Historia y Arqueologia Marítima

HOME

Indice Nomenclatura

TEORIA DEL BUQUE

 

Agradecemos a la Prefectura Naval Argentina el permiso de uso de estos articulos, pubicados en su agenda Guardacostas 2012, ya que sus definiciones son simples y de facil entendimiento.

Definiciones, líneas y planos

Se denomina buque al flotador, dotado o no de propulsión propia, destinado a navegar en mares, ríos y lagos. Para la ley nacional buque es toda construcción flotante destinada a navegar por agua.
Existen varios sinónimos de buque: navio, barco, embarcación, etc., pero la más empleada en la reglamentación y lenguaje marinero es la de buque, correspondiendo la designación genérica de embarcación a la  de escaso porte y reducidas dimensiones. Buque menor es aquél cuyo arqueo total es menor de diez (10) toneladas. Toda otra construcción flotante, auxiliar de la navegación, pero no destinada a ella, aunque pueda desplazarse en el agua en cortos trechos para el cumplimiento de sus fines, recibe el nombre de artefacto naval.

Tanto buque como embarcación definen al conjunto: casco, estructura, superestructuras, arboladura y a los medios de propulsión y de gobierno, accesorios, etc., necesarios para navegar.

El casco comprende diversas piezas que conforman la envuelta impermeable cuyo requisito esencial es tener forma adecuada y simétrica con respecto al plano longitudinal, ya que de ella dependen la velocidad, su posición de adrizamiento y, en general, las cualidades marineras. La parte del casco sumergida en el agua se llama obra viva (carena) y la parte que emerge se denomina obra muerta.

El plano longitudinal que divide al buque en dos partes simétricas e iguales (plano de simetría) es llamado crujía. Puede haber otro plano de simetría, en este caso transversal, cuando las embarcaciones hacia proa y popa son iguales (caso de algunos doble proa, ferrys, etc.).

Otro plano de referencia es uno horizontal, sobre el cual puede considerarse apoyada la superficie de diseño, al que se llama plano de construcción. La intersección del plano de crujía con el plano de construcción se llama línea de construcción o línea de base.

Las medidas básicas del buque son: eslora (longitud), manga (ancho), puntal (alto), calado (medida entre el fondo-plano de construcción y la línea de flotación), y francobordo (medida entre la línea de flotación y la cubierta superior).

Todo buque lleva a proa y popa -a veces también en el centro- las escalas de calado (grabadas, impresas o soldadas), expresadas en pies o en metros (o decímetros), a ambas bandas.

• La línea ab indica X (diez) pies

• La línea be indica X (diez) pies 6 pdas.

• La línea cd indica XI (once) pies

• La línea de indica XI (once) pies 9 pdas.

• La línea ab indica 56 dm. (5,60 metros)

• La línea be indica 58 dm. (5,80 metros)

• La línea cd indica 60,5 dm. (6,05 metros)

• La línea de indica 63 dm. (6,30 metros)


Características y principios

El agua -medio en el que se sostiene el buque al flotar-, goza de las propiedades de los fluidos. Por lo tanto, un líquido en reposo dentro de un recipiente, ejerce presiones sobre las paredes que lo contienen y a su vez experimenta acciones similares en todas direcciones de su propia masa; es, además, casi incompresible y ofrece cierta resistencia a la penetración en su superficie libre.

La experiencia demuestra que un cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido sufre la reacción de éste y es empujado hacia arriba. De esta acción resulta una pérdida aparente en su peso. Ello puede constatarse, utilizando una balanza con la que se pesa previamente el cuerpo en el aire, luego se toma nueva medida al ser íntegramente sumergido; al mismo tiempo se recoge en otro receptáculo el líquido desalojado, cuyo peso debe ser igual al empuje, es decir, a la diferencia entre los dos pesajes. Lo expuesto permite interpretar con mayor facilidad el Principio de Arquímedes: "todo cuerpo sumergido (total o parcialmente) en un líquido recibe por parte de éste un empuje - de abajo hacia arriba- igual y opuesto al peso del líquido cuyo volumen ocupa el cuerpo"; dicho en otras palabras, ese empuje deberá ser igual al peso del líquido desalojado y pasará por su baricentro o centro de volumen.

