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La Mar Océana: La estabilidad y la Altura Metacéntrica

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En el post dedicado al SMS Nassau, en la sección “De Quilla a Perilla”, se habló de los problemas de estabilidad en mar gruesa de los buques de aquella clase, problemas que se corrigieron añadiendo una quilla de balance. El motivo era la altura metacéntrica y la importancia que, según se desprende, tiene dicho concepto en la estabilidad de un buque. Allí escribí literalmente que “No he logrado entenderlo bien, pero en la estabilidad de un barco intervienen básicamente dos fuerzas: el centro de gravedad y la altura metacéntrica. Lo único que he sacado en conclusión (y no estoy muy seguro) es que, cuanto mayor es la distancia entre estos dos puntos, mayor es el riesgo de escora excesiva y, en consecuencia, de zozobrar”. Pues bien, no es como pensaba. Más bien depende de cada clase de barco y aunque pareciera complicado de explicar, es una cuestión de la física que estudiábamos, o algunos aún estudiáis, que encierra un principio simple y muy antiguo que enunció un sapientísimo griego, más de dos milenios antes de que naciéramos.

 

Para explicar mejor el tema hay que indicar que la altura metacéntrica es una de las muchas variables que se toman en consideración para calcular la estabilidad y flotabilidad de un barco en condiciones extremas, como inundaciones, fuerte oleaje o fuertes vientos, que pueden llegar a hacer que la escora que alcance un navío sobrepase el punto de no retorno y, en consecuencia, provoque el vuelco y hundimiento del mismo.

 

Con carácter previo, hay que tener en cuenta cuatro conceptos básicos que manejar para entender por qué un barco flota:

 

A) El concepto estanqueidad: Esta propiedad es aquella que no permite que el agua se introduzca en el interior de un buque cuando embarcan golpes de mar; los buques poseen un armazón que impide la entrada del agua y, además, compuertas estancas que sellan las aberturas que dan a la intemperie y que los hacen impermeables, como escotillas, ojos de buey y similares. Además, hace referencia a la compartimentación interior mediante la división en compartimentos estancos que facilita la flotabilidad.

 

B) Concepto solidez: Esta propiedad le permite al buque resistir los esfuerzos provocados por los movimientos en el agua y soportar los pesos que se le carguen. Está en función del material empleado y las formas de acoplarlos. Obviamente, no es lo mismo una balsa de madera primitiva, hecha de troncos de árbol atados con cuerdas, que el casco de cualquier embarcación moderna.

 

C) El concepto flotabilidad: Esta propiedad permite al buque flotar sobre el agua aun cuando haya sufrido una avería y entrado agua en determinados espacios interiores, gracias a su reserva de flotabilidad. Cuando un buque es sumergido por las olas en una tempestad éste puede emerger y continuar su navegación. La reserva de flotabilidad es la cantidad de aire que hay en su interior y, muchas veces, es importante para que un buque que está hundiéndose, lo haga lentamente permitiendo a la tripulación abandonar el barco.

 

D) El concepto estabilidad (al que pertenece la altura metacéntrica), a los efectos de la construcción de barcos, puede tener tres significados. Se dice que un buque es estable cuando no se balancea bruscamente. También se dice que un barco es estable cuando se necesita una gran fuerza que actúe sobre el casco para hacerlo inclinar ligeramente. El tercer significado, y el más correcto, dice que un barco es estable si puede inclinarse con un ángulo grande sin volcar recuperando su posición vertical y, aunque éste es un significado correcto de la palabra, no es lo mismo que el segundo caso. Una nave puede requerir una gran fuerza para inclinarse en un ángulo pequeño (pongamos 10º) y, sin embargo, volcar en un ángulo un poco mayor (por ejemplo, 15º), en tanto que un barco puede inclinarse en ángulos pronunciados (por poner un ejemplo, 40º) con un fuerza mínima sin volcar, recuperando la verticalidad o adrizamiento, y es este último concepto el que debemos tener en cuenta al hablar de la estabilidad de un buque.

