Supercavitacion

Introducción

Propulsar un cuerpo bajo el agua necesita gran cantidad de energía. Desplazándose rápidamente aún consume más energía pues la resistencia al avance del agua contra una superficie sumergida aumenta con la velocidad.

Los ingenieros navales constantemente tratan de mejorar los cascos de los barcos con el objetivo de minimizar la fricción del agua.

Los científicos han hallado una nueva forma de evitar la resistencia al avance del agua, lo que permite desplazarse a alta velocidad. La idea es minimizar la superficie húmeda del cuerpo en movimiento encerrándolo en una burbuja de gas de baja densidad.

La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja de manera que envuelve el objeto en desplazamiento casi por completo.

¿Qué es la cavitación?

La cavitación, ocurre en el momento en que un líquido es sometido a una presión igual o menor que su presión de vaporización, instantes después es regresado a una presión mayor, a la presión de vapor de este. En el intervalo de estos dos sucesos se forman pequeños burbujas de estado gaseosos, las cuales al ser comprimidas por la presión mayor, dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado liquido se aceleren y choquen unas con otras.

La supercavitación es un fenómeno hidrodinámico, una variación de la cavitación. Se produce al moverse un objeto a gran velocidad en un fluido (líquido). La diferencia fundamental entre cavitación y supercavitación reside en la velocidad y en los usos potenciales de la misma, mientras la cavitación es un fenómeno generalmente negativo tanto para la industria naval o la aeronáutica, la supercavitación es una nueva vía de futuro en la industria, y ofrece nuevos horizontes económicos y tecnológicos.

Este fenómeno consiste en que al moverse el objeto a gran velocidad, el fluido que se desplaza a su alrededor adquiere una velocidad muy grande haciendo que su presión disminuya drásticamente. Si se llega al punto de evaporación del líquido, éste se convierte en gas y por tanto el objeto se desplaza por un medio gaseoso disminuyendo así su fricción.

La súper cavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja de manera que envuelve el objeto en desplazamiento casi por completo.

Un cuerpo con súper cavitación tiene una resistencia extremadamente baja, porque la fricción sobre su superficie es casi inexistente. En lugar de estar rodeado de agua, se rodea del vapor del agua que se forma en la burbuja. Como el vapor tiene una densidad y viscosidad mucho menor que el agua líquida, el cuerpo puede avanzar mucho más rápido.

La súper cavitación es difícil de obtener, el cuerpo que quiera usarla debe estar moviéndose a una gran velocidad: al menos 180 Km. /h, según algunos expertos. Esa es una velocidad muy superior a la que se obtiene en cuerpos que actualmente se mueven en el agua. Por otra parte, la forma de la cabeza también tiene que ser diferente, debería ser chata. Así a grandes velocidades el fluido es forzado a moverse desde el borde de la cabeza con tanta velocidad, en un ángulo especial, que no toca la superficie del cuerpo.

Por eso, en un cuerpo supercavitatorio, solamente la cabeza causa una resistencia significativa, ya que es la única parte que está en contacto real con el agua líquida. Sin embargo, estamos ante una paradoja: cuando más chata sea la cabeza, más alta será la resistencia. Es por eso que hay que conseguir un punto medio, y las mejores cabezas son las que están ligeramente curvadas.

El asunto es que la resistencia general se reduce enormemente una vez que se alcanza un régimen de súper cavitación, y luego aumenta linealmente con la velocidad (y no geométricamente). Mucha de la teoría todavía no esta en papel, ya que se trata de cálculos muy complicados.

La supercavitación viene siendo un efecto exagerado de la cavitación con el fin último de que un objeto sumergido en un fluido se vea rodeado de una burbuja de gas en su totalidad para así reducir el efecto de la fricción del fluido y obtener así velocidades más altas haciendo que la implosión del gas se efectúe detrás de la cola del objeto en cuestión.

Actualmente, esta tecnología es toda una revolución en el sector de armamento naval. Cabe mencionar que el país más avanzado en estudios sobre este tema es Rusia, que hace ya unas décadas, creó un prototipo de torpedo-motor-cohete que alcanzó una velocidad de 180 m/s. Este fenómeno es aprovechado recientemente por el ejército estadounidense para las balas de destrucción de minas. Estas balas tienen una punta achatada que provoca una supercavidad (el gas producido envuelve completamente al proyectil) haciendo que puedan llegar con suficiente energía a 15 metros de profundidad para poder hacer explotar una mina. Estas balas se lanzan desde un helicóptero artillado sobre el objetivo.