Dado que el peso del volumen de agua desalojada se denomina desplazamiento (se mide en Toneladas métricas), puede expresarse asimismo este principio diciendo que: el empuje es igual al desplazamiento.
Al producirse la inmersión de un cuerpo en un medio como el agua, la acción del peso total y del empuje que ocasiona, queda encuadrada en una de las situaciones siguientes:

A. Peso superior al del volumen de liquido desalojado: el objeto se hunde;

B. Peso igual al empuje: permanece en reposo en el seno de la masa de agua a cualquier profundidad (caso del submarino); y

C. Peso menor que el empuje: instantáneamente comienza, a ascender, alcanza la superficie libre del líquido, aflora y, debido al empuje, continuaré subiendo hasta el instante en que el peso del volumen de agua desplazada, correspondiente a la parte que queda sumergida, sea igual al peso del cuerpo.

En consecuencia, las dos condiciones básicas de equilibrio son:
1. Para que todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido, sin contacto alguno con otros cuerpos, permanezca en equilibrio, será indispensable, como primera condición, que el peso del cuerpo y el empuje que recibe de él, sean fuerzas iguales y opuestas, ya que dichas fuerzas son las únicas que actúan sobre el cuerpo en tales condiciones; por lo tanto será peso = empuje o también peso = desplazamiento; y

2. El empuje es una fuerza vertical, hacia abajo, aplicada en un punto llamado centro de gravedad (se designa como G); para que exista equilibrio esas fuerzas deben ser iguales, pero, además, deben encontrarse en la misma vertical a fin de anularse. Así puede expresarse la segunda condición del equilibrio: el centro de gravedad G y el centro de carena B del buque deben estar sobre la misma vertical.

A los fines de este trabajo, interesa la situación expresada en el acápite C, cuando el cuerpo ya ha cumplido el movimiento ascendente, cuando ya se sostiene sobre el agua, cuando flota, es decir, cuando el peso propio (peso del volumen de agua desalojado por la carena u obra viva), se equilibra con el empuje.

La acción de las dos fuerzas iguales y opuestas: peso y empuje, tiene su punto de aplicación en el centro de gravedad y centro de carena, respectivamente; habrá equilibrio, reposo, cuando ambos centros se encuentren situados en la misma vertical.

La línea que traza el nivel del agua en el casco, se llama línea de flotación; por arriba de ella se encuentra la parte flotante u obra muerta.

Cuerpo flotando en equilibrio

En la figura que sigue, A es el modelo de un buque y su peso 1.000 kg, el que es introducido en el recipiente B lleno de agua dulce hasta rebasar; al sumergir y flotar el modelo, una cantidad de agua sale de B y es recogida en el receptáculo C; pesada ésta, acusaré también 1.000 kilogramos, es decir, A desplaza una tonelada (el volumen de agua desalojado es de 1.000 dm3), que es también el volumen de la obra viva (m, n, o, p - parte sumergida). Si se carga un peso de 500 kilogramos en A, saldrá de B nueva cantidad de agua, que se reunirá con la que ya existía en C, y el desplazamiento resultante para esta circunstancia será de 1,5 toneladas.

Se observa que el modelo se ha sumergido más en el agua y consecuentemente la línea de flotación ha subido. Si se continúa cargando más pesos llegará un instante en que apenas asomará sobre la superficie del agua y bastará añadir un nuevo peso para que deje de flotar. Lo contrario ocurre si se retiran pesos.

Es necesario que el buque no sea cargado demasiado, que mantenga una reserva de flotabilidad en concordancia con la máxima carga que puede arrumar y malos tiempos de la travesía.