 

Hay otros principios relativos a la teoría de construcción de buques, como autonomía, maniobrabilidad o velocidad, pero que no son importantes en la materia de la que voy a hablar.

 

Para poder entender todo lo anterior, hay que imaginar que las fuerzas que afectan a la estabilidad del barco actúan en tres ejes, al igual que la representación de un punto en un espacio tridimensional. Los famosos ejes X, Y Z que estudiábamos en geometría “in illo tempore” o lo que es lo mismo, en aquel tiempo pasado en el que yo era hasta joven,

 

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El plano horizontal que coincide con la línea de flotación de un buque cuando el barco está adrizado o vertical. Dentro de este concepto hay que distinguir entre plano de flotación y línea de flotación: Se llama plano de flotación aquel plano que coincide con la superficie del agua. Recibe el nombre de línea de flotación la intersección del plano de flotación con el casco, es decir, que línea de flotación es del casco para dentro.

 

El plano vertical longitudinal que discurre a lo largo del barco y que, cuando el barco está vertical, coincide con la línea de crujía que, como sabemos, es la línea imaginaria que va de proa a popa (o de popa a proa, que lo mismo da que da lo mismo) dividiendo simétricamente el barco.

 

El plano vertical transversal que discurre a lo ancho del buque (en la manga) a la altura de la cuaderna maestra (como regla general) llamada también línea de través o simplemente el través del buque.

En torno a estos tres ejes discurre la acción de las diversas fuerzas que afectan a los movimientos del buque.

 

Un barco puede balancearse de proa a popa, lo que Luis de la Sierra llamaba cabecear. Aquí pongo un gif animado de mi Fuso en puerto. Si observáis, aún en aguas tranquilas, las fuerzas de las corrientes, aunque mínimas, hacen que la proa suba y baje ligeramente. Fijaos en la línea roja del casco que sube y baja.

 

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Si esto es así, hay que imaginarse el balanceo longitudinal con fuerte oleaje de proa. Todos hemos visto imágenes de barcos aproando grandes olas, levantándose mucho y cayendo después y recuperando el equilibrio. Un efecto del metacentro.

 

Igualmente, estos balanceos se producen en sentido transversal de babor a estribor y viceversa tanto en aguas tranquilas como con fuerte oleaje. También hemos visto imágenes de barcos golpeados de costado por enormes olas, que parece que van a volcar y, sin embargo, se enderezan recuperando la verticalidad. Efecto del metacentro.

 

Para entender esto, y espero explicarlo de una manera inteligible, hay que partir del imprescindible Principio de Arquímedes (ese griego sapientísimo) que nos hacían estudiar en el colegio. Como recordaréis, el principio establece el siguiente enunciado: “Un cuerpo sumergido en un fluido, líquido o gas (en este caso agua) experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen que desaloja”.  Hay que aclarar que el empuje de abajo hacia arriba no siempre es suficiente para mantener al cuerpo sumergido flotando, pues si éste es más denso que el fluido en el que está inmerso dicho cuerpo, no se desplazará hacia arriba, sino que se hundirá a pesar del empuje descrito por Arquímedes. Subirá (flotará) únicamente si su densidad es menor que la del fluido. Por eso una piedra se hunde en el agua (salvo que sea piedra pómez volcánica), porque es más densa, mientras que la madera o los cascos de los barcos (que tienen aire en su interior) flotan.

 

El principio de Arquímedes tiene mucho que ver con el concepto de desplazamiento que se emplea en los buques de guerra. Pues bien, desplazamiento no es otra cosa que el volumen y peso del agua que desaloja una embarcación, igual al espacio que ocupa en el agua su casco hasta la línea de flotación. Cuando se sumerge un objeto, en este caso un barco, en un fluido, en este caso agua, el volumen y peso del barco desplaza un volumen y peso equivalente de agua.

