Barcos y botes

Densidad media

Si la idea del empuje ascendente te sigue pareciendo un poco confusa, vuelve a pensar en la densidad. Imagina que el portaaviones fuera una caja metálica gigante del mismo volumen (como una gran caja de zapatos), llena en parte de motores, aviones, marineros y todo lo demás, de modo que pesara lo mismo. Esa caja flotaría si pesara menos que una caja del mismo tamaño llena de agua; de lo contrario, se hundiría. Así que, en resumen, un portaaviones flota porque pesa menos que el mismo volumen de agua, porque su densidad media es menor que la del agua que lo rodea.

Foto: La forma más sencilla de entender por qué las cosas flotan es olvidarse de Arquímedes y pensar en cambio en la densidad. Un barco flota porque su densidad media es relativamente pequeña. Este barco de transporte militar vacío es en realidad una gigantesca caja metálica vacía. Si dividimos su masa total (su propia masa más la de su contenido) por su volumen, obtenemos su densidad media. Esa densidad es menor que la de una caja metálica sólida o una caja metálica llena de agua, y por eso el barco flota. Foto de Gary Keen, cortesía de la Marina de los Estados Unidos.

¿Por qué no vuelcan los barcos?

Si alguna vez te has subido a un bote de remos atado a un embarcadero, tendrás una idea de lo inestables que pueden ser los barcos pequeños cuando empiezas a cargarlos. Cuando te subes a una embarcación, te conviertes en parte de ella, por lo que alteras su centro de gravedad, haciéndolo instantáneamente mucho más alto. Dado que entras en una embarcación desde un lado, en el momento en que subes a bordo, desplazas el centro de gravedad hacia el lugar en el que estás parado. Una embarcación puede oscilar de un lado a otro con relativa libertad; como tiene flotabilidad positiva, sólo hace falta una pequeña fuerza para que se mueva en el agua. Todas estas cosas combinadas hacen que una embarcación pequeña sea relativamente fácil de volcar (girar sobre su costado y a menudo hundirse). Al sentarse en una embarcación pequeña, se baja el centro de gravedad y se hace más estable.

Foto: Los barcos pequeños pueden ser bastante inestables, incluso con una quilla. El fuerte viento podría hundir esta embarcación, por lo que la tripulación está sentada a lo largo del borde para equilibrar la fuerza de giro con su propio peso. Foto de Chad Runge, cortesía de la US Navy.

Las embarcaciones más grandes no sufren este problema. En primer lugar, suelen tener motores metálicos pesados muy por debajo del nivel del agua, lo que les da un centro de gravedad bajo y los hace más estables. En segundo lugar, tienen una quilla más grande (una tabla vertical que corre bajo el agua, de atrás hacia adelante, a lo largo de la «columna vertebral» central debajo del barco. La quilla ayuda a evitar que una embarcación ruede (se mueva de un lado a otro) o vuelque, ya que significa que se necesita más fuerza para empujar la embarcación lateralmente a través del agua o hacerla girar. La quilla también desempeña un papel en la dirección y propulsión del barco, como veremos en breve.

¿Cómo se mueven los barcos?

La gravedad es la fuerza contra la que tenemos que trabajar cuando caminamos por tierra. Pero si eres un nadador entusiasta, sabrás que no es un problema cuando te mueves en el agua porque tu cuerpo es relativamente flotante: aunque tu cuerpo es mayoritariamente agua, no es todo agua (pesa menos que una bolsa de agua del mismo tamaño). La resistencia al agua es, con mucho, la mayor fuerza contra la que tienen que trabajar los nadadores, y eso también ocurre con las embarcaciones. Cuanto más peso tenga una embarcación, más bajo estará en el agua y más resistencia al agua creará. Por eso las embarcaciones tienen proas afiladas y estrechas (para apartar el agua limpiamente) y bordes delanteros curvados que se aplanan (los elevan fuera del agua a medida que avanzan). Los hidroplanos llevan esta idea al límite utilizando alas bajo el agua para elevar sus cascos y sacarlos del agua a medida que avanzan.

Foto: Un hidrodeslizador es un tipo de embarcación que utiliza alas subacuáticas para generar sustentación a medida que avanza, elevando el casco por encima de las olas para reducir la resistencia del agua. Foto de Mark S. Kettenhofen, por cortesía de la Marina de Estados Unidos.