El franco bordo es la altura de la obra muerta medida desde la cubierta principal al plano de flotación en el centro de ambos costados; la línea pintada que define la marca de franco bordo establece el límite que no se debe pasar,

Las letras que acompañan a las líneas tienen el siguiente significado:
RA: Iniciales de República Argentina, colocadas en las asignaciones de franco bordo de buques nacionales TD: Tropical agua dulce D: Agua dulce T: Tropical agua salada V: Verano I; Invierno IAN: Invierno Atlántico Norte
Obsérvese que el borde superior de la línea de verano (V) está sobre el mismo nivel que el borde superior de la línea horizontal que pasa por el centro del disco u Ojo de Plimsoll,


Flotabilidad

Considerando ahora el caso de que el líquido que llena el recipiente B sea aceite (más liviano, menos denso que el agua), al hacer flotar el modelo se recogerá en C un volumen mayor de líquido (aceite) que en el caso visto anteriormente. Se observa también que él se hunde más en este medio, o sea que tendrá más calado, no obstante que su peso o desplazamiento sigue siendo de 1 tn.
Este caso que se representa en la figura siguiente:

Por este motivo, el buque que mantiene su desplazamiento al pasar del mar a un río aumenta de calado, sube su línea de flotación en razón de que como el agua dulce es menos densa, se precisa más volumen de obra viva para compensar esta diferencia; ocurre a la inversa si el buque se traslada de agua de río a la de mar. Ello se tiene en cuenta en las marcas de franco bordo: además de la línea de máxima carga permitida para navegar en el mar, se graba, en correspondencia, la de agua dulce. Prácticamente un buque al pasar del agua salada a la dulce inmerge un poco más de Va de pulgada por cada pie de calado (aproximadamente 7 mm).


Navegabilidad

Para que el flotador pueda denominarse buque es necesario que su envuelta, denominada casco, sea impermeable; sin este requisito la flotabilidad y, como veremos, la estabilidad sólo serán relativas pues disminuyen a medida que el agua penetra y llegan inclusive a desaparecer.
La estructura del casco debe ser suficientemente sólida y robusta y aun la superestructura, ya que contribuye a la reserva de flotabilidad.

Los diversos pisos interiores, llamados cubiertas, con mar calma deben mantenerse por construcción horizontales, paralelos a la superficie del agua para hacer al flotador habitable; por ello, el casco se construye dándole forma igual y simétrica a ambas bandas del plano vertical longitudinal (plano de crujía); se cuida además, al mismo tiempo, que dicha forma sea adecuada para reducir el frotamiento en el agua y a fin de facilitar su movilidad. La intersección del plano longitudinal (crujía) con cada cubierta (o la cubierta principal) se denomina línea de crujía.

El flotador debe poseer también estabilidad. Si suspendemos una plomada, una fuerza vertical, el peso, acciona hacia abajo y otra fuerza vertical, reacción, lo hace hacia arriba impidiendo el movimiento de la plomada. Decimos comúnmente que ambas fuerzas se anulan mutuamente o, más precisamente se equilibran.

Lo mismo sucede en el caso del buque derecho, adrizado; el peso aplicado al centro de gravedad se dirige verticalmente hacia abajo en el plano de crujía; el empuje del agua, a su vez, en el centro de la carena que, por ser ésta simétrica, se encuentra también en el plano de crujía y actúa verticalmente hada arriba.

Los centros de carena y de gravedad, como se dijera, se hallan sobre la misma vertical en el plano de crujía cuando el buque está adrizado. Si es sacado de dicha posición de equilibrio por acción de movimientos transversales (rolido), longitudinales (cabeceo) o combinación de ambos, el centro de gravedad no variará por ello (pesos fijos o estiba compacta), tampoco se alterará el volumen de la carena, ya que la cantidad de agua desalojada no puede cambiar, en tanto no se modifique el desplazamiento (peso) del buque, pero sí variará la forma de la parte sumergida, es decir, dejará de ser simétrica y, por lo tanto, el centro de carena (que es un centro geométrico) se correrá.

Las fuerzas, peso y empuje iguales y de sentido opuesto ya no actúan sobre la misma vertical, debido al cambio de posición del centro de carena; componen lo que se denomina par o cupla; que se esfuerza por enderezar al buque, es decir, volverlo a la posición inicial de equilibrio. Esta tendencia o habilidad de la nave para mantenerse o retornar a su posición de adrizamiento constituye la estabilidad.

