Hola!! hoy toca hablar un poco sobre física para explicar como funciona una vela de windsurf. Si bien no es necesario ser ingeniero o físico para practicar este deporte, nunca está de más saber el porqué de las cosas para entender su funcionamiento.
Las partes de la vela y su función
Comenzaremos por lo esencial que es definir las diferentes partes que tiene una vela y describir su función.
Gratil
El gratil (conocido como luff por su traducción al inglés) es la zona de la vela por donde llega el viento. Controlando la curvatura del gratil con el puño de amura podremos actuar sobre el perfil de la vela y la apertura de la baluma.
Sables
Estos elementos están diseñados para mantener el perfil adecuado en la vela. Uno de los grandes dilemas de diseño ha sido siempre poder establecer un perfil aerodinámicamente idóneo, pero a su vez flexible para permitir los cambios de rumbo y las maniobras. La inclusión de los sables y los materiales más rígidos han permitido la evolución de las velas de forma sustancial.
Baluma
Es el área que queda sobre la línea imaginaria que une el puño de escota con el puño de driza. Como veremos mas adelante es uno de las zonas más importantes de la vela y su correcto funcionamiento permite que el perfil de la vela se adecue al flujo de viento.
Pujamen
Es el área que queda bajo la línea imaginaria que une el puño de escota con el puño de amura. En las velas orientadas a velocidad, el pujamen se diseña para cerrar el espacio entre la vela y la tabla. Maximizando así la potencia. Las velas de olas o freestyle se diseñan con poca curvatura en el pujamen para maximizar la maniobrabilidad.
Puntos de ajuste
- Puño de Driza – De los tres puntos de ajuste de la vela, este es el que dejaremos fijo a la hora de montar. Si bien existen velas con este punto ajustable (vario-top), su función es permitir el uso de varias longitudes de mástil y no participar activamente en el ajuste de la vela.
- Puño de Amura – Es el punto de ajuste con el cual controlaremos por un lado la curvatura del gratil y por otro la apertura de la baluma. Ambas cosas muy importantes como veremos mas adelante.
- Puño de Escota – Es el punto de ajuste con el cual controlaremos el perfil de la vela y su funcionamiento como «ala de avión».
Concepto de flujo laminar y efecto ala de avión
Sin meternos mucho en el estudio de la dinámica de fluidos, que es una de las ramas más complejas de la mecánica. Si quiero definir los conceptos de flujo laminar y flujo turbulento.
Flujo turbulento
La trayectoria definida por una determinada partícula de fluido (en este caso el aire) se llama línea de flujo. Diremos que el flujo es turbulento cuando é ste es irregular, caótico e impredecible. Las partículas se mueven de forma desordenada y formando pequeños remolinos. Se representa por líneas de flujo desordenadas.
Un ejemplo que espero clarifique el concepto es el funcionamiento de las viejas velas de galeones donde sólo se podía navegar de «empopada». La vela se orientaba perpendicular al viento y el empuje era máximo pero ineficiente. Además, con el gran problema de que no podía orientarse hacia el rumbo deseado sino que sólo navegaban con el viento.
Es bastante fácil visualizar el viento rebotando sobre la superficie de la vela desordenadamente. Escapando por los lados y empujando el barco a trompicones. Ya las velas no funcionan así, siempre y cuando estén bien ajustadas y bien posicionadas respecto al viento.
Flujo laminar
Diremos que el flujo es laminar cuando éste es perfectamente ordenado, estratificado y suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Se representa por líneas de flujo paralelas que se adaptan a la superficie del elemento sólido que se encuentran a su paso, pero sin perder el orden. El mejor ejemplo para representar esto es el ala de un avión.
Perfil aerodinámico
Se llama perfil aerodinámico al diseño de un objeto para aprovechar al máximo las fuerzas generadas por la variación de velocidad y presión cuando este objeto se coloca dentro de un flujo de aire u otro fluido.
La curvatura superior del ala de un avión cumple este principio. Debido a esto, el flujo de aire que entra por la parte superior se acelera y el que entra por debajo se frena.
El Principio de Bernoulli indica que la presión interna del fluido disminuye a medida que la velocidad aumenta. Por tanto, la presión debajo del ala es mayor que la presión sobre el ala. Esto genera una fuerza de empuje hacia arriba de acuerdo a la 3a Ley de Newton. Esto en aeronáutica se llama «Sustentación».
Si en lugar de pensar en el ala de un avión pensamos en una vela de windsurf, vemos que el perfil aerodinámico es similar y su funcionamiento también. La principal diferencia es que el avión utiliza motores para generar el flujo de aire que llega al ala mientras que en el windsurf dependemos del viento, tanto en dirección como en intensidad. En nuestro deporte, el viento pasa a través del perfil aerodinámico de la vela con una velocidad mayor del lado de sotavento que del lado de barlovento. Esto genera una fuerza de empuje que hace avanzar la tabla.
Estarán pensando que la vela no se posiciona como en el esquema, no?. Es verdad, ahora entremos en detalle….
Ángulo de ataque
Llegó el momento de definir el concepto de Ángulo de Ataque, que es muy importante en aeronáutica y también en el windsurf. En el apartado anterior vimos como el Principio de Bernoulli generaba una fuerza ascendente en el ala del avión.
Si ahora giramos un poco dicha ala de la manera indicada en la foto, ayudamos al perfil aerodinámico del ala haciendo que la diferencia de velocidades entre la parte superior y la inferior sea mayor.