Al igual que la mayoría de los objetos, los barcos se propulsan aprovechando las tres leyes del movimiento de Newton: 1) No van a ninguna parte a menos que una fuerza de algún tipo los empuje o tire de ellos; 2) Cuando hay una fuerza adecuada, los hace acelerar (moverse más rápido o en una nueva dirección) y una fuerza mayor los acelerará más; 3) Si un barco quiere ir hacia adelante, tiene que aplicar una fuerza de empuje hacia atrás, al igual que hay que patear hacia atrás con un monopatín para salir disparado por la acera (o empujar hacia atrás con las piernas para caminar hacia adelante).

La mayoría de las embarcaciones utilizan uno de los tres tipos de fuerza: remos o pértigas, velas y motores.

Remos y pértigas

Foto: La fuerza humana sigue siendo una forma fiable de propulsar una embarcación, pero a menos que se tenga el mismo número de remos en ambos lados (o se cambie de lado), se moverá más hacia un lado que hacia el otro. Foto de Clay Weis, cortesía de la Marina de los Estados Unidos.

La forma más antigua de propulsión de barcos es la simple fuerza humana. Se puede remar un barco tirando del agua hacia atrás con grandes remos o se puede hacer avanzar algo como una balsa empujando contra un río o el fondo del mar. La fuerza del remo alcanzó su punto álgido con las asombrosas galeras desarrolladas en las épocas griega y romana. Las birremes (tal vez del segundo milenio a.C.) tenían dos plataformas repletas de remos, mientras que las trirremes (inventadas unos cientos de años a.C.) tenían tres, las cuadremes cuatro y las quinquiremes cinco (aunque no se sabe si las embarcaciones con tanta gente dentro, a tal altura, habrían sido estables o eficientes). En cualquier caso, pronto dejaron paso a la vela.

Velas

Si cuelgas las sábanas para que se sequen con viento fuerte, sabrás exactamente cómo funcionan los barcos de vela. En la práctica, eso significa que las velas tienen que colocarse en un ángulo, pero el viento tratará de llevar al barco a ese ángulo en lugar de a la dirección que quiere tomar. La fuerza del viento te empuja en una dirección, así que necesitas otras fuerzas, en otras direcciones, para corregirla y producir una fuerza resultante (combinada) en la dirección que realmente quieres ir. Hay otras dos fuerzas que ayudan. Una es la fuerza de la quilla. Si el viento empuja el barco parcialmente hacia un lado, la quilla empuja contra el agua y ayuda a impulsar el barco hacia delante. También se puede inclinar el timón en la parte trasera del barco para que, cuando el agua lo golpee, salga disparado en ángulo, dirigiendo el barco hacia un lado u otro. (Los timones solían colocarse a la derecha de la embarcación y se llamaban timoneras, razón por la cual el lado derecho de una embarcación, orientado hacia la proa, se sigue denominando estribor hasta el día de hoy; el lado izquierdo se llama babor.)

Foto: Los yates tienen múltiples velas para poder captar el viento de cualquier dirección. Foto de Eric Brown por cortesía de la Marina de los Estados Unidos.

Si se quiere navegar contra el viento, hay que utilizar una vela atriangular o latina colgada en la parte delantera del barco en ángulo con el viento que se aproxima. Cuando el viento golpea la vela, la rodea y acelera; la vela actúa de forma similar a un alerón (la superficie curvada de un ala de avión), lanzando aire alrededor y detrás de ella y empujando la embarcación hacia delante (al igual que el aire descendente de un ala impulsa a un avión hacia arriba).

Motores

Los antiguos navegantes estaban perdidos sin viento, pero ése no es un problema que tengamos ahora, gracias a los motores, que pueden utilizarse para impulsar hélices. Los primeros barcos con motor utilizaban máquinas de vapor de alta presión alimentadas con carbón; los motores modernos son siempre de gasóleo. El único problema real de los motores de combustión interna es que necesitan un suministro constante de oxígeno para quemar el combustible. Sin embargo, hay una solución: se puede utilizar un motor diésel cerca de la superficie para accionar un generador y cargar las baterías, que luego se utilizan para accionar un motor eléctrico y la hélice cuando el submarino está bajo el agua. (La energía nuclear es otra opción y significa que un submarino puede estar bajo el agua durante semanas o meses.)