Principios de estabilidad

Se llama metacentro (M) al punto imaginario de intersección del plano de crujía con la vertical que pasa por el centro de carena (C) del casco escorado. Cuando el metacentro está más alto que el centro de gravedad (G), el equilibrio es estable; es decir, que la estabilidad se mantiene aun cuando el centro de gravedad se halle por arriba del de carena (no es necesario poner en la bodega los bultos más pesados abajo) pero siempre que el metacentro esté más alto que el centro de gravedad.

El estudio de la estabilidad fija la naturaleza del equilibrio, evalúa la tendencia que tiene el buque a regresar a su posición normal de reposo cuando es separado de ella por la acción de fuerzas interiores (carga, combustible, lastre, etc.) y exteriores (viento, olas de mar) como también el grado de reserva de flotabilidad que aún queda, cuando se lo somete a una acción perturbadora externa.

Aunque el análisis de la acción de las fuerzas interiores, en esencia, no corresponde a los requisitos exigibles para que un cuerpo en el agua sea considerado buque, no obstante ello, es oportuno tratar el tema por la influencia decisiva de estas fuerzas sobre la estabilidad.

La distribución armónica de la carga, combustible y lastre juega un rol importantísimo para la estabilidad como también para la resistencia de las estructuras. Los preceptos sobre franco bordo, las marcas de las lineas de máxima carga, constituyen un factor de seguridad, indican un peligro de zozobrar si aquéllas son sobrepasadas; aunque de ningún modo deban considerarse como dato suficiente para estimar un buen grado de estabilidad.

Puede comprobarse que en zonas en que ha dominado un fuerte temporal, éstas han sido atravesadas relativamente con pocos perjuicios por naves viejas y de escaso tonelaje, mientras que otras, más modernas y en mejores condiciones de máquinas y casco, han tenido que emitir señales de auxilio debido a una equivocada disposición de la carga.

La sencilla regla de poner las cosas más pesadas abajo y los bultos más livianos arriba, no rige; el buque se hará demasiado estable. Por el contrario, si los pesos están muy elevados, el período de oscilación del buque será demasiado largo. El capitán del buque, al disponer el arrumaje, ha de atender a la estabilidad de aquél, recordando que tan inconveniente es la insuficiencia de estabilidad como un exceso de ella.

 

Estibando pesos en crujía aumentarán los balances y llevándolos a una y otra banda se harán más suaves. Por lo tanto, las cargas pesadas no deben acumularse en el centro sino repartirse a banda y banda. Es también importante la distribución correcta de los pesos en sentido longitudinal. Un buque cargado con exceso en su centro puede arrufarse (arrufo) al apoyar su casco en dos olas y, demasiado cargado en los extremos, puede quebrantarse (quebranto) al montar a una. En uno y otro caso sufren las estructuras con posibilidades de averías, es decir rotura de remaches o soldaduras, torceduras y rajaduras de planchas y vías de agua.

Con respecto al buen gobierno, un buque aproado (mayor calado o asentamiento a proa que a popa) tiene más tendencia a orzar (ir hacia el viento); apopado (mayor calado o asentamiento a popa que a proa), en cambio, a arribar (dejarse ir con ei viento, alejar la proa del viento). Un buque escorado a una u otra banda, al perder la simetría de la obra viva o carena mojada y tener más sumergida una banda que la otra, tiene propensión a girar hacia la banda contraria a la escora.

Los astilleros entregan con el buque, además de los planos de construcción, diversos diagramas y curvas de desplazamientos, escalas de calados, curva de toneladas por centímetros o pulgadas de inmersión, que permiten hacer todas las determinaciones necesarias para poder abarrotar eficientemente el buque.

La carga debe estibarse (acomodarse) de manera que forme en la bodega un conjunto compacto que no deje resquicios que faciliten el corrimiento, y cuando es inevitable la existencia de espacios libres o se trate de carga a granel o líquida, se toman medidas de seguridad, como ser: instalación de tabiques transversales, longitudinales, mamparos frenantes, cuñas, puntales, trincas, amarras, etc. El desplazamiento de la carga puede tener efectos devastadores, tanto para el buque
como para el material estibado.