 

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En este gráfico se ve, en la primera imagen a la izquierda, un tanque de agua con un conducto que evacúa en un tanque contiguo. El recipiente contiguo está vacío. Ahora bien, ¿qué ocurre si en el recipiente lleno de agua introducimos un objeto, en este caso el casco de un buque?  Lo que ocurre es que A (el espacio ocupado por el casco sumergido de un navío) ocupa una parte del recipiente que antes estaba ocupada por el agua. La parte de agua desplazada por el casco sumergido sale por el tubo que conecta el tanque lleno y el recipiente contiguo.  El resultado es que el volumen de casco (A) es igual a B (el agua que está en la cuba del lado derecho) que es el volumen de agua DESPLAZADA por el casco de la embarcación. Espero que haya quedado claro.

 

Como decíamos arriba, (antes de que me diera la vena pedante y tratara de explicar lo del desplazamiento) en el principio de Arquímedes intervienen dos fuerzas en equilibrio y oposición: el peso y la flotabilidad.

El peso del barco crea una fuerza que lo empuja hacia abajo verticalmente. Por su parte, el agua desplazada tiende a intentar reocupar el lugar del que ha sido desplazada, generando una fuerza hacia arriba que compensa la ejercida en sentido contrario por el peso del buque. Estas dos fuerzas son:

 

1º.- El peso o desplazamiento del barco que es constante, y equivale a la cantidad de agua que es desplazada, empujándolo verticalmente hacia abajo a través del centro de gravedad (G) que, salvo excepciones, es un punto fijo.

2º.- La flotabilidad, en la que el agua ejerce otra fuerza en sentido contrario, hacia arriba para compensar el fluido desplazado, mediante el centro de flotabilidad o carena (B), que es el centro del volumen submarino desplazado por el casco de la nave. El centro de flotabilidad puede moverse, al contrario que el de gravedad, dado que este volumen de agua cambia a medida que la nave se inclina puesto que la forma del casco sumergido, cambia también.

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D: Fuerza de empuje hacia abajo del desplazamiento del buque.

G: Centro de Gravedad

E: Fuerza de empuje hacia arriba de la flotabilidad

C o B (en inglés) Centro de carena o flotabilidad (Bouyancy en inglés)

 

 

Con la nave en posición vertical, estas dos fuerzas serán iguales y opuestas, y trabajarán en la misma línea (como el gráfico de abajo lo saqué de un libro en inglés, pues viene la letra W), equilibrando completamente el barco, permaneciendo ambas en el eje de enderezamiento, adrizamiento o carena que coincide con el eje de crujía. Como se observa en el gráfico inferior, los punto G y B se sitúan en el eje vertical de la línea de crujía (W), lo que tendrá su importancia cuando se hable del metacentro y de la altura metacéntrica.

 

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Ejemplo de equilibrio de fuerzas en un barco en aguas tranquilas.

En este caso, se dice que un buque está adrizado, cuando no hay escora. Hay que retener este concepto. Ver gráfico inferior donde se ve la diferencia entre un buque adrizado y uno ligeramente escorado.

 

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Antes de seguir avanzando hay que retener una serie de conceptos que no son especialmente complejos, pero que es necesario tener claros para entender el funcionamiento del metacentro, la altura metacéntrica, y el baile que hacen la G (centro de gravedad), la C (centro de carena, que en inglés sería b) y la M (punto Misterioso o metacentro) y la línea GM (que es la altura metacéntrica o AM. Digo GM, adelantado el concepto de altura metacéntrica, porque ésta es la distancia entre el centro de gravedad, G, y el metacentro, M)

 

 

