Un grupo de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid ha analizado las propiedades aerodinámicas de una vela que permita a un velero alcanzar la máxima velocidad cuando navega en ceñida (contra el viento). El objetivo es rediseñar la vela del Tornado, catamarán de clase olímpica.
La ceñida, o contra el viento, es el régimen de navegación crítico en competición para barcos de vela, y por ello es muy importante conseguir el velero que maximice la velocidad en este régimen. Para ello, uno de los elementos más importantes es el diseño de la vela. Esto es lo que ha motivado que un grupo de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid se haya propuesto estudiar este problema (*). Tras una fructífera colaboración con la Real Federación Española de Vela, en la que los investigadores tuvieron la oportunidad de aprender de los excelentes regatistas españoles de la clase Tornado, empezó un estudio teórico que ha dado unos interesantes resultados fácilmente extensibles a cualquier tipo de barco de vela.
Hasta ahora, se había considerado que el criterio adecuado para maximizar la velocidad de avance de un velero que navega contra el viento era conseguir que la fuerza o empuje que proporciona la vela en la dirección de avance del velero fuera máxima. De esta forma se desacoplaba de forma sencilla el problema aerodinámico del hidrodinámico y el análisis era sencillo de realizar.
Sin embargo, se ha demostrado que maximizar el empuje no es el criterio adecuado si lo que se quiere es navegar tan rápido como sea posible en contra del viento. Para ello, lo que se debe optimizar es la componente de la velocidad de avance del velero en la dirección contraria al viento (VMG), y para ello se ha de trabajar conjuntamente con los problemas aerodinámico e hidrodinámico. Esto ha llevado a un grupo de investigadores de la ETSI Aeronáuticos de la UPM, liderados por la profesora Ana Laverón Simavilla, a desarrollar un método analítico que permite estudiar los dos problemas acoplados.
Empleando el criterio de optimización de la velocidad VMG, primero se obtuvieron los valores óptimos de las propiedades aerodinámicas de la vela (coeficiente de sustentación y coeficiente de resistencia) para una vela determinada y cómo debería ser la forma óptima de la polar, es decir, la curva que relaciona ambos coeficientes.
Una vez conocida la forma óptima de la polar, se analizó cuál era la geometría de la vela que proporciona esa polar óptima. En el caso del Tornado, esta geometría se caracteriza por una serie de parámetros, algunos de los cuales se fueron modificando para estudiar su influencia en la actuación de la vela. Así, la geometría de la vela estudiada puede ser definida por los siguientes parámetros: la envergadura de la vela, la cuerda de cada perfil, la curvatura máxima de cada perfil y la posición del punto del perfil que corresponde a esa máxima curvatura, además de la posición del perfil de máxima curvatura en la dirección del mástil y el ángulo de torsión de cada perfil. Las características geométricas que se modificaron en este estudio fueron la torsión y la curvatura.
Esta segunda parte del estudio se realizó numéricamente, empleando el método de Vortex Lattice y, experimentalmente, en el túnel de viento A9 de la ETSI Aeronáuticos. La Figura muestra el ensayo de una maqueta a escala 1:7 de la vela del Tornado en dicho túnel aerodinámico.
Para estudiar numéricamente el efecto de la torsión en las propiedades aerodinámicas de la vela se prepararon cuatro modelos de velas, dos de ellas con una variación de la torsión a lo largo del mástil superior a la de la vela en operación nominal y otras dos con una variación inferior.
La influencia de la curvatura se comprobó modificando, por una parte, la posición de la máxima curvatura de la vela a distintas alturas del mástil y, por otra parte, el valor de esa máxima curvatura de la vela.
Los principales resultados que se obtuvieron del estudio (*) mostraron que, en primer lugar, la torsión afectaba considerablemente a las propiedades aerodinámicas de la vela y que la velocidad VMG máxima se obtenía para la torsión mínima. Sin embargo, hay una restricción importante a lo hora de minimizar la torsión, puesto que la disminución de la torsión aumenta el riesgo de vuelco.
También se vio que desplazar la posición de máxima curvatura en la dirección del mástil incrementaba el valor de VMG, pero, al igual que ocurría con la torsión, también se incrementaba el riesgo al vuelco, lo que restringe los valores de VMG que se pueden obtener.
Por otro lado, al disminuir la curvatura máxima de la vela se incrementaba la velocidad VMG y disminuía el riesgo de vuelco. Por tanto, este parámetro puede ser utilizado para optimizar VMG sin introducir restricciones debidas al vuelco.
Todas las conclusiones obtenidas en este estudio son de tipo cualitativo y han sido obtenidas para una configuración de casco determinada, pero son fácilmente extensibles a cualquier tipo de barco de vela.
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(*) JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 13 (3): 190-206 AUG 2008: “Sail optimization for upwind sailing: application in a Tornado, the Olympic class catamaran”. Laverón Simavilla, Ana; Lapuerta, Victoria; Franchini, Sebastian; Sanz, Ángel
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