Al término de la operación de arrume, si no ha sido posible corregir pequeñas inclinaciones del buque en dirección proa-popa (asientos) o transversales (escoras) a una u otra banda, se procede a trasvasar combustible y agua, o a llenar o vaciar los celulares del doble fondo, a fin de que el buque recupere la condición normal de adrizamiento para la navegación.

Considerando los conceptos tratados hasta aquí, diremos ahora que: se denomina buque o embarcación, al cuerpo destinado a surcar las aguas y cuyas cualidades distintivas son flotabilidad y navegabilidad. Ellas requieren la existencia de un casco estanco al agua, una estructura suficientemente sólida, una estabilidad adecuada y, finalmente, facilidad de maniobra para su conducción. Dicho de otra manera, reunir como cualidades principales: adecuada estructura, estanqueidad (impermeabilidad), flotabilidad, estabilidad, propulsión, gobierno (y maniobra) y energía eléctrica (para suministro a sus equipos). Estas cualidades le permitirán flotar y navegar tanto en aguas calmas como en condiciones hidrometeorológicas desfavorables.


Condiciones básicas de equilibrio
Podemos enunciar las condiciones básicas que debe cumplir un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido, sin contacto alguno con otros cuerpos, como para que permanezca en equilibrio. La primera condición básica es que "el peso del cuerpo y el empuje que recibe sean fuerzas iguales y opuestas, únicas fuerzas que actúan sobre el cuerpo en tales condiciones". Por lo tanto deberá ser:

PESO = EMPUJE

CONFORME AL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES: PESO = DESPLAZAMIENTO

El peso del buque es la suma de varios y distintos pesos (el del propio buque vacío, el de su combustible, agua, provisiones, carga, etc.). El único invariable es el primero, los demás varían según la carga. Es así que en todo momento, el peso total del buque será igual a la suma de sus pesos componentes y de acuerdo con la primer condición básica de equilibrio, el peso total debe ser igual al desplazamiento. Es una fuerza vertical, hacia abajo, aplicada en un punto llamado centro de gravedad (G).

El empuje que recibe el buque es una fuerza vertical, hacia arriba, que pasa siempre por el baricentro (o centro de volumen) de la carena. Este punto se llama centro de empuje o centro de carena (B) y también podría ser definido como el centro de gravedad del volumen del líquido desplazado por el buque.

Para que exista equilibrio, ambas fuerzas (peso y empuje) deben ser iguales y encontrarse sobre la misma vertical a fin de anularse.Esto nos permite expresar la segunda condición básica de equilibrio: "el centro de gravedad (G) y el centro de carena (B) del buque deben estar sobre la misma vertical".

Equilibrio de un cuerpo flotante

Al hacer referencia a las condiciones básicas de equilibrio expresamos que eran las dos siguientes:

1. Peso = empuje

2. Centro de gravedad (G) y centro de carena (B) ubicados en la misma recta de acción.

Por el Principio de Arquímedes, empuje = desplazamiento. Por lo tanto, la condición 1. equivale a que peso y empuje sean iguales al desplazamiento. Según la 2., estas dos fuerzas deben ser opuestas. El caso se representa en la figura siguiente, ejemplo (a), donde G es centro de gravedad y B centro de carena.

Conforme la física, el equilibrio de un cuerpo puede ser de tres clases:

1. Estable: al ser apartado el cuerpo ligeramente de su posición de equilibrio tiende a volver a él;

2. Inestable: al ser apartado el cuerpo ligeramente de su posición de equilibrio, tiende a seguir apartándose;

3. Indiferente: al ser apartado el cuerpo ligeramente de su posición de equilibrio, permanece en equilibrio en la nueva posición.