No todas las embarcaciones con motor utilizan hélices.Los Jet Skis® y los jetfoils (versiones de motos acuáticas de gran tamaño) utilizan motores para accionar impulsores (bombas de agua) que crean un potente chorro de agua que apunta hacia atrás. La fuerza del agua que sale disparada hacia el agua impulsa la embarcación hacia delante, de forma parecida a los gases de escape calientes de un motor a reacción.

¿De qué materiales están hechas las embarcaciones?

Casi todos los materiales que se puedan imaginar se han utilizado para fabricar embarcaciones en algún momento. Las primeras embarcaciones se hacían con pieles de animales, cortezas y maderas; más tarde llegaron las piraguas que se hacían recogiendo la madera de un tronco de árbol cuidadosamente elegido. En la antigüedad, los constructores perfeccionaron el arte de construir embarcaciones a partir de tablas separadas, ya sea fijando los bordes de una tabla a los bordes de las que la rodean como si fueran ladrillos en una pared (lo que se conoce como construcción de caravanas) o, mejor aún, superponiendo las tablas desde la parte inferior hacia arriba (una técnica conocida como construcción de clinker), lo que hace que la embarcación sea más fuerte, más ligera y más rápida. La Revolución Industrial trajo otra gran innovación: la era de los poderosos barcos de hierro y acero. Hoy en día, la mayoría de los barcos modernos se siguen construyendo con acero, aunque es relativamente pesado. Por eso, algunos barcos grandes se fabrican ahora con metales fuertes y ligeros, como el aluminio, mientras que los más pequeños suelen estar hechos de compuestos ligeros, como la fibra de vidrio o plásticos superresistentes, como el Kevlar®.

Trabajo: Los barcos construidos con clinker (izquierda) tienen los tablones superpuestos, lo que da un casco mucho más fuerte; los barcos construidos con carvel (derecha) tienen los tablones unidos de extremo a extremo para formar una superficie exterior lisa.

Una breve historia de los barcos y las embarcaciones

Los enlaces en esta línea de tiempo generalmente le llevarán a más información en Wikipedia y otros sitios.

Prehistoria y tiempos antiguos

• ~10.000BCE: Las primeras embarcaciones incluyen balsas, barcos de piel, cuero y corteza, kayaks y piraguas.
• ~5000BCE-3000BCE: Los marineros mesopotámicos inventan las velas.
• ~3000BCE: Los antiguos egipcios fabrican los primeros barcos con tablas de madera.
• ~2500BCE: Los minoicos y micénicos se convierten en los primeros grandes navegantes oceánicos, explorando el mar Mediterráneo.
• ~1500BCE-27BCE: Los griegos construyen buques de guerra gigantes, como birremes y trirremes.
• 27BCE-400CE: Los romanos construyen galeras, los antiguos ancestros de los buques de guerra modernos, con innovaciones que incluyen un puente elevado.
• ~300BCE: Arquímedes (287-212 a.C.) descubre la ciencia de la flotación.
• 200 a.C: Las velas latinas se utilizan ampliamente en el Mediterráneo (aunque se cree que se inventaron algo antes en el mundo árabe).

Medioevo

• 300: Los vikingos inventan la construcción con clinker.
• 1200: El timón central empieza a sustituir a la «borda».
• 1400-1600: La mayoría de los grandes barcos están construidos en madera y son propulsados por velas, e incluyen los engranajes, los carros, las galeras y los galeones.
• 1620: Cornelis Drebble construye el primer submarino de madera.
• Siglo XV: Los grandes viajes de Cristóbal Colón (1451-1506),Vasco da Gama (1460-1524),Fernando de Magallanes (1480-1521),y otros son pioneros en la exploración y circunnavegación de los océanos.

La gran época de la navegación

Foto: El USS Constitution, apodado «Old Ironsides», es una fragata (buque de guerra) clásica de tres mástiles que data de 1797.Retirado hace tiempo del servicio militar, es ahora un fascinante museo en Boston. Foto de Kathryn E. Macdonald por cortesía de la US Navy.

