|
Por qué flotan los barcos? |
||||
|
De las diez obras que se conocen de Arquímedes (287-212, a.C.) destacan sus dos volúmenes sobre la hidrostática y la flotación. En la mejor tradición de la escuela de Euclides, con cuyos discípulos se educa, basa todo su análisis en dos postulados sencillos y iertamente correctos. A partir de éstos demuestra varios resultados que todavía forman parte del cuerpo de los teoremas básicos de la hidrostática y la estabilidad de cuerpos que flotan. Uno de ellos es el principio que lleva su nombre y establece que ''si un sólido es parcial o totalmente inmerso en un fluido, sufre una fuerza ascendente igual al peso del fluido desplazado''. |
 |
|||
|
Este sencillo enunciado nos permite entender un sinnúmero de fenómenos. Veamos tres de ellos: la flotación de un barco, la flotación de globos meteorológicos de altura fija y la proporción de oro en un anillo de bodas. Pero antes, conozcamos la base para entender estos casos: el principio de Arquímedes. El principio de Arquímedes enuncia que ¿todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascensional que es igual al peso del fluido que desplaza¿. Si pesamos un objeto sumergido en agua utilizando un dinamómetro (aparato que mide fuerzas, en este caso, será el peso), observaremos que el objeto pesa menos que cuando está fuera del agua: el agua está ejerciendo una fuerza vertical hacia arriba que compensa parte del peso del objeto. A esta fuerza se la denomina fuerza ascensional, y es igual en magnitud al peso de la masa de fluido que está desplazando el cuerpo. Depende, además, de la densidad del fluido y del volumen del cuerpo que se sumerge. Así, un objeto sumergido total o parcialmente en un fluido pesa menos que cuando no lo está simplemente porque siempre tenemos esta componente del fluido que empuja el cuerpo hacia arriba, en sentido contrario al de la gravedad; y la reducción en el peso es igual al peso de una cantidad de líquido, de volumen igual al volumen sumergido del objeto.
|
||||
|
Flotación de un barco. |
||||
|
Para empezar, un objeto más denso que un fluido dado, no puede flotar en dicho fluido. Así que, para que un barco flote, es necesario que la densidad del barco sea menor que la del agua, y en efecto lo es porque aunque el barco esté hecho de hierro, hemos de tener en cuenta su volumen total, el cual contiene mucha cantidad de aire, de modo que todo el barco resulta menos denso que el agua del océano. |
 |
|||
|
El exterior del barco está fabricado con materiales mucho más densos que el agua de mar; sin embargo, el volumen total del barco es mayoritariamente aire. Si hacemos media para obtener la densidad total del barco, obtendremos una densidad mucho menor que la del agua, de modo que parte del barco se mantiene fuera del agua. Vemos así, que para contabilizar la densidad de un cuerpo hemos de tener en cuenta cada parte del mismo que desplaza el fluido, incluido el aire que pueda contener. Esta es la clave del asunto. También es cierto que necesitamos para nuestro experimento una gran cantidad de fluido para que el cuerpo que flote pueda desplazar el volumen de fluido requerido: es claro que una persona puede flotar en una piscina pero no en la bañera. En el caso de un barco, puesto que un metro cúbico de agua pesa una tonelada, para hacer flotar totalmente (reducir su peso a cero) a un barco de 1 000 toneladas es preciso que desplace 1 000 m©¯ de agua. Es decir que el volumen del barco, por debajo de su línea de flotación, debe ser de, digamos, ¡un cubo de 10 m por lado! Si es más largo que ancho no tiene por qué estar tan sumergido y será de menor calado. Criterios de estabilidad, también desarrollados por Arquímedes, son algunos de los aspectos que determinan la forma más adecuada para el casco del barco, la parte sumergida Una vez dicho esto, para un objeto cuya densidad es menor que la del fluido, podemos encontrar de manera sencilla el % del volumen del objeto que quedará sumergido. Existe una expresión