El centro de gravedad NO es un punto real, sino la suma de los pesos que componen el barco, considerados como un único elemento.  Es sólo una conveniencia matemática, útil para operar con ella y se calcula con una serie de ecuaciones matemáticas que no reproduzco por no liar más la madeja. En un buque hay componentes con pesos diferentes, como por ejemplo, el casco mismo, las máquinas, el combustible, las santabárbaras, las barbetas, los cañones, las torres, la panza del capitán, etc. Cada uno de los mismos tienen su peso específico. Pero en centro de gravedad común entre estos elementos, se calcula mediante fórmulas algebraicas, haciendo una especie de promedio de los puntos específicos de gravedad de cada uno de ellos. Para efectos de la estabilidad la nave se comportará igual si consideramos la infinidad de pesos componentes que si consideramos que hay sólo una fuerza igual a la resultante de todos esos pesos, actuando en el punto “G” (centro de gravedad) que viene a ser un punto promedio donde se concentran todas las fuerzas de gravedad. Por cierto, no confundir el punto G náutico con otra G más sensual. Curiosamente el punto G suele estar más o menos en el punto donde la línea de través se cruza con la línea de crujía.

 

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En ocasiones el cruce de líneas se produce en el centro del buque pero, en otras, especialmente en los grandes acorazados del finales de la Segunda Mundial, está más retrasada porque son buques con la parte delantera muy afilada y la parte trasera más ancha, y es en la parte más ancha de la manga donde suele medirse la línea de través.

 

 

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Yamashiro, gemelo del Fuso

 

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Yamato

 

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Iowa

 

 

Las líneas rojas son las líneas de través que he calculado a ojo, es decir, que no son exactamente las reales, (como con la edad veo peor, a saber dónde he mirado) pero sirven para ejemplificar lo dicho anteriormente. 

 

El centro de gravedad estará más arriba o más abajo en el casco dependiendo de cómo se distribuyan los pesos del buque. Por ejemplo, dónde se coloquen las máquinas, si en la parte inferior del casco o muy arriba, las torres de artillería, los depósitos de combustible, proyectiles, cargas propulsoras de éstos, y todos y cada uno de los pesos que lleva un barco.

 

Si los mayores pesos están muy altos, el centro de gravedad (G) sube pero el metacentro M se queda en el sitio en que estaba. Evidentemente, la distancia entre el centro de gravedad y el metacentro será menor y el barco tendrá más dificultad para adrizarse en sus balanceos y lo hará lenta y pausadamente. A este barco se le llama “Blando” (de estabilidad) o también “Tumbón”.

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Por el contrario si colocamos peso en la parte más baja de la embarcación, G baja y M se queda también en el mismo sitio, con lo cual la distancia entre ambos puntos será mayor y producirá balanceos más rápidos y una capacidad de adrizamiento superior. A este barco se le llama “Rígido” o “Duro” (de estabilidad también).

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Centro de carena es el centro de gravedad del volumen de agua desplazado por un casco de buque. También se conoce con el nombre de centro de empuje, ya que es con fines de estabilidad (centro de estabilidad) donde se considera aplicada dicha fuerza. Se representa con la letra C y en algunas publicaciones con la letra B para equipararlo al "center of buoyancy" del inglés. Para no liar la madeja, hay que retener que usaré B o C según haya obtenido el dibujo en una página o un libro en inglés o de una página o libro en español. La carena es la parte del casco sumergida bajo la línea de flotación, conocida también como Obra Viva, frente a la Obra Muerta.

Obra viva: Es la parte sumergida del casco a máxima carga en condiciones de adrizamiento normal; es decir, cuando el barco está vertical.

Obra muerta: es la parte del barco que queda sobre el agua. En general, se divide en dos partes, la obra muerta propiamente dicha, que llega hasta donde termina el casco en la cubierta que lo cierra, y la otra parte, las superestructuras, que están sobre la cubierta antes mencionada. Tanto el casco como las superestructuras están divididos en pisos horizontales llamados cubiertas. Cuando estas cubiertas están en el casco puro y duro se llaman entrepuentes.

Carena: es la parte del casco sumergida en un momento dado. Coincide con la obra viva si el barco está adrizado (sin escora) y a carga máxima (gráfico 1) Sin embargo, puede ocurrir que el barco esté inclinado en cuyo caso parte de la obra viva estará por encima del agua y parte de la obra muerta (en este caso, parte del costado) estará bajo el agua. (Gráfico 2)

 

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Gráfico 1

 

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Gráfico 2

¡Qué bueno es el Paintbrush ese de Windows (vindous para mí), que me permite hacer estas cosas!

