Tema siguiente Tema anterior Ir a índice del tema Ir a página principal PROYECTO ONA, VELERO AVANZADO DE RADIOCONTROL Parte III - ORZA, BULBO Y TIMÓN La orza tiene una función primordial en un velero; la de evitar que sea arrastrado hacia sotavento por la acción del viento sobre las velas. Este arrastre es máximo en ceñida y va disminuyendo hacia el través, anulándose completamente al navegar en popa. La orza actúa de igual manera que el ala de un avión. Al cortar los filetes de agua en un pequeño ángulo de ataque produce una "sustentación" lateral que empuja al velero hacia barlovento. La Fig. 6, muestra su acción. El componente total lo llamaremos "FT" y puede descomponerse en dos fuerzas complementarias. El vector "S" es perpenticular a la dirección del avance y nos compensa el abatimiento, dejándolo reducido a un valor que ronda los cinco grados en un velero normal. La fuerza "R" es la resistencia que provoca una disminución de la velocidad. Por lo tanto, la mejor orza será aquella que genere un valor máximo de "S" y mínimo de "R". Fig. 6 - Orza y fuerzas que actúan sobre ella Algunos veleros de antiguo diseño no llevan orza. En este caso es el mismo casco que hace esta función, con la ventaja adicional de mantener una buena estabilidad de rumbo. Pero esto se paga con una mayor resistencia al avance que disminuye la velocidad y el ángulo de ceñida. Esta forma de casco sólo resulta interesante para largas travesías oceánicas en las que ambos factores pueden considerarse secundarios.  La OBRA VIVA de un buque, o sea su parte sumergida tiene una cierta ÁREA LATERAL cuya importancia es trascendental a la hora de diseñar una orza, puesto que esta área lateral también colabora a compensar el abatimiento pero a costa de una resistencia mucho más alta. Por lo tanto, en un velero de regatas se debe intentar reducirla al mínimo y aumentar en cambio la superficie de la orza que realiza el mismo trabajo con mucha más efectividad. Fig. 7 - Formas de pantoque y tamaño de orza  En la figura 7 los tres buques tienen igual área lateral, pero la RESISTENCIA LATERAL y por lo tanto la "sustentación" será diferente en cada caso. En 1 es mayor que en 2 y ésta a su vez mayor que en 3. Por lo tanto el buque 1 podrá llevar una orza de menor superficie que el 3 aunque este último tendrá sin duda mejores características de ceñida y velocidad. Muchos regatistas dicen que las carenas de PANTOQUE VIVO (la 1 y la 2) ciñen mejor que las redondas ( 3 ), pero con estas opiniones sólo demuestran su absoluta ignorancia de las leyes de la hidrodinámica. Este fenómeno sólo se daría en el caso que por un fallo en el diseño se hubiera equipado el tercer casco con una orza insuficiente para su tamaño y velocidad, error que debería corregirse en vez de hacer caso a opiniones personales totalmente faltas de objetividad. Hasta ahora he hablado de la superficie de la orza pero no de su ALARGAMIENTO. Ésta puede ser corta y de bajo calado o estrecha y profunda. En un buque de regatas debe parecerse lo mas posible a este último caso, puesto que a igual superficie posee un mayor rendimiento y facilita virajes más rápidos con un golpe de timón. De todas formas esta tendencia tiene ciertos límites puesto que al aumentar la longitud se crean importantes problemas de rigidez y al estar mas bajo el punto en donde actúa la fuerza R, se pueden crear un par de cabeceo que con viento fuerte y alta velocidad acabe hundiendo la proa en el agua. En los veleros de radiocontrol de la clase "M", las medidas de profundidad de la orza suelen variar entre cuarenta y setenta centímetros, dependiendo de la forma del casco, el peso del lastre de plomo, la altura del aparejo y el viento reinante en el momento de la regata. Una vez hemos definido la superficie y longitud de la orza, voy a hablar sobre varios tópicos y malentendidos que normalmente circulan de boca en boca en los escenarios de regatas. Unos echan la orza hacia atrás, otros hacia adelante y otros totalmente recta. Los hay quienes alaban las formas trapezoidales o elípticas, y esto porque aún no se ha puesto de moda