Dominando los vientos. Física de la navegación a vela.

Desde los inicios de la humanidad la curiosidad innata del ser humano nos ha llevado a cuestionarnos qué habrá más allá de los límites que percibimos. Pocas barreras resultan más impresionantes y nos hacen ser más conscientes de nuestras limitaciones que la inmensidad de los mares y los océanos. Contemplar las grandes masas de agua que se extienden hasta el horizonte ocultando quién sabe qué secretos tras la distancia que se percibe casi infinita fue probablemente, uno de los principales motivos del origen de la navegación.

Los inicios de la navegación resultan complicados de establecer ya que la presencia de embarcaciones propulsadas a remo como pequeñas canoas o balsas se remontan demasiado atrás como para que seamos capaces de esclarecer con exactitud cuándo se produce su aparición. Su construcción era sencilla e intuitiva, bastaba con encontrar materiales que flotaran para la construcción del casco, que los aporta la naturaleza (maderas, pieles de animales llenas de aire, cañas atadas, etc) y algún método rudimentario de propulsión. El reto de la navegación no es tanto encontrar materiales, si no recorrer distancias mayores. La fuerza de propulsión que puede generar un individuo o una pequeña tripulación es casi nimia si se compara con las distancias que suponen el recorrer grandes ríos y lagos navegables, mares y océanos.

La clave estaba en encontrar un aliado, algo que se encargara de cumplir con la función de propulsión necesaria cuando la tripulación estuviera agotada, una fuerza capaz de impulsar una embarcación, a su tripulación y su carga y que de algún modo fuera posible controlar. Este aliado fue el viento y la herramienta para domarlo fue la vela.

barcos egipcios

Representación de barco egipcio. Fuente.

Distintos hallazgos arqueológicos nos llevan a suponer que la aparición de la vela podría datarse en fechas cercanas a los años 3200 al 2700 a.C. Se han encontrado urnas de arcilla en las que aparecen representadas embarcaciones a vela cruzando el río Nilo y se corresponderían con el periodo predinástico o arcaico del antiguo Egipto. No parece descabellado presuponer que el seno de la civilización egipcia fuera uno de los primeros lugares donde se empezara a utilizar la vela, al ser una cultura tan dependiente de uno de los mayores ríos del mundo que servía como vía de comunicación y comercio y que tantas implicaciones políticas, económicas, culturales y religiosas manifestó a lo largo del auge y caída de esta civilización.

Por tanto, llegamos a un punto crítico. Tenemos las embarcaciones, tenemos las tripulaciones, tenemos la vela y es el momento de comenzar a navegar, pero ¿cómo funciona exactamente una vela? La respuesta más obvia sería que es tan sencillo como poner la proa (parte delantera de la embarcación) orienta en la dirección contraria a la dirección del viento, dejando que la corriente de aire entre por la popa (parte trasera de la embarcación) llena la vela de aire y de esta forma se impulse la embarcación a la que esté fijada dicha vela. Para aprovechar el máximo de aire posible, las primera embarcaciones empleaban velas de tipo trapezoidal o cuadradas, también llamadas redondas, con el fin de conseguir captar la mayor cantidad de la corriente de aire posible y obtener la mayor velocidad que nos pueda brindar la fuerza del viento.

trirreme

Reconstrucción moderna de un trirreme griego. Fuente.

El uso de la vela supuso un gran desarrollo de la navegación ya que permitía aprovechar los vientos para avanzar empleando las corrientes de aire y cuando el viento soplase en una dirección que no fuera la deseada era tan simple como arriar la vela y emplear los remos para propulsar la nave a la espera de vientos favorables. Esta revolución permitió el uso de embarcaciones para realizar las primeras incursiones en el comercio marítimo, el trasporte y, como no, la piratería y la guerra naval. Esta primera combinación de remo y vela se mantuvo a lo largo de miles de años y alcanzó su definición básica con la primera embarcación capaz de emplearse para usos civiles, mercantiles y militares, el primer método eficaz para surcar la costa mediterránea: el trirreme.

Las mejoras en el diseño de los cascos de los barcos, mejor aerodinámica, selección de materiales y modificaciones en cuanto al tamaño y forma de las velas fueron realizándose influenciadas por las necesidades de las distintas culturas a lo largo de los siglos. Se tendió a una mayor optimización del diseño que permitía una mayor velocidad y autonomía de las embarcaciones. Precisamente será en el Mediterráneo cuando, en torno a los siglos IX y X, se popularice otro de los inventos que revolucionará la navegación, la vela latina. Su origen resulta un poco impreciso, aunque se cree que se sitúa en torno al siglo III en el Océano Índico siendo su origen más probable árabe o polinesio. La vela latina se caracteriza por tener una forma triangular, siendo por tanto muy similar a las velas que se emplean hoy en día en las embarcaciones de recreo o de competición en regatas. El diseño de esta vela permite controlar el viento de una manera mucho más eficaz, garantizando el poder avanzar en cualquier dirección a excepción de justo la contraria al viento ¿La razón? La misma que permite que los aviones vuelen: el Principio de Bernoulli.

Este Principio establece que la energía de un fluido (gas o líquido) permanece constante a lo largo de su recorrido a través de un conducto cerrado. La energía de un fluido estará determinada por tres componentes: la cinética (energía debido a la velocidad del fluido), potencial o gravitacional (definida por la altura del fluido) y la energía de presión.

Ecuación de Bernouilli:

Las variables P, v y h hacen referencia a la presión, la velocidad y la altura respectivamente, por lo tanto, si observamos la ecuación lo que obtenemos es que si consideramos dos puntos distintos (1 y 2), en los que las variables de presión, velocidad o altura son distintas, el resultado de la ecuación seguirá siendo el mismo, manteniéndose, por tanto, constante.

