¿Cuál es la importancia de la proa bulbosa de los barcos?

Una cosa que a menudo llama la atención de un hombre común con respecto a la mayoría de los barcos, es el bulbo como la proyección en el extremo delantero de la nave, a menudo por debajo de la línea de flotación. No hay duda de que en algún momento de su vida se ha preguntado por la razón de la presencia de esta estructura. Pues bien, como generalmente se asemeja a la forma de la bombilla, y siempre se coloca en la proa del barco, se le conoce como Proa Bulbosa.

Volvamos la vista atrás hasta dentro de unos cien años. ¿Recuerdas el Titanic? Habrás observado que no tenía una proa bulbosa. Pero intente echar un vistazo a las proas de los cruceros modernos, los portacontenedores, los buques de gas natural licuado, los buques de investigación, etc. Todos ellos se caracterizan por tener una proa bulbosa. No sólo los barcos monocasco, hoy en día casi incluso los catamaranes están equipados con una proa bulbosa en lugar de una proa recta. ¿Por qué?

Cuando un barco se sobrepone, genera sus propias ondas Kelvin (las que se ven alrededor de un barco cuando navega en mar abierto) como se muestra en la Figura 1.

Ahora visualízalo de esta manera- las ondas son básicamente formas de energía que viajan en el medio acuático. ¿De dónde viene esta energía? En otras palabras, ¿quién dio energía a las partículas de agua para formar estas ondas?

Es la masa en movimiento del barco la que hace este trabajo. Nótese la palabra «en movimiento». El movimiento del barco es impulsado por su sistema de propulsión. Una parte de la energía entregada por el motor se destina a hacer girar la hélice y, a su vez, una fracción de ese empuje generado por la hélice resulta útil para propulsar realmente el barco. ¿A dónde va el resto de la energía? ¿Recuerdas que las partículas de agua se energizan para transmitir las ondas? Esa es la respuesta. A esto también se le llama Resistencia a la formación de olas de un barco.

Ahora, ¿por qué estamos discutiendo esto, y qué tiene que ver con una proa bulbosa? Siga leyendo.

Considere un barco con una proa recta (por ejemplo, el Titanic). A medida que el barco avanza, las partículas de agua se desplazan hacia la popa a lo largo de todo el barco. Pero, ¿qué ocurre con la partícula de agua que incide justo en la línea central de la proa? Su velocidad instantánea es cero, lo que en términos científicos se conoce como punto de estancamiento. Si recuerdas la Ecuación de Bernoulli, la presión en un punto de estancamiento será mayor. Por tanto, la presión de las partículas de agua en la proa es mayor, lo que da lugar a la cresta de una ola. Esta ola se llama ola de proa, ya que se genera debido al movimiento de la proa a través del agua, como se muestra en la figura 2. Así pues, con una proa recta, siempre se forma una ola de forma continua, con su cresta en la proa. Así, es evidente, que estamos desperdiciando una parte de la potencia del motor en generar esta ola. ¿Y si se puede reducir este efecto de formación de olas? Si es así, ¿cómo?

Si introducimos otra discontinuidad (cualquier estructura en el barco por debajo de la línea de flotación que perturbe el flujo laminar se considera una discontinuidad) por debajo de la línea de flotación en la proa, delante de la roda del barco, la discontinuidad dará lugar a otra ola en su punto más alto. Como la roda sigue estando en la línea de flotación, generará ondas de proa normales. ¿Y si podemos diseñar la forma y la posición de la discontinuidad de tal manera que la onda de proa y la onda creada por la discontinuidad den lugar a una interferencia destructiva? (Véase la figura 3) Pues bien, ése es más o menos el principio en el que se basa el diseño de una proa bulbosa. La interferencia destructiva da como resultado una reducción de la formación de olas del buque, lo que reduce aún más la resistencia a la formación de olas de la forma del casco.

En las fases preliminares de desarrollo del bulbo, la misión principal del diseño era reducir la resistencia al oleaje. Pero a medida que avanzábamos, no podíamos dejar de profundizar en aspectos más interesantes, como se comenta a continuación:

La formación de olas es una característica importante de las formas de casco más finas. Por eso, se observan formas de onda Kelvin prominentes en cruceros, transatlánticos, yates y cruceros navales. Si nos fijamos en un granelero o en un petrolero (formas de casco más completas), es evidente que estas formas de casco no muestran patrones de ondas Kelvin prominentes. ¿Por qué? Porque la anchura de la línea de flotación en la propia roda es tan grande (o, en otras palabras, la discontinuidad del flujo es mayor) que la presión aumenta hasta un nivel tal que la altura de la ola de proa supera el umbral hasta el que una ola mantiene sus propiedades. En este caso, la ola rompe justo en la proa incluso antes de recorrer la longitud del barco.

Entonces, ¿los cascos más llenos son más eficientes energéticamente en este sentido? No. ¿Los cascos más llenos tienen una gran resistencia a las olas? No. ¿Los cascos más completos tienen una mayor resistencia a la rotura de las olas? Sí. Con esta aplicación, los bulbos también se introdujeron en los buques de carga y los petroleros para reducir su resistencia a la rotura de las olas.

Los diferentes tipos de bulbos según sus formas, posiciones y orientaciones son los que se muestran a continuación :

La posición del bulbo afecta significativamente a la diferencia de fase entre la onda de proa y la onda de bulbo. El volumen del bulbo es un factor decisivo de la amplitud de la onda resultante.

Otra ventaja del bulbo es que reduce los efectos dinámicos del movimiento de cabeceo de un buque. En la mayoría de los buques, el interior del bulbo se utiliza como tanque de lastre de proa. En caso de gran cabeceo, el tanque del pique de proa suele ser lastrado para reducir el efecto del cabeceo.

¿Cómo? Bueno, el periodo de cabeceo es directamente proporcional a la distancia longitudinal de los pesos desde la LCG del barco. Cuando el pico de proa está lastrado, aumenta el peso a una mayor distancia del LCG del barco (que en la mayoría de los casos ideales está por encima del centro del barco). En otras palabras, el radio de giro del cabeceo aumenta, por lo que se incrementa el periodo de cabeceo del buque. El aumento del período de cabeceo da lugar a menos efectos dinámicos del movimiento de cabeceo.

En el caso de la navegación en hielo, el bulbo permite que el hielo roto se deslice a lo largo del casco con su lado húmedo contra el casco. La cara húmeda del hielo, al tener un menor coeficiente de fricción, reduce la resistencia global del buque.

Las proas abombadas también han sido ventajosas para alojar hélices de proa, como puede verse en los buques modernos con unidades de hélices de proa. En los buques navales que utilizan acústica submarina de alta frecuencia como el SONAR, las proas bulbosas actúan como carcasa protectora, además de sus efectos positivos de reducción de la resistencia aerodinámica.

Después de repetidos procedimientos de ensayo de modelos de una amplia gama de formas de casco y bulbos, se ha descubierto que los bulbos no son eficientes a todas las velocidades de servicio (relacionarlo con los números de Froude). En números de Froude muy bajos, se ha comprobado que las proas bulbosas aumentan la resistencia. ¿Se pregunta por qué? Porque un bulbo sólo es eficaz cuando hace su propia onda, junto con la onda de proa. Pero en números de Froude muy bajos, la formación de olas apenas se produce. Pero el bulbo, al estar por debajo de la línea de flotación, aumenta la superficie total mojada del barco, contribuyendo así a aumentar la resistencia a la fricción de la piel.

¿Qué opinas?