general para hallar tal fracción Un objeto sumergido en un fluido pesa menos que cuando no lo está porque siempre el fluido empuja el cuerpo hacia arriba, en sentido contrario al de la gravedad de volumen de un cuerpo que queda sumergido: Vol. Que queda Sumergido / Vol. Total del cuerpo = densidad del cuerpo / densidad del fluido Así, por ejemplo, el corcho tiene una densidad de 200 Kg/m^3; al sumergirlo en agua (densidad 1g/cm3), quedará sumergido un quinto del volumen del corcho. Otro ejemplo: la densidad del hielo es de 920 Kg/m^3 y la del agua de mar es 1025 Kg/m^3, de modo que la fracción que queda sumergida de un iceberg es de 89,8%;es decir, que sólo vemos aproximadamente el 10% del volumen total del iceberg, de ahí que su peligro real resida en la parte sumergida, que representa mayor volumen. Por otro lado, además, el agua salada tiene mayor densidad que el agua dulce, por lo que los cuerpos flotarán mejor en agua salada: la fracción es más pequeña y por tanto el % de volumen sumergido será menor. En el caso nuevamente del barco, si vamos cargando el barco, evidentemente iremos aumentando su densidad global, de modo que mediante la fórmula dada para la proporción de volumen sumergido, veremos que la línea de flotación del barco ha disminuido un tanto (el barco se ha sumergido un poco más). Y, evidentemente, llevando las cosas al caso extremo, podemos acabar hundiendo un barco si se produce una perforación y éste empieza a llenarse de agua. ¿Como se mueve el barco de crucero?Hay 3 componentes importantes que intervienen en el movimiento y direccionabilidad del barco: los motores, las vainas de propulsión y el casco.
El barco dispone de 2 azipods ubicados en la parte posterior, los cuales mueven las hélices que lo propulsan. Los motores diesel también proporcionan electricidad al resto del barco, necesidades del hotel y demás servicios auxiliares. • Propulsores • Motores de maniobra • Generadores de agua potable • Servicios del eléctricos del hotel (cocinas, lavandería, iluminación, etc...) • Ventilación y aire acondicionado ¿Como se mueve el barco de crucero?Algunos de los principales componentes de los motores son: • Cigueñal • Bielas • Pistones • Camisas de cilindros • Árbol de levas • Culata • Sistema de inyección Common Rail, • Turbocompresores
Estos componentes trabajan juntos para convertir la energía química (combustible) en energía mecánica (girando el cigueñal). Los motores diesel Common Rail utilizados proporcionan los siguientes beneficios que ayudan a reducir el impacto medioambiental: • Combustión óptima en todos los niveles de carga del motor. • Consumo de combustible reducido. • Niveles de contaminación menores. • Utilización de una gran variedad de combustibles.
El sistema de inyección Common Rail utilizado en los motores es hidroeléctrico por lo que los ajustes y funcionamiento de todos los componentes se realiza por medio de un ordenador. • Potencia: 22.848 caballos. • Nº de cilindros: 16. • Diámetro del cilindro: 460 mm. • Altura del motor: 5,5 mts. • Carrera del pistón: 580 mm. • RPM del turbocompresor: 22.000. • Voltaje: 11.000 voltios/16,8 MW por motor. Total 67,2MW. • Depósito de combustible: 3.134 m3. • Consumo diario: 240 m3 de combustible.
Vainas de propulsiónEn estas fotos se puede ver un azipod. Como ya he indicado anteriormente, el barco dispone de 2 azipods, consistentes en grandes motores eléctricos. • Los motores y generadores suministran electricidad a los motores. • Los ordenadores envían señales a las vainas: • Para iniciar la secuencia de arranque o parada. • A que velocidad girar. • En que dirección moverse. • Los propulsores pueden girar a un régimen de hasta 130 rpm. • Las vainas pueden girar 360 grados.
La utilización de vainas de propulsión o azipods reduce el consumo de energía, consiguiendo los siguientes beneficios: • Mejora en la maniobrabilidad. • Mejor flujo. • Mayor velocidad. • Baja vibración. • Menos ruido. • Ahorro de espacio. • Más confort a bordo.