Para investigar la clase de equilibrio en que se encuentra un buque podemos tratarlo como si fuera un cuerpo cualquiera. Apartándolo ligeramente de su posición e imprimiéndole una pequeña escora 8, presentada en la figura anterior como (b), el peso D o A seguirá aplicado en G, ya que este punto inherente al buque como masa, no habrá cambiado. El empuje D o A pasará por el nuevo centro de carena B. Peso y empuje deberán seguir siendo iguales, ya que continúa cumpliéndose la primera condición básica de equilibrio, pero ya no serán fuerzas opuestas, sino que formarán una cupla. Resulta evidente que esta cupla tiende a adrizar nuevamente al buque. Esta es una condición de equilibrio estable.
Si al escorar el buque, un pequeño ángulo quedara como se muestra en la figura (c), la cupla tendería a seguir escorándolo y se estaría frente a un equilibrio inestable.

Si se presentara la posición (d), en que el peso y el empuje siguen siendo fuerzas opuestas, el buque se encontraría en equilibrio en esa nueva posición, siendo el equilibrio indiferente.

En los tres casos, prolongando la recta de acción del empuje del buque escorado hasta que corte a la del empuje primitivo, se obtendría el punto al que se le ha dado el nombre de metacentro transversal. Siguiendo las figuras anteriores se pueden obtener conclusiones. En el caso (b) M está por encima de G; en el (c) M está por debajo de G; en el (d), M coincide con G, (donde la recta que une ambos puntos corta a la línea de construcción, determina el punto K).

Así las tres posibilidades de equilibrio del buque corresponden obligadamente a la tres posiciones relativas de M con respecto a G antes mencionadas. Por ello, y con respecto a las figuras siguientes se puede expresar:

1. El equilibrio del buque ha de ser establo si M está por encima de G, lo que equivale matemáticamente a que KM > KG o también GM - KM - KG > 0;
2. El equilibrio del buque ha de ser inestable si M está por debajo de G, lo que equivale matemáticamente a que KM < KG o también GM = KM - KG < o; y
3. El equilibrio del buque ha de ser indiferente si M coincide con G, lo que equivale matemáticamente a que KM = KG o también GM = KM - KG = 0.

En definitiva, el equilibrio del buque puede estudiarse con sólo analizar la posición relativa de dos puntos independientes entre sí; M (metacentro transversal) y G (centro de gravedad). Esta posición se refleja en el segmento GM, de capital importancia en el estudio de la estabilidad del buque adrizado o estabilidad transversal inicial, al que se denomina altura metacéntrica transversal inicial o simplemente altura metacéntrica, pudiendo resumirse lo expresado diciendo que el buque adrizado está en equilibrio estable, inestable o indiferente, según que su altura metacéntrica GM = KM - KG sea positiva, negativa o nula.

El metacentro sólo depende de la carena, es decir de la forma de la parte sumergida del buque; el centro de gravedad depende de la distribución de pesos a bordo y nada tiene que ver con la forma de la carena. Dicho con un ejemplo; si se mueven verticalmente los pesos a bordo pero sin agregar ni quitar ninguno, el desplazamiento, y por consiguiente la carena, no variará, por lo que el metacentro permanecerá invariable. En cambio, el centro de gravedad variará por haber cambiado la posición de los pesos parciales del buque. Entonces, la altura metacéntrica habrá variado. Por otro caso, si se agregan o quitan al buque pesos dispuestos de tal modo que el centro de gravedad se mantenga inalterable, al variar el buque su desplazamiento cambiará la carena y, por ello, la posición del metacentro; cambiará, por lo tanto, la altura metacéntrica. Para grandes ángulos de escora, como el punto M deja de ser fijo, el segmento GM pierde validez y debe estudiarse la estabilidad de otro modo y es de cierta complejidad que se aparta del objetivo de estos comentarios básicos.

Pero la estabilidad transversal no es la única que se atiende. También se encuentra la longitudinal, pero ésta queda asegurada pues no existe posibilidad de que el equilibrio longitudinal sea inestable como en el transversal; el punto ML (metacentro longitudinal) está siempre muy arriba de G, con lo que la altura metacéntrica longitudinal es siempre positiva.