 

Espero que las cosas vayan quedando claras, al menos en los conceptos. Y ahora metámonos en harina metacéntrica porque es hora de empezar con esas cosas tan exotéricas que son el Metacentro inicial, la altura metacéntrica y el par adrizante, que si te despistas, acaba siendo par escorante, pues todos estos conceptos son necesarios para comprender en qué punto la escora es irremediable y puede dar lugar a que un barco zozobre, vuelque, enseñe la quilla o se vaya a hacer puñetas cantando esa canción infantil  en cuya letra hay un párrafo que dice: “¿dónde están las llaves Matarile rile, rile? En el fondo del mar matarile, rile ron, chispón”.

 

 

Metacentro: Imaginemos que un barco es como un péndulo o un columpio. Hay un punto desde el que la cuerda del péndulo cuelga o una barra de la que pende el columpio. Pues bien, eso vendría a ser el metacentro de un barco. Es el punto del que dependen los vaivenes del navío y su capacidad de volver al centro. Teóricamente, el metacentro (M) es el punto en el que convergen la línea de crujía y la línea imaginaria que parte del centro de carena, en sentido vertical. Pues bien, cuando el barco está adrizado la línea vertical que parte del centro de carena coincide con la línea de crujía, así que ambas líneas son paralelas. Si la geometría no ha cambiado desde mis tiempos en las legiones de Julio César, las líneas paralelas nunca convergen, así que no podemos hallar el metacentro con el barco adrizado. Me río imaginando la cara que estáis poniendo al leer lo anterior, mientras pensáis: “Y todo el rollo anterior para qué sirve si no se puede calcular el metacentro en un buque adrizado y, en consecuencia, no se puede saber la altura metacéntrica”.  Paciencia… El metacentro y la altura metacéntrica no tienen importancia si el barco está vertical, pero la tienen cuando el barco se inclina en el plano longitudinal o en el plano transversal porque estos conceptos se refieren a la capacidad o posibilidad de que un barco inclinado sobre un costado u hocicado recupere la verticalidad. Por eso, el metacentro se calcula presuponiendo una inclinación normal durante la navegación en aguas algo revueltas, donde es normal que el buque se incline y se balancee. En la época de los primeros acorazados, el ángulo normal de inclinación durante la navegación se estimaba de 5º, y sobre esta inclinación se calculaba el metacentro y la altura metacéntrica. Más adelante, ya en la época de la Primera Guerra Mundial, el ángulo se calculaba en 10º, a medida que las técnicas constructivas evolucionaban. A medida que el siglo XX avanzaba, el ángulo fue aumentando hasta 15º y actualmente, en algunos barcos, puede llegar hasta 40º. Pero, para explicar la importancia del metacentro y la altura metacéntrica en la recuperación de la verticalidad del barco tras un escoramiento, usaré los 10º de inclinación.

 

 

Aclarado lo anterior, vayamos al lío. El metacentro puede ser longitudinal, si el navío de inclina de proa o de popa, y transversal, si se inclina sobre un costado.

 

Hay que distinguir entre metacentro longitudinal inicial. Figura A. Y metacentro transversal inicial. Figura B

 

 

Figura A

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ML metacentro longitudinal inicial

G Centro de gravedad

C centro de carena adrizado

C’ Centro de carena con 10º de hocicamiento.

Línea LF, plano del agua normal

Línea L’F’, plano del agua con 10º de hocicamiento

 

 

 

Figura B

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Mo metacentro transversal inicial

G Centro de gravedad

C centro de carena adrizado

C’ Centro de carena con 10º de escora.