el diente de sierra o la forma de cimitarra oriental. Cuando alguien gana una regata y comienza a cantar las excelencias más o menos exageradas de este apéndice, suele provocar una sensación de intranquilidad en los demás, que no van a tardar mucho en correr al carpintero de la esquina para que les corte un nuevo trozo de contrachapado con el que emular las hazañas del campeón. Fig. 8 - Seis tipos de orza  En la fig 8 se muestran algunas de las orzas más habituales que podemos observar en las regatas. De ellas, la mejor es sin duda la primera, totalmente recta y vertical, aunque no hay problema en adoptar la número 2 para trimar el velero con la posición del centro velico, o para desplazar el bulbo de plomo y poder variar a voluntad el asiento de al embarcación. La forma número seis tampoco es mala puesto que al tener una cuerda reducida en los extremos, en teoría causará menos remolinos, pero esta orza es difícil de construir y puede dar problemas de rigidez en sus partes extremas que para más "inri" son las que soportan los mayores esfuerzos de flexión. El resto también funcionarán, naturalmente, pero también lo haría una paleta de ping-pong colocada en su lugar, la diferencia está cuando observamos como un velero teoricamente igual al nuestro se nos escapa en la ceñida sin que podamos hacer nada por evitarlo. Un punto conflictivo y bastante importante son las uniones de la orza con el casco y con el bulbo, y no me refiero a la unión mecánica en sí, sino al brusco cambio de forma que es el causante de importantes turbulencias. Para evitarlo se utilizan las formas denominadas RÁCORES DE KARMAN que tienen la misión de adaptar las dos superficies eliminando los ángulos bruscos entre ellas. Con una orza recta y rácores de este tipo se consiguen mejores resultados que utilizando una orza de planta elíptica (número 6) que pese a su rendimiento también posee los inconvenientes reseñados anteriormente. Fig. 9 - Rácores de Karman  El siguiente factor a considerar es la sección de la orza, puesto que ésta tiene que cortar el agua con la mayor limpieza posible, sin causar remolinos que nos aumenten la resistencia al nuestro avance. Cuántas veces he visto auténticas "tablas" utilizadas como orza, o que en el mejor de los casos han sido afinadas delante y detrás. Un velero equipado con estos engendros raramente irá por delante de otro bien construido. La efectividad "lateral" de una orza plana es solo del 80% de una aerodinámica de igual tamaño y su resistencia al avance puede llegar ha ser tres veces mayor. Fig. 10 - Cuatro tipos de sección de orza  Para el ONA he construido dos orzas de perfil aerodinámico: A (50) 37 x 10 cm. con una superficie de 370 cm cuadrados B (71) 58 x 7.5 cm. con una superficie de 435 cm cuadrados El procedimiento para confeccionarlas es el siguiente: 1) Una vez definidas las medidas, se dibuja sobre un tablero impermeable o madera de balsa, de 10 mm. de grosor. Teniendo en cuenta las vetas exteriores de la madera para que coincidan en sentido longitudinal, esto mejora la resistencia a la flexión. 2) Una vez cortada procederemos a darle la forma aerodinámica. Es difícil que el perfil coincida exactamente con el Gottingen 444, pero conseguiremos casi los mismos resultados si procuramos no alejarnos mucho de él. Yo utilizo un truco para conseguir unos perfiles aceptables. El sistema consiste en dibujar sobre la madera tres rayas longitudinales situadas al 20% , 40% y 65% de la cuerda total para el caso del Gottingen 444, y al 15%, 33%, 55% para el Junkers K-47. Con un cepillo de carpintero o una raspa, voy eliminando el material sobrante para que me quede como la Fig 11, y después utilizo una lijadora orbital para igualar las superficies. Fig. 11 - Formas de confeccionar el perfil  Para la construcción de mi orza no utilicé‚ contrachapado sino madera de balsa de baja densidad, consiguiendo un ahorro de peso de 200 gramos sólo en este componente. Es un error pensar que su peso importa poco por la sencilla razón de estar sumergido. Cualquier ganancia que consigamos es un grano de arena que contribuirá a que nuestro velero navegue más adrizado, en todo caso si falta peso total, este debe añadirse al bulbo de plomo, donde contribuye al par de adrizamiento, no en el resto del casco y arboladura en donde solo favorece la escora. 