INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA DE LA NAVEGACIÓN A VELA J. J. Ruiz-Lorenzo Departamento de Física Universidad de Extremadura http://www.unex.es/fisteor/juan IES Sierra la Calera (Santa Marta) 15 de Abril de 2010 J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 1 / 30 Plan de la charla Tipos de navegación (a favor y en contra del viento). J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30 Plan de la charla Tipos de navegación (a favor y en contra del viento). Experimento. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30 Plan de la charla Tipos de navegación (a favor y en contra del viento). Experimento. Fuerzas sobre objetos en fluidos (vela, quillas y alas): flotabilidad (Arquímedes), resistencia y sustentación. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30 Plan de la charla Tipos de navegación (a favor y en contra del viento). Experimento. Fuerzas sobre objetos en fluidos (vela, quillas y alas): flotabilidad (Arquímedes), resistencia y sustentación. Equilibrio de un barco. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30 Plan de la charla Tipos de navegación (a favor y en contra del viento). Experimento. Fuerzas sobre objetos en fluidos (vela, quillas y alas): flotabilidad (Arquímedes), resistencia y sustentación. Equilibrio de un barco. Predicción de la velocidad del barco a vela. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 2 / 30 Tipos de navegación a vela J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 3 / 30 ¿Es posible navegar en contra del viento? J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 4 / 30 ¿Es posible navegar en contra del viento? J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 4 / 30 Experimento: ¿Fuerza sobre una vela navegando en bolina? J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 5 / 30 Experimento: ¿Fuerza sobre una vela navegando en bolina? J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 5 / 30 Experimento: ¿Fuerza sobre una vela navegando en bolina? J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 5 / 30 Flujo alrededor de un sólido J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 6 / 30 Curvatura del flujo alrededor de un sólido J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 7 / 30 Principio de Bernouilli Principio de Bernouilli: 1 p + ρv 2 = Constante en la linea de corriente 2 Conservación de la cantidad de fluido: ρAv = Constante J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 8 / 30 Principio de Bernouilli (Aplicación) (I) Efecto Venturi: J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 9 / 30 Principio de Bernouilli (Aplicación) (II) Alas/Velas/Quilas: J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 10 / 30 Animación: Flujo de aire sobre un ala Animación: Flujo de aire sobre un ala J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 11 / 30 Sustentación (quillas/velas) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 12 / 30 Alas/Velas/Quillas en 3D J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 13 / 30 Aerodinámica de la quilla J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 14 / 30 Vórtices generados por las alas (I) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 15 / 30 Vórtices generados por las alas (II) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 16 / 30 Vórtices generados por las alas (III) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 17 / 30 Vórtices generados por las velas J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 18 / 30 Principio de Arquímedes J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 19 / 30 Principio de Arquímedes J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 19 / 30 Resistencia J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30 Resistencia De forma. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30 Resistencia De forma. De fricción. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30 Resistencia De forma. De onda. De fricción. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30 Resistencia De forma. De onda. Inducida. De fricción. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30 Resistencia De forma. De onda. Inducida. De la capa límite. De fricción. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30 Resistencia De forma. De onda. Inducida. De la capa límite. De fricción. Nota: Resistencia de perfil=Resistencia de la capa límite + Resistencia de fricción. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 20 / 30 Resistencia inducida (estela turbillonaria) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 21 / 30 Resistencia inducida (estela turbillonaria) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 21 / 30 Resistencia de onda (estela del barco) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 22 / 30 Ondas J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30 Ondas p p Mar profundo: v = 2.5 λ(m) kt. T = 0.8 λ(m) s. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30 Ondas p p Mar profundo: v = 2.5 λ(m) kt. T = 0.8 λ(m) s. Las olas más grandes (en long. onda) se mueven más rapido. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30 Ondas p p Mar profundo: v = 2.5 λ(m) kt. T = 0.8 λ(m) s. Las olas más grandes (en long. onda) se mueven más rapido. p Mar poco profundo: v = 6.1 d(m) kt. Todas las olas se mueven a la misma velocidad (por ejemplo, en la orilla). J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 23 / 30 Diagrama de Fuerzas J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 24 / 30 Diagrama de Fuerzas Equilibrio (mov. uniforme): X Fi = 0 i J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 24 / 30 Momentos J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 25 / 30 Momentos J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 25 / 30 Momentos Equilibrio: X Mi = 0 i J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 25 / 30 Viento Real/Aparente J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 26 / 30 Viento Real/Aparente J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 26 / 30 Viento Real/Aparente Ecuación General: vreal = vaparente + vbarco J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 26 / 30 ¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que la velocidad real del viento? (I) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 27 / 30 ¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que la velocidad real del viento? (I) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 27 / 30 ¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que la velocidad real del viento?(II) Hydroptére consiguió el record del mundo (4/9/2009), sosteniendo una velocidad de 51.36 kt durante 500 m en 30 kt de viento. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 28 / 30 ¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que la velocidad real del viento?(II) Hydroptére consiguió el record del mundo (4/9/2009), sosteniendo una velocidad de 51.36 kt durante 500 m en 30 kt de viento. El 8/11/2009 rompió la barrera de los 50 kt durante 1 NM con una velocidad de 50.17 kt. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 28 / 30 ¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que la velocidad real del viento?(II) Hydroptére consiguió el record del mundo (4/9/2009), sosteniendo una velocidad de 51.36 kt durante 500 m en 30 kt de viento. El 8/11/2009 rompió la barrera de los 50 kt durante 1 NM con una velocidad de 50.17 kt. J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 28 / 30 ¿Puede un barco navegar a mayor velocidad que la velocidad real del viento?(III) J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 29 / 30 Video Promocional del Hydroptére Video Promocional del Hydroptére J. J. Ruiz-Lorenzo (UEx) FÍSICA de la NAVEGACIÓN a VELA Aulas de Vela-2010 30 / 30