Esto implica que el aumento o disminución de una de las variables en el punto 1 conllevará una reacción en la del punto 2 para mantener el resultado final constante. Si lo trasladamos a una embarcación, la energía potencial o gravitacional será siempre la misma, ya que no existe una diferencia de altura entre los dos puntos, siendo los componentes que marcarán la diferencia la presión y la velocidad.

 Pero ¿cómo se relaciona todo esto con el funcionamiento de una vela latina? Antes de responderlo debemos conocer algunos términos naúticos: el barlovento y el sotavento.  Se trata dos posiciones relativas con respecto a una embarcación, siendo el barlovento desde donde viene el viento y sotavento la dirección hacia la que se dirige el viento. Bien, ahora imaginemos una vela triangular en una embarcación:

diagrama

Diagrama del efecto del Principio de Bernoulli en las velas. Fuente.

En cuanto se caza (sujeta) la vela, esta capta la corriente o flujo de aire y comienza a curvarse por efecto de esta corriente quedando con aspecto cóncavo en el lado de barlovento y convexo en el lado de sotavento. Esta curvatura provoca un gradiente diferencial de velocidad. Es decir, el flujo de aire va más rápido en la parte convexa o de sotavento y más lento en la parte de barlovento por el efecto de la propia curvatura. Ambos puntos se encuentran a la misma altura, por lo que recordando la ecuación de Bernouilli, tenemos dos puntos con la misma altura y distinta velocidad. Sin embargo, como el valor resultante de la ecuación en ambos puntos debe ser el mismo, sólo nos queda una variable a modificar: la presión.

Ahora aumenta la presión en el lado de barlovento o la parte cóncava de la vela y disminuye en la zona de sotavento o convexa. Esto hace que aumente la curvatura, lo que hace que aumente la diferencia de velocidad y aumenta aún más la presión en el lado de barlovento.

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Diagrama de las fuerzas resultantes en una vela. Fuente.

La presión resultante es la causante del empuje que impulsa la embarcación en la dirección que establezca el timón permitiendo avanzar en el rumbo o dirección deseado, a excepción, como ya hemos mencionado, de la dirección frontalmente opuesta a la dirección del viento. En resumen, una vez orientada la vela y usando el principio físico de Bernouilli tendremos una resultante de tres fuerzas sobre el velamen de la embarcación, una fuerza de propulsión, que permite el avance en la dirección marcada por el timón, una fuerza de escora, que provocará la inclinación de la embarcación en esa dirección y una fuerza de resistencia.

Para minimizar la escora o inclinación de la embarcación juega un papel fundamental la distribución del peso de la embarcación, por eso en las regatas actuales vemos a tripulantes sentados en la borda o directamente suspendidos con arneses por fuera de la embarcación haciendo de contrapeso. En los navíos antiguos ese efecto se conseguía mediante la distribución de la carga de la bodega del barco para tratar de maximizar su estabilidad.

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Representación de la Pinta, Niña y Santa María, barcos del primer viaje de Colón. Fuente.

La agilidad de las velas latinas hace que sea la mejor elección para embarcaciones ligeras y aerodinámicas, pero a la hora de desplazar grandes embarcaciones de gran tonelaje resultan menos adecuadas. Es por esto que la solución del diseño naval fue por optar por una combinación de los dos tipos de aparejo o velamen para maximizar sus ventajas individuales y minimizar las desventajas. Un ejemplo de las distintas combinaciones posibles se encuentra en las embarcaciones que utilizó Colón en su primera expedición a las indias, donde vemos ambos tipos de aparejos representados.

A medida que fueron evolucionando las técnicas de diseño y se fueron incorporando nuevos conceptos sobre aerodinámica, selección de materiales y demás consideraciones, las velas cuadradas fueron reduciendo su tamaño y aumentando su número, a la vez que se añadían más velas latinas. El culmen de la navegación a vela llega en el siglo XIX con embarcaciones como los Clíper o bergantines-goleta como el emblemático buque escuela de la armada española el Juan Sebastián el Cano. La velocidad de estas embarcaciones y su maniobrabilidad eran el culmen de un proceso continuo de evolución y estudio desarrollado durante siglos. Sin embargo, en una cruel broma del destino el sigo XIX también vio el nacimiento de la navegación a vapor y el fin de la vela, la tecnología dejaba obsoleta la lucha de los marineros y navegantes contra el viento, quedando relegada a una referencia romántica y actividad de recreo y competición.

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Fotografía del buque escuela de la armada española Juan Sebastián Elcano. Fuente.

Bibliografía:

AGUDO, A., 1995. Física aplicada a la navegación: mecánica y fluidos; Física aplicada a la navegación : electromagnetismo, termodinámica y movimiento ondulatorio. Editado por la Escuela Superior de la Marina Civil de Bilbao.

GIANCOLI, C, D., 2006. Física. Principios con aplicaciones. Editorial Pearson Education. Madrid.

PEÑALOSA, J., FERNÁNDEZ, S., 1980. Historia de la navegación. Ediciones Urbión. Madrid.

REGUERA, J., 6.1. Principios básicos. Manual práctico de la navegación a vela [En línea]. Consultado en la web: http://www.publiconsulting.com/wordpress/navegarvela/chapter/capitulo-6-navegacion-a-vela/  [23 de octubre 2017].

SLEIGHT, S., 2006. Manual completo de vela. Editorial Blume.

Redactor: Fernando Martín

Licenciado en Ciencias Ambientales por la Universidad Pablo de Olavide. Socio fundador y Presidente de la Asociación Caminos y Ciencia dedicada a la divulgación científica y ambiental. Podéis seguirnos en facebook y twitter @cyc_divulga

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