3) Si el material elegido es la madera de balsa, tanto en la parte superior como en la inferior será necesario añadir refuerzos de contrachapado para sujetar los tornillos de fijación al casco y al bulbo de plomo. Dichos refuerzos tendrán el mismo perfil que el resto y estarán pegados con ARALDIT. Para la sujeción con el casco, una vez acabado este proceso, efectuaremos un corte en forma de "T" invertida en la parte superior, en donde irá encastrado y pegado con ARALDIT un tornillo de acero inoxidable de 4 mm de diámetro, con la rosca hacia arriba. Este tornillo, una vez insertada la orza en su caja, sobresaldrá como un espárrago sobre la cubierta, donde se sujetará mediante una palomilla. Un consejo importante: nunca utilizar tornillos de latón para esta función, puesto que el día menos pensado acabará rompiéndose, lo cual provocará la pérdida de la orza al hundirse hasta el fondo y naturalmente el vuelco de la embarcación. La sujeción del bulbo plantea problemas distintos, puesto que a más del esfuerzo de flexión aparece el de torsión. Yo lo sujeto con dos espárragos de acero inoxidable que atraviesan el bulbo hasta enroscarse en dos tuercas encastradas en la parte baja de la orza. Otro sistema consiste en efectuar un corte rectangular en el bulbo para que pueda encajarse la orza en su interior, después se hace firme con dos pasadores laterales. Este procedimiento tiene el inconveniente de que el bulbo pierde bastante peso, por lo que deberemos darle mayores medidas que provocarán un incremento de la resistencia. Fig. 12 - Sujeciones de la orza y del bulbo  Una vez acabadas las sujeciones procederemos con el revestimiento. La madera por si sola no tiene suficiente resistencia para aguantar las enormes tensiones que se producen con la escora. Como dato informativo diré que una orza de 60 cm. de longitud libre, 1 cm. de grosor y un bulbo de 3,5 Kg. puede llegar a soportar tensiones de flexión de 217 Kg en las cercanías de la caja de orza. Para el revestimiento utilizaremos exclusivamente tejido ROVIG, puesto que por la especial disposición de sus fibras es el que mejor se adapta a esta función. La orza de 50 cm. la reforcé con tres capas paralelas entre sí, pero la de 70 cm. estaba sujeta a un esfuerzo adicional de torsión a causa de la posición atrasada del bulbo. La solución consistió en dar cinco capas de ROVIG, la primera, tercera y quinta en sentido longitudinal y la segunda y cuarta con la trama inclinada 45 grados respecto a las anteriores. Fig. 13 - Tramas de fibra: longitudinal e inclinada  La orza acabada y con el bulbo de plomo sujeto en su parte baja. En concreto, corresponde al segundo modelo de orza que realicé, de 70 cm. de longitud  El bulbo es otra pieza importante. Los primeros veleros del tipo Hispaniola que pude ver, los portaban curiosísimos. Como un enorme huevo de fibra de vidrio relleno con perdigones, o una especie de cruce entre una plomada de albañil y un misil estratosférico. En general nada que tuviera una forma prometedora. Para solucionar el problema acudí nuevamente a mis fuentes de información, que en este caso encontré abundante y precisa en el "MANUAL DEL CONSTRUCTOR DE MAQUINAS", un volumen alemán del año 1941, que pese a su antigüedad no tiene desperdicio. Partiendo de los datos analizados diseñé un bulbo de forma aerodinámica con un alargamiento (relación entre la longitud y el diámetro) que rondaba el factor 5, el cual posee el mayor volumen con la mínima resistencia al avance. En este caso no utilicé un perfil tan fino como el Gottingen 444 puesto que no precisaba ningún empuje lateral, solamente concentrar el peso en plomo en el mínimo volumen posible, sin que interfiriera en gran manera el avance de la embarcación. Un problema importante fue el de relacionar las medidas del bulbo con su peso. Para ello no encontré ninguna fórmula que pudiera