Esto es cierto hasta un determinado punto. A medida que el ángulo de ataque aumenta, el flujo va encontrando más dificultades para atravesar el perfil aerodinámico y comienza a pasar de laminar a turbulento.
Cuando esto pasa, la diferencia de presiones a ambos lados del ala disminuye y se corre riesgo de «entrar en pérdida». Esto se debe a que la fuerza de sustentación no es suficiente como para mantener el avión en el aire. De la misma manera (aunque bastante menos peligroso!!!) cuando el ángulo de ataque en nuestra vela de windsurf es muy grande, la fuerza de empuje que se transmite a la tabla disminuye y perdemos velocidad.
Está estudiado que:
Hasta un ángulo de 8º no se genera casi flujo turbulento sobre el lado de sotavento de la vela. El empuje es mayor que si el ángulo de ataque es 0º.
Con un ángulo de unos 12º grados, la transición a flujo turbulento se empieza a generar sobre el lado de sotavento pero lejos del gratil, más hacia el puño de escota. Se genera más empuje aún.
Con un ángulo del entorno de 16º a 18º, la transición a flujo turbulento se acerca al gratil. El empuje es máximo. Pero nos acercamos al llamado ángulo de ataque crítico, a partir del cual el empuje empieza a decaer.
A partir de los 18º o 20º, ya el empuje decae y comenzaremos a sentir con fuerza la componente lateral del empuje, síntoma claro de que se viene una buena catapulta si no soltamos la vela 🙂
Viento aparente
Entonces, si el ángulo entre mi vela y el viento para maximizar el empuje es entre 16º a 18º grados. ¿Por qué quienes hacen slalom o fórmula llevan la vela casi paralela a la tabla?
La respuesta a esto es que el ángulo debe medirse respecto al viento aparente y no respecto al viento real. Esto significa que estando quietos o a bajas velocidades el ángulo de ataque ideal es el mencionado. A medida que vamos ganando velocidad este ángulo varía según la dirección del viento aparente.
Veámoslo graficamente. La misma imagen que usamos para ilustrar el concepto de flujo laminar, la ajustamos ahora que conocemos el ángulo de ataque, para que nos muestre la posición ideal para iniciar el movimiento de la tabla.
Empuje y Escora
Como podemos apreciar, la fuerza generada no es en el sentido de nuestro rumbo sino que forma un ángulo igual al de ataque con respecto a este.
Por tanto descompondremos esta fuerza en dos vectores. Uno en el sentido de avance y que llamaremos «Empuje», y otro en sentido perpendicular que llamaremos «Escora». A efectos de este artículo nos olvidaremos de la escora, ya que es objeto de un análisis específico que haremos en otra ocasión.
Como tenemos nuestra vela perfectamente posicionada, empezamos a avanzar y a coger cada vez más velocidad, entonces nos damos cuenta de que la dirección del viento cambia.
Gráficamente sería como se muestra en la imagen de la izquierda. El vector rojo «viento aparente» es más grande que el vector «viento real». Esto explica por qué los registros de velocidad en windsurf son superiores al viento existente al momento de medir. También la escora crece y debemos posicionarnos correctamente para contrarrestarla (además de usar una aleta adecuada).
La Baluma
Para terminar, veremos un tema muy importante para el correcto funcionamiento de la vela, la baluma.
¿Para qué sirve la baluma? Bien, la baluma tiene dos funciones principales.
- La apertura de la baluma ayuda a gestionar las rachas o los vientos fuertes, haciendo la vela más controlable
- El correcto diseño de la baluma evita que la vela entre en pérdida por la parte superior debido al gradiente de vientos.
Para explicar esto volvemos al esquema de viento aparente de la imagen anterior. Pero ahora agregamos otra variable, el gradiente de viento, que aumenta con la altura. Es decir, el viento que recibe nuestra vela a la altura de la botavara no tiene la misma intensidad que el que recibe el tope de mástil. Por tanto, el viento aparente también cambia, tanto en intensidad como en dirección. Como vemos en la flecha verde de la imagen.
Para compensar este efecto, el ángulo de ataque de nuestra vela en la parte superior debe ser diferente al ángulo de ataque en la parte inferior. Eso se logra abriendo la baluma.
Resumen
- La vela es un perfil aerodinámico diseñado para maximizar el empuje generado al pasar el viento a través de ella.
- El puño de amura ajusta la curvatura del gratil y la apertura de la baluma. Ambos elementos son fundamentales en el diseño y la eficiencia de la vela. Se deben seguir las instrucciones del fabricante ya que cada parte está relacionada con la otra. Por ejemplo, las velas con un perfil más plano (freestyle por ejemplo), tienen una apertura de baluma mayor que las de perfil más curvado (slalom por ejemplo).
- El puño de escota ajusta el perfil de la vela, para vientos fuertes en general se necesita un perfil más plano y para vientos suaves se necesita más «bolsa».
- La baluma debe abrir según diseño. Por mas que se pueda jugar un poco con la tensión de amura, en general las velas modernas están diseñadas para un determinado punto de tensión.
Muy bien, ahora ya podéis participar en las charlas de sabihondos sobre como trimar las velas y por qué esto o por qué aquello. Mencionen al amigo Bernoulli (Holandés – 1700/1782) o al amigo Newton (Inglés – 1642/1727). Incluso a los hermanos Wright si quieren y seguro que pillan a más de uno. 🙂
Espero que os haya gustado, hasta la próxima y buenos vientos!!
