Arquitectura Naval

Popa

Se designa con el nombre de popa o acrostolio a la terminación posterior de la estructura de un barco. Por extensión se denomina también popa a la parte trasera de un buque considerando a éste dividido en tres partes iguales a contar desde la proa. Al igual que la proa y a fin de evitar los remolinos y pérdida de energía, esta parte del buque es también afinada, en donde suele encontrarse el "castillo de popa" que es desde donde se comandan todos los controles del barco; está el accionamiento del timón y los controles sobre las hélices.

Su importancia, según sea el tipo de barco, es fundamental por ejemplo para dar peso atrás que permita levantar la proa (parte delantera) y remontar el oleaje.

La forma de la popa depende de las condiciones de mar y las características del barco, en los siglos XIX y XX predominó la popa tipo redonda, y en el siglo XXI los constructores navales optaron por la popa tipo espejo que se aplica a la marina mercante y de transporte de pasajeros.

Extremo de popa de un mercante moderno (popa espejo)

Partes de la popa

• Espejo: es el extremo plano al final del codaste que se forma con la última cuaderna.

• Codaste: pieza vertical que sube desde la quilla hasta el comienzo del espejo de popa.

• Timón: plano de orientación mecánico para la dirección de un buque.

• Arbotantes y henchimientos: los arbotantes son estructuras de soporte laterales cuando las hélices no están en línea de crujía, los henchimientos son las salidas al exterior del casco.

• Vano de la hélice: es un henchimiento o la salida del árbol o bocina de propulsión de la hélice.

• Hélice(s): componente(s) propulsor(es) de la embarcación.

• Alefriz: es la extensión de la quilla que sirve de soporte al talón del timón.

Tipos

Según su forma se denomina:

• llana

• redonda

• tajada

• lanzada

• ancha

• de cucharro

• caída

• levantada

Sin embargo, los tipos más generalizados son:

• la popa de crucero

• la popa de espejo o estampa

Timón

El timón es el dispositivo utilizado para maniobrar un medio de transporte que se mueva a través de un fluido (como un buque, avión, submarino, etc.). Un timón funciona orientando el fluido produciendo un efecto de giro o de empuje. La expresión "timón a la vía" significa colocar la pala de timón sin ángulo de incidencia, es equivalente a "timón al medio".

Se define como ángulo de pala o ángulo de incidencia al formando por la pala del timón y el plano de crujía.

En las embarcaciones sencillas, se puede unir una caña básicamente, un palo o poste que actúa como un brazo de palanca a la parte superior del timón para que el timonel pueda dirigirlo. En los buques más grandes, puede ser utilizado cables, remos y un sistema hidráulico para conectar entre sí timones de dirección a las ruedas. En barcos más grandes, pueden utilizarse cables, poleas o sistemas hidráulicos para conectar el timón a la rueda de dirección. En la disposición típica de los aviones, los timones se accionan con pedales a través de sistemas mecánicos o hidráulicos.

Tipos de timón

• Timón de espadilla, es el tipo timón que está soportado solo por la mecha.

• Timón horn o semicompensado, el eje que irá dentro de una bocina eficazmente unida al conjunto y formada por dos piezas fundidas que son los núcleos superior e inferior y un tubo que unirá ambas

• Timón de codaste, o soportado, es aquel que está apoyado por la mecha en la parte superior y por el tintero conectado al codaste en la parte inferior.

Codaste

Es un elemento estructural que continúa la quilla en la popa. En los buques antiguos era una gran pieza fundida que permitía alojar la hélice en un hueco llamado vano, limitado por el codaste proel y el codaste popel. También, refuerzo de la quilla en popa.

Son sus partes más importantes:

• Alefriz: que lo vincula a la quilla.

• Talón: que soporta el peso de la pala de timón.

• Tintero: alojamiento para el extremo del eje de la pala.

• Codaste popel: extremo de popa del codaste y perpendicular de popa.

• Henchimiento: soporte del eje porta hélice.

• Codaste proel: que lo vincula las tracas del forro del casco.