ayudarme, y por lo tanto tuve que desarrollarla. Al ser una figura bastante irregular era difícil hallar su volumen. La solución consistió en descomponerla en cincuenta discos rectangulares que sí eran fácilmente medibles, y despreciando el error producido por el "escalón" de diámetros pude obtener resultados de una precisión aceptable. Fig. 14 - Perfil del bulbo y relación de diámetro, longitud y peso  De todas formas, el error final en el peso puede oscilar alrededor del 15%. Ello es debido a que el plomo industrial que encontraremos en una chatarrería, contendrá proporciones variables de estaño, cuya densidad es de 7,2 en vez de 11,4 indicado para el plomo. Otro factor de error consiste en la misma dilatación del metal, puesto que el plomo liquido, al dilatarse, baja su densidad hasta 10.6, un 9% menos que en su estado sólido. Sin duda conseguiríamos mejores resultados utilizando uranio empobrecido, oro o platino, puesto que sus densidades son respectivamente 19.05, 19.3 y 21.4 g/cm3. El uranio tiene un precio que ronda los 70 dólares el kg, pero es difícil de encontrar, y en cuanto al oro o al platino, no creo que nadie esté dispuesto a arruinar su economía por un simple hobby, por muy apasionante que pueda parecer. Márgenes aparte, con mi fórmula Peso= 24,7 x el diámetro elevado al cubo, y sabiendo que la longitud era 5 veces el diámetro, ya tenía una cierta referencia de las medidas a utilizar. El siguiente paso fue confeccionar un bulbo de madera de pino que sirviera como contramolde para fundir la pieza definitiva. Para dar la forma correcta utilicé de nuevo el sistema de las marcas al 15%, 33% y 55% de la cuerda total, lo afiné con una raspa y lo lijé hasta conseguir la forma adecuada. A partir de aquí intenté confeccionar un molde de yeso, pero fue un auténtico fracaso. El resultado no tenía ni la más mínima consistencia y se desintegraba con sólo tocarlo con los dedos. Consulté a varios expertos en el tema y unos me dijeron que había que "matar" el yeso con una cierta cantidad de agua arrojada en forma muy precisa sobre la masa. Para otros no había que hacerlo así sino todo lo contrario, echando el yeso sobre el agua. Lo intenté de ambas maneras y sólo conseguí reproducir lo que debía parecer un ritual pagano de ofrecimiento a los dioses. Por fin alguien me dijo que no debía utilizar yeso sino escayola, esperar varios días a que se secara antes de cortarlo, y calentarlo en un horno cada vez que se quisiera utilizar. O esto, o la alternativa de acudir a un profesional de la fundición que me solucionase el problema. Todo ello lo vi muy complicado. Nunca he sido de los que tardan dos años en construir una maqueta, no tengo paciencia para ello. Mi trabajo tiene que rendir sin perder excesiva precisión. Creo que en este aspecto he conseguido un cierto compromiso entre acabado, eficiencia y tiempo invertido. Por otra parte me horroriza el tener que depender de ciertos profesionales, puesto que la mayoría representan la informalidad personificada, aparte de ciertos casos increíbles de incompetencia que prefiero no recordar. En vista de todo ello me puse a pensar y encontré lo que denomino el "MOLDE INSTANTÁNEO". Éste consiste en cubrir el contramolde de madera con papel de aluminio doméstico e incrustrarlo en una maceta llena de tierra de jardín o arena. Después, con cuidado se extrae el contramolde y queda un bonito hueco para rellenar con el metal fundido. Naturalmente una forma como la del bulbo tiene que hacerse en dos partes puesto que el molde conseguido no es "cerrado" sino que está dispuesto como la Fig.15. Fig. 15 - Molde "instantáneo" para la confección del bulbo y procedimiento de fundición  Con este sistema fundí varios bulbos de plomo de un peso aproximado de 3,5 Kg. en menos de media hora. Después soldé‚ las dos piezas con un equipo de autógena, igualé la forma con una raspa y lo cubrí con una capa de masilla AKEMI de dos componentes que aumentó la dureza de la superficie. Bulbo de plomo semejante los que fundí. Éste lleva el sistema de sujeción por ranura  La masilla AKEMI tiene la propiedad de