El cascoEl diseño del casco de un barco tiene un gran impacto en la velocidad de crucero, en el confort y en el consumo de combustible.La clase Solstice se ha diseñado con un enfoque revolucionario para optimizar la eficiencia del casco con las siguientes mejoras: • Interceptor. • El diseño de la mitad anterior del casco. • Cobertura del casco con silicona. 
• Conseguir una profundidad uniforme de la proa. • Trabajar como el spoiler de un coche para reducir el efecto del viento. • Levantar la proa ligeramente y reducir la fricción del casco. • Proporcionar una separación clara del flujo, sin fricciones. • Mejora la forma en que el barco se desliza sobre el agua. • Minimiza las olas en proa. • Reduce la resistencia. • Mejora la eficiencia del combustible.
• Reducir la resistencia de fricción y el consumo de combustible. • Impide el crecimiento de percebes y algas en el casco. • Impide el deterioro de la pintura y el vertido de trozos de la misma al oceano. • Está libre de sustancias tóxicas que pueden dañar la vida marina. • Sus propiedades anticrecimiento reducen la proliferación de especies invasivas. • Optimizar el centro de flotabilidad. • Reducir la resistencia. • Menor consumo de combustible. • Menor generación de emisiones contaminantes.
Mayores consumidores de energía a bordo• Propulsión • Vainas (clases Solstice y Millennium). • Transmisión directa (Clase Century). • Hélices (para mover el barco lateralmente). • Equipamiento auxiliar de la sala de máquinas. • Calefacción, ventilación y aire acondicionado. • Hotel • Iluminación. • Cocinas. • Producción de agua. Lavavajillas y lavandería. • Ascensores. • Aparatos (Televisores, ordenadores, máquinas de café, etc...). • Refrigeración de provisiones (refrigeradores y congeladores).
Eficiencia energética a bordoSe han llevado a cabo las siguientes medidas para reducir la cantidad de energía requerida para operar el barco sin impactar en el bienestar de los pasajeros y en el medio ambiente: • Instalación de iluminación LED y CFL, maximizando la utilización de luz natural. -Reducción en un 80% el consumo eléctrico por iluminación. -Reducción de la carga de climatización al generar un 50% menos de calor. -Reducción de costes debido a la mayor durabilidad de las bombillas LED. • Instalación de equipamiento energéticamente más eficiente. -Refrigeradores y equipos de climatización un 10% más eficientes. -Fabricadores de hielo que utilizan un 50% menos de energía. -Televisores. -Máquinas de café. -Hornos. -Lavavajillas. -Dispositivos para la recuperación del calor generado por los motores diesel para generación de agua caliente. • Instalación cristales especialmente tratados en las ventanas. -Reducción del calor transferido a los camarotes y áreas públicas. -Reducción de la energía consumida en climatización. -Reducción de la radiación ultravioleta en un 99%, protegiendo del sol el interior del barco y el mobiliario. -Mayor posibilidad de iluminar el interior del barco con luz natural. • Formación de la tripulación y concienciación de los pasajeros. -Supervisión del uso del aire acondicionado en el barco y ajuste de los termostatos a niveles de confort. -Apagado de luces y aparatos cuando no se usen. -Cierre de las puertas de los balcones cuando estén abiertas. -Cierre de grifos mientras los pasajeros se asean. -Utilización de las toallas más de una vez. • Instalación de paneles solares. -216 paneles solares ubicados en 5 áreas del barco con una superficie de 500 m2. -Cumplen 2 propósitos, generando energía (45 kWP suficiente para alimentar 7.000 bombillas LED) y suministrando sombra. Otras curiosidades….¿Cuanto ha costado fabricar el Solstice?: Unos 900.000.000 de dólares. Como hemos visto en este artículo los barcos de la serie Solstice de la naviera Celebrity Cruises incorporan los últimos avances tecnológicos en aras de conseguir una mayor eficiencia energética, y por consiguiente, importantes ahorros en costes, maximizando el confort del pasajero y reduciendo el impacto en el entorno medioambiental |
||||