Línea LF, plano del agua normal

Línea L’F’, plano del agua con 10º de escora

 

 

 

 

Empecemos a explicarlo con el metacentro transversal o longitudinal inicial, que es el calculado sobre el ángulo de inclinación normal en una navegación. A medida que el hocicamiento o la escora aumenta, se modifica el metacentro y, en consecuencia, la altura metacéntrica hasta un punto en que sus consecuencias sobre la estabilidad son más críticas.

 

Metacentro transversal inicial: Supongamos que viajamos en un buque con volumen de carena o desplazamiento determinado, por ejemplo, 35.000 toneladas, y su centro de carena o flotabilidad está situado en el punto en el punto C (B en inglés). Ver gráfico de abajo.

 

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Fo Línea de flotación

Línea D, fuerza de empuje hacia abajo del desplazamiento

G, Centro de gravedad

C, centro de carena

Línea E, fuerza de empuje del agua hacia arriba

Línea K, crujía

 

 

¿Qué ocurre cuando las aguas no están tranquilas bien por el viento, bien por el fuerte oleaje que empujan un lateral del barco? El resultado es que el barco se inclina sobre una banda, o dicho más apropiadamente, escora, y a medida que la nave escora, la volumen del casco que se encuentra bajo el agua aumentará en el lado que está sumergiéndose y se reducirá en el lado que emerge, de modo que el centro de la flotabilidad se mueve hacia el lado sumergido.  En el gráfico de abajo, de B a B’.

 

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En ese mismo gráfico se aprecia lo que decía del cambio de volumen del agua bajo el casco, que es lo que hace que el centro de carena se mueva. Como ya dije arriba, el centro de carena representa el centro del volumen de agua bajo el casco. Si el volumen de agua cambia, cambia el punto C o B, si es en inglés.

 

Por tanto, B (centro de carena, C en español) está en el centro geométrico del volumen sumergido, y al variar la forma de la obra muerta o carena, variará la posición del centro de carena (B), como se aprecia en el gráfico superior. El agua que estaba a la izquierda en el triángulo formado entre WL1 y WL, ya no está allí, sumergida, y ahora no forma parte del volumen de carena u obra viva. Esa agua ha pasado al lado derecho, ocupando la zona sombreada, en gris, que ahora está sumergida, lo que ha cambiado la forma de la carena y por lo tanto ha variado el centro de carena, pasando del punto B al punto B’. Vale decir la fuerza de flotabilidad estará actuando ahora en B’.

A medida que el barco sigue escorando, 10º, 20º, 30º, 40º, 50º, etc., el volumen de agua bajo el casco sigue cambiando y desplazándose, creando sucesivos puntos de carena para cada grado de inclinación, que describen un arco llamado radio de carena.

 

El arco de carena es ese arco rojo que recorre las sucesivas C claras hasta la C negra.

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A partir de los conceptos anteriores, ya podemos meternos en harina. Imaginemos una escora de 10º, como se representa en el gráfico de abajo

 

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En este caso, la recta de acción del empuje que antes pasaba por C0, ahora pasará por C1. Prolongando desde ese nuevo centro de carena (C1) una recta verticalmente hasta cortar el plano de la crujía, tendremos en la intersección de ambas rectas, el punto M o metacentro. La coordenada vertical de este punto variará con el ángulo de escora (de acuerdo con el arco de carena del que hablé arriba, pero para inclinaciones no mayores a 10º se puede asumir como invariable y recibe el nombre de metacentro transversal inicial, o abreviadamente metacentro transversal. Hay que recalcar que el metacentro inicial varía para cada barco concreto, en función de donde se encuentren, en cada buque, el centro de gravedad, el centro de carena o la manga o francobordo que tenga ese buque determinado (Francobordo es la distancia que hay entre la línea de flotación y la cubierta principal)

 

¿Qué es cada cosa?

 

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F0 Línea de flotación con barco adrizado

F1 Línea de flotación con escora de 10º

G Centro de gravedad

C0 Centro de carena o flotabilidad con barco adrizado

C1 Centro de carena o flotación con escora de 10º

D Fuerza hacia debajo del peso

E Fuerza hacia arriba del agua

K Línea de crujía

M Metacentro transversal inicial, que es el punto donde se cruzan la línea de crujía (K) y la línea vertical trazada desde C1 hacia arriba a 10º de inclinación.