contener finísimos hilos de fibra de vidrio en su interior, por esta causa es mucho más fuerte que su hermana ROCADUR y no se agrieta ni se desprende del plomo al más mínimo golpe. Esta capa es totalmente necesaria, puesto que el plomo es tan maleable que no sujeta bien la pintura y al poco tiempo presenta un aspecto lamentable, con una superficie erosionada por rayas y pequeñas incrustaciones. En este punto realicé una pausa en la construcción del ONA y me dediqué, a confeccionar unos diagramas de estabilidad y par de adrizamiento. Estos datos los calculé a partir de sencillas fórmulas sobre la palanca que como todos saben se remonta al tiempo de Arquímedes y no tienen ningún secreto especial. El primer diagrama (Fig. 17-1) muestra el par de adrizamiento provocado por diferentes orzas, diferentes lastres y su variación con la escora del barco. Los datos obtenidos por este sistema no son del todo fiables, puesto que en ellos no interviene la estabilidad propia del casco por desplazamiento del centro de flotación, que puede llegar a ser importante en caso de veleros de manga generosa y carena bastante plana. Sin embargo, al ser el ONA de carena redondeada no creo que los resultados calculados se aparten mucho de la realidad. El siguiente grafico, (Fig 17-2), es independiente de la forma y desplazamiento del casco mientras ambos factores se mantengan iguales en las dos medidas y muestra una relación de escoras. En el eje "Y" están anotados los ángulos de escora obtenidos utilizando una orza de 50 cm. y el eje "X" nos dice la escora que provocarían las mismas condiciones de navegación en el caso de cambiar esta orza por otra de 70 cm. de longitud. Como podemos observar, para ángulos pequeños la diferencia es mínima, pero ésta crece de forma exponencial al aumentar la escora, consiguiendo ganancias de hasta cuarenta grados en el caso de que el palo llegue a la horizontal. En otras palabras, mientras que una racha de viento nos puede provocar una escora de 90 grados con una orza de 50 cm, la misma racha sólo provocará una escora de 50 grados en el caso de equipar el velero con una orza de 70 cm. La diferencia es enorme y representa perder el control en el primer caso y mantener una buena estabilidad de rumbo en el segundo. El siguiente diagrama (Fig. 17-3), es una derivada de los valores anteriores y representa la diferencia o ganancia de estabilidad que conseguimos al cambiar la orza. Fig. 17 - Curvas de par de adrizamiento y de estabilidad para el casco del ONA  Perforar el bulbo con dos agujeros de 5 mm. para los espárragos de sujeción, fue un proceso laborioso, puesto que las brocas tenían tendencia a embotarse con las virutas de plomo y quedaban fuertemente bloqueadas. Para hacerlo correctamente lo mejor es utilizar un taladro con reductora o regulador de velocidad de par constante, procediendo a las mínimas revoluciones posibles, comprobando constantemente la perpenticularidad y que los agujeros de salida coincidan con la distancia de las tuercas incrustadas en el refuerzo de la orza. Después de esto le tocó el turno al timón. Este debe tener casi las mismas características que la orza, forma recta o mejor ligeramente trapezoidal para disminuir la influencia del VÓRTICE MARGINAL y un perfil lo mas semejante posible al Gottingen 444, de mínima resistencia y máximo empuje lateral. El vórtice marginal es un torbellino que se produce en los extremos de las superficies sustentadoras, como alas, orzas o timones, y la resistencia causada por su acción puede alcanzar un 10% del total. El caso de nuestra orza es distinto, porque está acabada con un bulbo que elimina la perturbació pero en el timón no existe tal apéndice. Existen varios sistemas para reducir su influencia, como sería adoptar "winglets" como las alas de ciertos aviones, o colocar "aletas" como las orzas de la Copa América, pero el sistema más sencillo es disminuir la cuerda en un cierto porcentaje a medida que nos acercamos al extremo. Este porcentaje no está muy claro y puede rondar sobre el 40% como máximo. En todo caso es un valor experimental que podrá