Historia de los apéndices de barcos – 2ª parte

@Holcim PRB Sailing Team

En el anterior artículo analizamos los primeros diseños de quillas y timones, diseños que seguramente caracterizan algunos de los barcos más lentos de la Global Solo Challenge, aquellos que soltarán amarras en los primeros grupos a partir de finales de agosto 2023. En este segundo articulo, seguimos analizando la evolución de dichos apéndices, hablando de quillas y timones que probablemente encontremos en los barcos más rápidos, aquellos que zarparán en los últimos grupos hasta mediados de diciembre.

La creciente necesidad de disponer de barcos rápidos de alto rendimiento, con una reducción en el peso total de las estructuras, empujó a los diseñadores a llevar ciertos conceptos a los extremos. La revolución digital aceleró los procesos de diseño y producción a través del uso de sistemas CAD (Diseño Asistido por Computadora), de análisis estructural FEM (Método de Elementos Finitos) y de análisis CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). Estas herramientas permitieron el uso generalizado de fibra de carbono y de aleaciones ligeras, optimizando el peso, la rigidez y la eficiencia hidrodinámica.

Los timones han evolucionado en hojas finas y largas, así reduciendo la resistencia al avance. Lo mismo podemos decir de las quillas, que han evolucionado en perfiles largos de sección alar que terminan con bulbos tipo torpedo. Al construirse con metales de alta densidad, se minimiza la superficie mojada y se concentra el lastre más abajo, obteniendo un buen momento de enderezamiento y un excelente rendimiento, tanto en ceñida como en rumbos portantes.

La evolución natural de la quilla con bulbo es la quilla basculante, un concepto que es a la vez simple y complejo de implementar. La quilla ya no está fija al casco sino que puede oscilar hacia la derecha o la izquierda, cambiando de posición para ajustar la escora del barco. Las ventajas de esta solución son obvias: el momento de enderezamiento del barco aumenta sin aumentar el peso adicional y se puede aumentar la superficie vélica. Gracias a este tipo de quilla, los diseños de las carenas no están tan condicionados por la estabilidad de forma y se pueden optimizar para aumentar la eficiencia hidrodinámica.

Los inconvenientes son los altos costos de producción, la gestión de los sistemas hidráulicos y la delicada instalación. Sin embargo, cabe destacar, que los sistemas operativos controlados por software permiten ajustar ángulos de inclinación de hasta 45 grados.

A medida que aumenta el ángulo de inclinación de la quilla disminuye la eficiencia de su aleta. Por esta razón, en los barcos con quilla basculante se introdujeron los «daggerboards», aletas retráctiles con perfil asimétrico que, una vez en el agua, desarrollan la función que ya no desempeña la aleta vertical de la quilla basculante.

En algunos barcos también veremos apéndices complementarias llamadas «canard». Se trata de una quilla fija con ángulo de incidencia variable que trabaja en combinación con el timón para maniobrar el barco y evitar el desplazamiento lateral del mismo.

Otro ejemplo a destacar, a la hora de hablar de la evolución de los apéndices, son los barcos de la Clase Imoca que se caracterizan por cascos anchos y planos equipados con dos timones. Cuando dichos barcos escoran su línea central queda fuera del agua, así que un solo timón central no funcionaría. En cambio, dos timones más pequeños, inclinados en el plano vertical, funcionan de manera óptima. El timón de sotavento siempre permanece bajo el agua y esta casi vertical, mientras que el timón de barlovento permanece fuera del agua reduciendo la resistencia hidrodinámica.

Las embarcaciones de regatas oceánicas de última generación han adoptado los «foils». Se trata de una estructura alar sumergida con perfil y grosor variable.

Existen de varias formas (en forma de «L», de «C», «triple inclinación» etc.) con diferentes características y elementos que están en constante evolución y son cruciales para optimizar al máximo el rendimiento de las embarcaciones modernas.

Fundamentalmente, los foils aumentan el momento de enderezamiento sin sobrecargar el barco. La fibra de carbono de alto módulo y alta resistencia ha permitido a los diseñadores emplear foils incluso en embarcaciones de competición con un desplazamiento considerable. Hay que considerar que, a menudo, estos barcos alcanzan velocidades de hasta 40 nudos, generando tensiones significativas.

En la clase Imoca, los barcos que adoptan foils no usan ni daggerboards ni canards, ya que los foils cumplen la doble función: por un lado, la parte vertical contrarresta el desplazamiento lateral y, por el otro, la sección horizontal genera un levantamiento vertical, aumentando el momento de enderezamiento y «aligerando» el barco, que en ocasiones sale casi por completo del agua, reduciendo drásticamente la resistencia al avance.

Otra característica es la proliferación de proas cada vez más redondas y potentes cuyo fin es contrarrestar el efecto de clavado o picado de la proa, al tiempo que reducen la resistencia del impacto con el agua. Este tipo de proas también tienen una función de estabilización aerodinámica ya que hay que considerar que el reglamento Imoca no permite timones con foils en forma de T. Así que el movimiento del barco puede ser muy violento y «saltarín», generando grandes cargas y tensiones estructurales durante la fase de caída.

Y finalmente llegamos a los extremos, los AC75, las embarcaciones de la Copa América. En estos barcos la quilla ya no existe, al menos no en su concepción tradicional. Los AC75 navegan en modo «full foiling», es decir constantemente fuera del agua.

El foil en forma de Y de sotavento está sumergido y, al terminar con un ala doble equipada con aletas, proporciona un levantamiento hidrodinámico y un momento de enderezamiento que permite mantener el mástil siempre vertical. En cambio, el foil de barlovento permanece fuera del agua y actúa de lastre, generando una fuerza hacia abajo.

El timón central en forma de T proporciona maniobrabilidad y levanta la popa del casco. Mantiene también bajo control el cabeceo del barco junto con las aletas del foil.

Los AC75 también disponen de un «skeg» (aunque tiene poco que ver con los skegs de los timones). Comúnmente llamado «pequeña quilla», sirve para limitar el desplazamiento lateral durante la fase de despegue y aceleración, haciendo las transiciones más suaves.

Los AC75 están diseñados para regatas costeras en aguas protegidas, así que nunca podrían participar en la Global Solo Challenge. Probablemente tampoco veremos IMOCAs con foils en las salidas de este evento, por lo menos no en esta primera edición, que zarpará de A Coruña a partir de finales de Agosto 2023. Sin embargo, no sería un problema si así fuera ya que el formato del evento está diseñado para que todos los participantes sean potenciales ganadores al tener en cuenta el rendimiento y el tiempo estimado de circunnavegación de cada barco para dar las salidas escalonadas.