Otra aplicación militar es el torpedo ruso de supercavitación VA-111 Shkval, que aprovechando este efecto puede viajar a la increíble velocidad de 380 km/h por debajo del agua.

Actualmente los torpedos convencionales raramente operan a más de 50 nudos (92.6 Km/h) ya que por un lado los sistemas de impulsión tradicionales no permiten más velocidad y por otro está que el agua ejerce una enorme fricción.
Desde los años 60 del pasado siglo se está investigando como superar esta limitación ante el encargo de las autoridades rusas al instituto NII-24 y al diseñador Mikhail Merkulov de desarrollar un torpedo de alta velocidad, descubrieendose la solución en el principio físico de la cavitación.

Torpedos de supercavitación

Desde el inicio de su desarrollo en Rusia el torpedo de supercavitación ha evolucionado notablemente hasta nuestros días. En un principio el torpedo tenía que ser usado como un simple proyectil no guiado como los usados durante la Segunda Guerra Mundial.

Por otro lado, aunque por ahora solo se aplica en torpedos, a la supercavitación se le prevén multitud de aplicaciones. Desde submarinos enteros a proyectiles de cañón disparados desde helicóptero con el objetivo de neutralizar minas submarinas de una forma segura y barata.

De forma totalmente extraoficial, se rumorea que el fatídico accidente del submarino ruso clase Oscar II, K-141 Kursk en el Mar de Barents en agosto del 2000 de se debió a un fallo de uno de estos torpedos que provoco una explosión. No obstante, según el informe redactado a partir de la investigación y publicado por la Rossíiskaya Gazeta (Diario oficial del gobierno ruso) el accidente se debió a una serie de negligencias en cadena que finalizó con una fuga de peróxido de hidrogeno que entro en contacto con metano, detonando. Posiblemente ese peróxido de hidrogeno proviniese del sistema de propulsión de uno de los torpedos.

Al igual que otras muchas ideas bizarras, los aparatos submarinos que utilizan la supercavitación aparecieron en la Guerra Fría. En los años 60s, la URSS tenía torpedos relativamente lentos, que dejaban a sus submarinos, de los mejores del mundo, en gran desventaja. Pero en lugar de apresurar el desarrollo de soluciones convencionales, hicieron todo lo contrario. Siguiendo su filosofía de hacerlo todo más grande, pesado y aparatoso, pensaron en adelantarse a los EEUU al desarrollar una idea totalmente radical.

Es necesario repasar algo de física antes de comprender cómo es posible esta idea. El problema que detiene a los torpedos es la resistencia: todo objeto, sin importar su forma, sufre más o menos resistencia cuando se mueve dentro de un fluido (gaseoso como el aire o líquido como el agua de mar). Una de las fuentes de la resistencia es la fricción de la superficie, que es la fuerza que se requiere para superar la delgada capa de fluido que se mueve sobre la superficie del cuerpo en movimiento. Todo esto sucede en la superficie de un avión, por ejemplo, pero el agua tiene el inconveniente de que es muchas veces más densa que el aire, generando mucha más resistencia. Así, toda solución debe ser repensada para aplicarse en otro ambiente.

Peor todavía, la energía que se necesita para superar la resistencia es proporcional al cubo de la velocidad de un objeto. Así que cada mejoramiento de la propulsión, que en teoría agregaría más velocidad al torpedo, no hace más que hacerlo apenas más rápido.

A comienzos de los años 60s, Mikhail Merkulov, trabajando en el Instituto Hidrodinámico de Kiev, se dio cuenta de que la solución estaba en un fenómeno llamado "cavitación". Era en realidad una idea peligrosa. Para cualquier arquitecto naval, la cavitación es una amenaza, y no una aliada.

Cuando un cuerpo se mueve rápidamente dentro de un fluido, la presión en los distintos puntos del cuerpo (supongamos que es una hélice que está girando) se reduce. Cuanto más rápido se mueve el cuerpo, más baja es la presión. Pero cuando la presión se reduce tanto como para igualar la presión del vapor del fluido, el estado líquido no puede mantenerse. Sin tener la suficiente presión como para mantenerse juntas, las moléculas del líquido se vaporizan y forman "cavidades", o burbujas. Su efecto no es inocente: pueden destruir las hélices

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