Hélices

La hélice es un dispositivo mecánico formado por un conjunto de elementos denominados palas o álabes, montados de forma concéntrica y solidarias de un eje que, al girar, las palas trazan un movimiento rotativo en un plano. Las palas no son placas planas, sino que tienen una forma curva, sobresaliendo del plano en el que giran, y obteniendo así en cada lado una diferencia de distancias entre el principio y el fin de la pala. Provocando una diferencia de velocidades entre el fluido de una cara y de la otra. Según el principio de Bernoulli esta diferencia de velocidades conlleva una diferencia de presiones, y por lo tanto aparece una fuerza perpendicular al plano de rotación de las palas hacia la zona de menos presión. Esta fuerza es la que se conoce como fuerza propulsora de un buque o aeronave.

La primeras aplicaciones de las hélices, hace miles de años, fueron los molinos de viento y agua. Hoy en día, también bajo los nombres de "rotor", "turbina" y "ventilador", las hélices y los dispositivos derivados de ellas se emplean para multitud de propósitos: refrigeración, compresión de fluidos, generación de electricidad, propulsión de vehículos e incluso para la generación de efectos visuales (estroboscopio).

El inventor de la primera hélice operativa para propulsar un buque fue el checo-germano Josef Ressel, quien solicitó la patente austriaca el 28 de noviembre de 1826. Astilleros Españoles, S.A. propuso varias formas de mejorar el rendimiento de las hélices marinas, con ganancias, bien en velocidad punta del buque, o en consumo de combustible (Patentes oepm nº 8301333, 0485667, 0492531, y 0500658)

Como evidencia la variedad de denominaciones y campos de aplicación, existe una gran variedad de hélices, en tamaños, pesos, número de palas, velocidad de rotación, ángulo de ataque, paso, etc.

Hay hélices en las que la inclinación de las palas es variable, variación que a su vez puede ser respecto al plano de giro de la hélice ("paso") o respecto al eje de giro de la hélice ("paso cíclico" o simplemente "cíclico"). Para conseguir esto se requieren mecanismos bastante complejos.

En los motores de avión, la propia hélice hace las veces de volante de inercia. En los aviones las hélices son de paso fijo o variable, también tenemos velocidad constante que el paso se regula automáticamente. En las que son de paso variable se regula el ángulo o el paso con una palanca llamado prop se ponen en bandera.

En náutica, nunca se deben instalar hélices con un número de palas múltiplo o submúltiplo del número de pistones del motor, ya que las frecuencias de vibración se acoplarían y podrían romperse.

Como ya se ha dicho, la hélice proporciona una fuerza principal en la dirección de su eje de giro, pero también aparecen otras fuerzas perpendiculares al mismo que provocan ciertas tendencias al movimiento según el lugar donde haya sido montada y otros parámetros diferentes que habría que estudiar.

Peso Flexibilidad Reparabilidad Coste

Composite Bajo Media No es posible Baja

Aluminio Medio Pequeña Fácil Media

Acero Inox Alto Baja Difícil Alto

Bronce Alto Baja Fácil Alto

La cavitación.

Como acabamos de desvelar, se produce cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. ¡El agua verdaderamente hierve pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie.

Tobera

Una tobera es un dispositivo que convierte la energía térmica y de presión de un fluido (conocida como entalpía) en energía cinética. Como tal, es utilizado en turbomáquinas y otras máquinas, como inyectores, surtidores, propulsión a chorro, etc. El fluido sufre un aumento de velocidad a medida que la sección de la tobera va disminuyendo, por lo que sufre también una disminución de presión y temperatura al conservarse la energía. Existen diseños y tipos de tobera muy usados en diferentes campos de la ingeniería, como la de Laval, Rateau, Curtis, etc.

Tipos de toberas

Gustav de Laval. Estudió el flujo supersónico en toberas y resolvió el problema de aceleración máxima dentro de la tobera llegando al diseño de toberas con sección convergente-divergente en las que se logra un flujo sónico M = 1 (M = número de Mach) en la garganta para posteriormente expandir la tobera y lograr flujos

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