• 1777: Se construye el primer barco con casco de hierro (en Inglaterra).
• 1783: El marqués de Abbans (1751-1832) construye el primer barco de vapor.
• Siglo XIX: Se establecen servicios regulares de «transporte marítimo de paquetes», con horarios de navegación. Los veloces clíperes establecen récords de navegación.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) establece un récord de viaje de Nueva York a Albany con un barco de vapor llamadoClermont.
• 1819: El barco de vapor SS Savannah cruza el Atlántico en un tiempo récord de 29 días.
• 1836: Francis Pettit Smith (1808-1874) y John Ericsson (1803-1889) inventan (de forma independiente) las hélices modernas.
• 1837: El Great Western, un gigantesco buque de vapor construido por Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) se convierte en el primer barco de hierro que cruza el Atlántico.
• 1850: El constructor naval inglés John Jordan construye probablemente el primer barco compuesto añadiendo un revestimiento de tablas de madera sobre una estructura de hierro.
• 1870-1898: John Holland diseña y construye el primer submarino práctico con motor, pero tiene dificultades para convencer a la Marina estadounidense de su potencial.
• 1877: El inventor inglés John Thornycroft patenta una primera forma de aerodeslizador basada en un lirio flotante.
• 1884: Sir Charles Parsons inventa una máquina de vapor altamente eficiente llamada turbina de vapor. En 1897, desarrolla una lancha motorizada con turbina de vapor llamada Turbinia.
• 1886: El pionero alemán del automóvil Gottlieb Daimler utiliza un motor de gasolina para propulsar un barco.
• 1886: Se construye y bota en Gran Bretaña el Gluckauf, uno de los primeros petroleros oceánicos.
• 1880: El oficial naval sueco retirado Charles G. Lundborg inventa los barcos SWATH (smallwaterplane area twin hull), que se desplazan por encima de las olas sobre dos cascos sumergidos.

Barcos modernos

• ~1900: La gente adinerada disfruta de la romántica y lujosa época de los viajes por el océano a bordo de transatlánticos como el Mauretania, el Lusitania y el Aquitania.
• 1906: Enrico Forlanini inventa el hidrodeslizador y el pionero del teléfono Alexander Graham Bell participa en su desarrollo.
• 1912: Un transatlántico de lujo «prácticamente insumergible» llamado Titanic pasa a la historia como la catástrofe oceánica más famosa de todos los tiempos al chocar con un iceberg y hundirse, matando a más de 1.500 personas.
• Década de 1930: Los alemanes desarrollan el snorkel, un tubo de respiración que permite que los motores diesel de los submarinos funcionen bajo el agua, reduciendo el riesgo de ser detectados.
• 1943: Se utilizan por primera vez motores marinos de turbina de gas.
• 1955: La Marina estadounidense lanza el primer submarino de propulsión nuclear, el USS Nautilus.
• 1956: El Ideal X, el primer buque portacontenedores, es botado desde Newark, NJ.
• 1959: El aerodeslizador de Christopher Cockerell realiza su viaje inaugural.
• 1960: Jacques Piccard y el teniente Don Walsh, de la Marina estadounidense, se sumergen hasta unos 11 km en la parte más profunda de los océanos, la Fosa de las Marianas, en el Trieste, un buque de buceo súper reforzado (batiscafo).
• 1962: El barco FLIP de la Institución Scripps se utiliza por primera vez para estudiar el movimiento de las olas del océano.
• 1964: La Institución Oceanográfica de Woods Hole, en Massachusetts, desarrolla un sumergible científico de inmersión profunda llamado Alvin, que comienza a explorar el océano hasta profundidades de casi 5 km (3 millas).
• 1978: Se lanza el buque de exploración científica JOIDESResolution, que permite a los científicos explorar el fondo marino con más detalle que nunca.
• 1992: La Marina estadounidense desguaza el último de sus buques de guerra gigantes, el USS Missouri.
• 1993: La US Navy lanza un barco furtivo experimental e invisible al radar llamado Sea Shadow, basado en un diseño SWATH. En 2011, la Armada anuncia su intención de desechar el buque.
• 2012: El MS Tûranor PlanetSolar, de fabricación alemana, se convierte en el primer vehículo impulsado por células solares fotovoltaicas que da la vuelta al mundo.
• 2014: El Norled MF Ampere, el primer transbordador de automóviles y pasajeros del mundo totalmente eléctrico y alimentado por baterías, comienza a operar en Noruega y ahorra un millón de litros de gasóleo al año.