¿alguna vez te has preguntado cómo navega un velero contra el viento?
veleros de ceñida. Crédito: Dominio Público
El Sol está fuera, el viento está soplando, y he estado ocupado tomando algunas clases de vela. Resulta que hay un poco interesante de física que permite que los veleros no solo viajen a favor del viento, siendo empujados por el viento, sino también a favor del viento, o casi.
Un barco del siglo XVIII con aparejo cuadrado navegando
a favor del viento., Crédito: Dominio Público
Pero primero comencemos con el caso a favor del viento. Si el marinero quiere viajar en la misma dirección que el viento, entonces todo lo que tiene que hacer es mantener la vela perpendicular al viento y dejar que el barco sea empujado desde atrás.
Este es el punto más básico de la vela, y fue utilizado a menudo por los antiguos marineros egipcios, griegos y romanos. Cuando necesitaban velocidad adicional o querían viajar contra el viento, remaban.
Los grandes barcos de aparejo cuadrado populares en los siglos 18 y 19 (el barco pirata clásico, por ejemplo) también eran más eficaces en una vela a favor del viento.,
Los Veleros modernos pueden navegar en cualquier dirección que sea superior a unos 45 grados con respecto al viento. No pueden navegar exactamente contra el viento, pero con un diseño de barco inteligente, una vela bien posicionada y la paciencia para zigzaguear hacia adelante y hacia atrás, los marineros pueden viajar a cualquier lugar.
para explorar esto, vamos a dibujar un diagrama que etiqueta Todas las fuerzas en el velero. Si no ha visto un diagrama de fuerza antes, no se preocupe—son solo unas pocas flechas y triángulos. Al sumar las fuerzas, obtendremos la fuerza total en el barco y, por lo tanto, la dirección en la que se moverá.aquí está un velero básico., Las dos partes en las que nos centraremos son la vela por encima del barco y la quilla por debajo del barco. La quilla evita que el barco se vuelque y, como veremos, desempeña un papel crucial en el avance del barco.
Un velero básico. Crédito del diagrama: Tamela Maciel
Ahora digamos que estamos tratando de navegar ceñida con el viento que viene de la izquierda o «puerto» sobre la parte delantera del barco. Este boceto muestra el velero como si estuviéramos mirando hacia abajo mientras se mueve hacia la parte superior del boceto.,
mirando hacia abajo en un velero, mostrando las fuerzas iguales y opuestas en el viento y la vela.el viento llena la vela en forma de ala, pero debido a que la vela se mantiene firme en ambos extremos, el viento no puede empujarla fuera del camino. En su lugar, el viento debe cambiar de dirección para fluir paralelo a la vela. La vela tensa ha creado una fuerza en el viento que hace que cambie de dirección y la tercera ley de Newton nos dice que hay una fuerza igual y opuesta en la vela por el viento, como se muestra en las flechas rojas en el diagrama de arriba.,
si esta fuera la única fuerza que actúa en el barco, entonces estaríamos en problemas: el barco se movería hacia adelante, pero también hacia la derecha. Pero los veleros tienen un arma secreta escondida debajo de la cubierta: la quilla.
quilla y timón debajo de un velero.
crédito: Paul Schultz
Además de la fuerza en la vela, la gran área de la quilla resiste ser arrastrada lateralmente a través del agua. Puede sentir esta resistencia si arrastra la palma de su mano primero a través del agua en comparación con edge-on. El agua aplica una fuerza a tu mano que aumenta con mayor superficie.,
Las fuerzas que actúan en un velero se cancelan entre sí de manera que la fuerza total mueve el velero hacia adelante.
la quilla que apunta hacia abajo está delineada por el rectángulo discontinuo.
crédito: Tamela Maciel
Esta fuerza en la quilla se muestra por la flecha púrpura en el diagrama de arriba. Al combinar la fuerza en la vela y la fuerza en la quilla (diagrama de triángulo), vemos que las fuerzas laterales se anulan y la fuerza total en el velero es solo en la dirección delantera (flecha verde). El resultado es que el barco se mueve hacia adelante!,
algunos veleros pueden incluso moverse más rápido que el propio viento. Al navegar en ceñida, la velocidad relativa del viento en las velas es mayor que la velocidad real del viento y este viento relativo crea una fuerza mayor en las velas que puede empujar a los veleros más rápido que la velocidad real del viento.
Hay un límite a lo rápido que los veleros pueden avanzar, por supuesto. He ignorado el arrastre Del Barco En este ejemplo, pero el barco también tiene una fricción inherente a medida que avanza a través del agua., El barco se acelerará hasta que la fuerza que empuja el barco hacia adelante se equilibre con la fuerza de arrastre que tira del barco hacia atrás, y luego el barco viajará a una velocidad constante.
lectura adicional:
este simulador de vela por el National Geographic le permite ajustar las velas y el timón para encontrar el punto más rápido de vela
La física de la vela por la Universidad de Nueva Gales del Sur
cómo los veleros navegan contra el viento por Física para arquitectos
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Por Tamela Maciel, también conocida como » péndulo»