Altura metacéntrica. Es la distancia entre el centro de gravedad y el metacentro.

Z Línea horizontal trazada desde G hasta cortar la línea vertical que va desde C1 hasta M. La distancia entre G y Z es la anchura del brazo o par adrizante. Conviene retener que este par o brazo es el que tira de D y E para que se acerquen y el barco recupere la verticalidad o adrizamiento. A medida que el barco aumenta la escora, como veremos, el brazo se ensancha hasta alcanzar un máximo, a partir del cual vuelve a estrecharse hasta desaparecer. En este punto, el par adrizante deja de existir y el barco ya no recupera por sí mismo la verticalidad. Todo lo referente a la manera en que funciona este brazo lo explicaré más abajo. Bueno, más bien intentaré explicar lo que he entendido.

  

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Esta distancia entre G y Z se conoce como brazo adrizante o brazo GZ. Para las naves normales, el punto de enderezamiento y la palanca (GZ) aumentarán bastante rápido al principio a medida que la nave se inclina más y más, pero a medida que el pantoque sale por un lado y el borde de la cubierta baja por el otro, la GZ aumentará más lentamente y al final comienzan a reducirse. El punto en el que se produce la máxima GZ es importante porque marca la mayor posibilidad de recuperar la verticalidad; si hay una fuerza constante que inclina a la nave, y la escora supera la máxima longitud del brazo adrizante, el momento de enderezamiento disminuirá y la disminución de tamaño del brazo se producirá muy rápidamente. En este supuesto, la posibilidad de enderezamiento cae a cero y el par adrizante se volverá negativo y ya no intentará enderezar el barco, sino, al contrario, volcarlo. Esta inversión del brazo da lugar al denominado Par escorante, que se muestra en el gráfico inferior

 

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¿Cuál es la diferencia entre la figura del par adrizante y la figura del par escorante? Pues la posición del metacentro. En la figura del par adrizante el Metacentro (M) está encima del centro de gravedad (G), y existe altura metacéntrica que, como expliqué antes es la distancia entre G y M. Mientras el metacentro está encima del centro de gravedad, la fuerza del brazo GZ, intenta equilibrar las fuerzas de peso y empuje hacia arriba, para enderezar el barco con la quilla abajo y la superestructura arriba. Sin embargo, cuando el metacentro M, por el aumento de la escora, se sitúa debajo del centro de gravedad (G), el brazo GZ intentará estabilizar el barco, pero al revés, la quilla arriba y las superestructuras debajo, vamos, que en este caso, nos deja con la quilla al sol.

 

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El SMS Bayern con la quilla al sol en Scapa Flow. Aquí el par escorante se lo pasó pipa.

 

 

Ahora voy a intentar explicar esa teoría con gráficos, que contribuyan a aclararlo (o eso espero). Los dibujos son míos y no han salido todo lo correctos que esperaba, pues no he logrado hacer un arco adecuado con los sucesivos centros de carena, pero nos sirven igual para establecer que el metacentro se acerca al centro de gravedad a medida que aumenta la escora y, llegado el punto crítico, ya no se endereza en buque por sus propias fuerzas.

 

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Escora 0º. Barco adrizado

 

 

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Barco con escora de 5º

 

 

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Barco con eslora del 10º.  El metacentro baja

 

 

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Barco con 15º de escora. El metacentro sigue bajando

 

 

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Barco con 20º se escora. Baja el metacentro

 

 

 

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Barco con 25º de escora. Metacentro a la baja

 

 

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Barco con 30º de escora. Metacentro a la baja

 

 