variar con las dimensiones del timón y el tipo de perfil utilizado. Fig. 18 - Vórtice marginal y forma de eliminarlo  El timón debe tener la mínima superficie posible, aunque este es un dato difícil de decidir puesto que unas ciertas medidas adecuadas para un barco bien equilibrado y con vientos medios, puede volverse claramente insuficiente con vientos duros en los momentos de poca arrancada y ser excesivo pocos instantes después, al navegar a la máxima velocidad. Yo prefiero disponer siempre de una generosa superficie de gobierno, puesto que el pequeño perjuicio que pueda causar el incremento de resistencia se ve compensado con creces por la facilidad y rapidez de la maniobra, pudiendo compensar el rumbo con escoras importantes y evitando las temidas orzadas que nos dejan el barco atravesado al rumbo, proa al viento y completamente parado. Otra de las situaciones en que se agradece llevar un timón sobredimensionado es al transluchar con vientos duros, puesto que en ocasiones, con el foque y la mayor situadas a sotavento puede ser totalmente imposible completar la maniobra. Para la construcción del timón utilicé tablero impermeable de 5 mm. de grosor, ya que su tamaño no justifica complicarse la vida con balsa y fibra de vidrio. La forma aerodinámica adecuada se la di con el habitual sistema de las tres rayas verticales aplicado en la costrucción de la orza y el bulbo. El primer timón que probé‚ tenia 4 x 20 cm. con una superficie de 80 cm. cuadrados y en las pruebas posteriores se demostró insuficiente. Más tarde lo sustituí por otro de mayores dimensiones ( 7 x 30 cm. y 210 cm2), lo que representa un 262% más, consiguiendo una increíble mejora en su comportamiento. El timón no debe girar mucho, a lo sumo treinta grados puesto que a partir de este punto decrece la fuerza lateral y aumenta en gran medida la resistencia. El timón debe estar compensado, esto es, que el eje de giro y su prolongación a lo largo de la pala está situado a una distancia aproximada de 1/3 de la cuerda total, dejando parte de la superficie a "proa" del eje. Esto compensa el esfuerzo mecánico que debe hacer el servo correspondiente, disminuyendo el consumo de corriente y aumentando la rapidez del giro. El ciertos casos se pueden presentar fenómenos de oscilaciones a altas velocidades, esto es debido a que el centro de presión de la pala se desplaza hacia proa al incrementar el ángulo de ataque, el ángulo del timón se ve forzado a aumentar hasta llegar a un máximo y después invierte su movimiento. Este defecto se agrava al utilizar unas trasmisiones poco rígidas entre el servo y el eje del timón, y puede solucionarse construyendo una nueva pala el la que el eje de giro esté situado más hacia proa, por ejemplo un 20% de la cuerda en vez del 33% habitual. La flexión del eje del timón puede llegar a ser importante en maniobras bruscas y más aún por golpes fortuitos durante el transporte del velero, por este motivo utilicé‚ varilla de CUERDA de PIANO de 4 mm. de diámetro, que es un tipo de acero extremadamente fuerte y resistente. NUNCA utilizar cobre o latón para esta función, incluso el acero inoxidable de diámetró inferior a 5 mm. es totalmente desaconsejable. Fig. 19 - Curvas de acción y compensación del timón  Las curvas de la parte superior, con origen en el punto "C", representan la resistencia que el timón ofrece al giro para diferentes posiciones del eje respecto a al cuerda máxima. La curva (1) representa un timón sin compensar, con el eje de giro en el borde de ataque. La curva (2) representa la compensación óptima, en la que el servo efectúa el mínimo trabajo mecánico. La curva (3) es la de un timón sobrecompensado, que causará oscilaciones, inestabilidad y brusquedad en el rumbo del velero. Las curvas de la parte inferior nos muestran la acción de giro del timón (4) y su resistencia al avance (5), la cual aumenta de forma desproporcionada cuando el ángulo de ataque respecto al agua es superior a 30 grados. Tema siguiente Tema anterior Ir a índice del tema Ir a página principal
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