empuja el velero es la suma de ambas, la resultante hace un ángulo mayor que la fuerza generada por la sustentación, cuanto menos arrastre tengamos mucho mejor, pero al hablar de veleros mono tipo el arrastre será igual en dos velas iguales adecuadamente cazadas.

La transmisión, o la aplicación, de las fuerzas mecánicas entre un cuerpo sólido y un fluido se producen en cada punto de la superficie del cuerpo y la transmisión ocurre a través de la presión del fluido en cada punto de la superficie del cuerpo sólido y esa diferente presión genera los cambios en la velocidad del flujo en sotavento y barlovento y no al revés como dice la falsa teoría explicada.

Un velero se mueve de forma que continuamente recibe nuevas partículas de aire, y parte de la energía cinética del viento se transfiere a la vela al ser desviado mientras pasa por ella.

La vela ejerce una fuerza sobre el viento para desviarlo y este ejerce una fuerza en la vela igual y de sentido contrario.

QUÉ PROVOCA REALMENTE LA SUSTENTACIÓN

Lo que realmente provoca la sustentación es la fuerza de reacción, según la tercera ley de Newton, al colocar una forma aerodinámica en un cierto ángulo con la corriente de aire que desvíe su dirección y por tanto su energía cinética y provocando una fuerza de reacción igual y de sentido contrario, esta fuerza de reacción es la que crea, por un lado una menor presión en el lado de sotavento y esa es la que provoca una mayor velocidad del aire en esa cara y, por otro lado, una mayor presión en el lado de barlovento y esa mayor presión es la que provoca una menor velocidad del aire en esa cara, totalmente al revés de la teoría errónea inicialmente comentada que se está explicando a los futuros profesionales de la vela.

La curvatura de la vela es fundamental en su rendimiento al crearse un empuje aerodinámico perpendicular a cada punto de la vela.

EFECTO DEL ÁNGULO DE ATAQUE

El ángulo de ataque es el que hace que se desvíe el viento lo que provoca una fuerza de reacción que disminuye la presión en sotavento, eso acelera el flujo de aire que pasa por esa cara de la vela o por la parte superior de un ala, esto explica cómo un ala plana, sin forma alguna, como la de los hermanos Wright, en el que se considera primer vuelo de la historia, fue capaz de volar solo por el efecto del ángulo de incidencia de las alas con el flujo de aire, aunque esa forma plana era mucho menos eficiente para crear la sustentación que una forma aerodinámica como la de una vela o las alas actuales, al revés de las teorías que explican que por Bernoulli la menor presión genera mayor velocidad del flujo de aire en sotavento y menor velocidad en barlovento, cuando es exactamente al revés, la menor presión generada por la fuerza de reacción del viento desviado sobre la vela es la que provoca una mayor velocidad del aire en sotavento y la mayor presión generada en barlovento por el mismo motivo es lo que provoca una menor velocidad del aire en barlovento.

Faltaría explicar la otra circulación que genera la sustentación alrededor de toda la vela provocada por el remolino que se genera cerca a la salida de la baluma por la diferente presión en cada cara y que aumenta la velocidad en sotavento y la disminuye en barlovento generando más diferencia de presión entre barlovento y sotavento y en consecuencia más empuje velico, el efecto Koanda, la condición Kutta, etcétera, pero este escrito solo pretende explicar que existe una fuerza que empuja la vela que es la fuerza de reacción que se genera en la vela por efecto de que esta desvía el flujo de aire.

Creo que puedo asegurar que una mayor velocidad del flujo jamás produce una menor presión, y si lo contrario, una menor presión si genera una mayor velocidad del flujo.

Encarecidamente les recomiendo el libro “The Symmetry of Sailing” de Ross Garret que me hizo entender cómo funciona una vela contra el viento, con una fuerza y no por arte de magia.

Un saludo a todos.