Podíamos seguir poniendo más figuras, pero la idea se ve claramente. A medida que se incrementa la escora, el metacentro baja y el par adrizante tiene cada vez una longitud de brazo inferior. En la construcción de buques, dependiendo de la clase que sea, se calculan los ángulos máximos de escora que permiten actuar al brazo adrizante a través de la denominada Curva de estabilidad que sirve para ver en qué punto el brazo adrizante es mayor y en que punto desaparece dando lugar a la estabilidad negativa, es decir, cuando entra en acción el par escorante

 

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En la representación de la curva de la figura superior se observa que la máxima longitud del brazo adrizante se encuentra en los 47º. Pasados estos, el brazo adrizante disminuye de tamaño hasta llegar a los 82 º, en los que se observa que desaparece el par adrizante (estabilidad neutra) y, a partir de esa inclinación entramos en estabilidad negativa y comienza a actuar el par escorante.

 

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Quizás aquí se ve más claro. En el Eje X (el de abajo), se miden los grados de inclinación o escora de buque. En el eje Y, (el del lado izquierdo) se mide la longitud del brazo GZ o brazo adrizante. Se nota que, a medida que comienza la escora, aumenta la longitud del brazo adrizante y, en consecuencia, la máxima capacidad del barco de recuperar la verticalidad, nivel que se alcanza en la parte superior de la curva azul. A partir de este momento, la curva de estabilidad disminuye a medida que aumenta la inclinación y disminuye el brazo adrizante, hasta alcanzar lo que en el dibujo se denomina ángulo crítico de estabilidad.

 

De acuerdo con el dibujo de abajo. Dependiendo de dónde se encuentre el metacentro, en relación con el centro de gravedad (G) tendremos

A.- Equilibrio positivo si el metacentro está más alto que G y el barco tenderá a recuperar la verticalidad correcta, con las superestructuras arriba.

B.- Equilibrio indiferente o neutro, cuando M y G están a la misma altura, en cuyo caso el barco tendrá una escora permanente, pero no aumentará ni disminuirá porque no hay ni brazo adrizante ni brazo escorante.

C.- Equilibrio negativo cuando G está encima de M, momento en el que entra en juego el par escorante y el barco vuelca enseñándonos la quilla.

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Otros factores que influyen en la estabilidad del barco por afectar a la longitud máxima del brazo adrizante.

 

MANGA DEL BUQUE

Los barcos con más manga tendrán más anchura de brazo adrizante

 

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Los barcos con menos manga tendrán un brazo adrizante menor y, por consiguiente, menos capacidad de recuperar la verticalidad con ángulos pronunciados de escora.

 

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La ubicación del centro de gravedad también afecta a la estabilidad del buque porque, a punto G más bajo, habrá mayor altura metacéntrica inicial y el brazo adrizante será mayor.

 

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En el gráfico superior se ve que si el centro de gravedad (G) está en la parte baja (punto 1 en azul) el brazo adrizante será mayor. Si G está en el punto 2 en verde, o zona media del casco, se reducirá la longitud del brazo adrizante. Por último, si G está en la parte alta del casco (punto 3 en rojo) la distancia o altura metacéntrica será menor y el brazo adrizante más pequeño, con lo que la posibilidad de recuperar el adrizamiento no se producirá con grandes ángulos de escora.

 

Ya no voy a liar más con otros factores que intervienen, como el francobordo del barco, la intensidad y frecuencia de las olas y otras cosas como corrimientos de cargas, inundaciones por torpedos o impactos, etc., que afectan a la estabilidad.

 

Espero que hayáis entendido al menos por qué los alemanes estaban preocupados por los problemas de estabilidad de las clases Nassau y Helgoland ya que eran los primeros acorazados hechos para navegar en las procelosas, turbulentas y peligrosas aguas del Mar del Norte y no en las mucho más tranquilas aguas del Báltico o las costas alemanas.

 

Editado por tanakaeltenaz
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Muy bien explicado, Tanaka. Gracias por otro de estos hilos, siempre son interesantes.

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Os vais a reir, pero le he comprado a mi hijo una barco de playmobil que va fatal y estando en la piscina me venian a la cabeza todas esas graficas que pones...

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