Prueba de estabilidad o inclinación

La posición teórica del centro de gravedad del buque vacío es calculada por el ingeniero naval antes de comenzar la construcción, ya que de ella depende el valor de la altura meta-céntrica en las diversas condiciones de carga. Este cálculo debe ser confirmado en forma experimental para: a) completar los cálculos de estabilidad, asiento, etc. en los que interviene la posición real de G; b) analizar las diferencias entre la posición prevista y la real a fin de utilizar ésta última como punto de partida para el proyecto de buques similares.

Para obtener experimentalmente la posición exacta del centro de gravedad del buque vacío se realiza la llamada prueba de estabilidad o inclinación, la que en esencia consiste en la ejecución de los pasos que se indican seguidamente.
1. Completado el buque en el astillero constructor, se lo ubica en aguas absolutamente tranquilas, sin amarras ni otros elementos que le impidan escorarse libremente.

2. Se dispone de un peso móvil (w) conocido, que pueda desplazarse libremente por el través una distancia (d).

3. Se mide por medio de un péndulo de gran longitud, que se desplaza sobre una regla graduada, el ángulo de escora 6 o, más directamente, tg q = a /1 (siendo "a" el desplazamiento sobre la regla y "I" la longitud del péndulo).

4. Se leen los calados de proa y popa y con ellos se determina, de las curvas de atributo del buque, el exacto volumen de carena (V) y la posición vertical del metacentro (KM).

5. Se mide el peso específico del agua (g) con un desnimetro.

6. Se determina el desplazamiento exacto (□ = va a).

7. En la fórmula tg a = se despeja GM determinando GM =

8. Se repite el procedimiento con diversos pesos "w" y o distancias "d", promediándose los valores de GM.

9. Se calcula el valor de KG con ios obtenidos en d) y h): KG = KM - GM.

Factores que afectan a la estabilidad

Si los pesos del buque son fijos y si los desplazamientos son voluntarios y predeterminados puede suponerse al centro de gravedad (G) invariable durante la rotación a pequeños ángulos de escora. Pero hay casos en que ciertos pesos se mueven en forma incontrolada, como es el de cualquier líquido contenido en tanques que no se llenan por completo y el de pesos suspendidos de un punto. En el primer supuesto, una parte del líquido se mueve con los rolidos, manteniendo siempre su superficie horizontal; en el segundo, el peso gira alrededor del punto de suspensión en forma pendular.

El caso más delicado es el primero, pues implica, a pequeños ángulos de escora, una elevación virtual del centro de gravedad y por ello una disminución o pérdida virtual de altura metacéntrica. La elevación virtual del centro de gravedad sólo depende de la superficie libre del líquido en el o los tanques, de su peso específico y del desplazamiento del buque; no depende del volumen de líquido contenido en el tanque.

La presencia de pesos suspendidos tiene un efecto análogo al de la superficie libre. Al tener en cuenta su presencia debe suponerse que el centro de gravedad de un peso suspendido en el punto de suspensión y no en su posición real (son importantes en ciertos casos como en los buques frigoríficos, por la carne suspendida en bodega, y en el empleo de grúas).

Esfuerzos del buque

El buque está sometido a ciertos esfuerzos causados por la acción de causas extemas o internas y debe ser capaz de soportarlos con un cierto margen de seguridad. Esos esfuerzos son numerosos en carácter e importancia, pero pueden reunirse en dos grandes grupos: estructurales (esfuerzos del buque como estructura Integral) y locales (esfuerzos sobre partes determinadas del buque).

Desde el enfoque de los estructurales, el buque puede ser concebido como una viga flotante, similar -desde el punto de vista de su resistencia- a una viga de la construcción terrestre aunque con la particularidad notable de que las vigas comunes se apoyan en dos o más puntos, mientras que el buque lo hace en toda su extensión soportado por el agua. Es una viga formada por todos los elementos que se extienden de proa a popa -longitudinales- de modo continuo (por ejemplo: forro del casco, cubiertas, refuerzos longitudinales del fondo y cubierta, etc.) y por los transversales que cumplen la función de conexión entre aquéllos (como es el caso de cuadernas, baos, etc.).

Esfuerzos longitudinales.

Un buque, con sus bodegas cargadas y flotando en aguas tranquilas, como se observa en la figura que antecede, dividido en trozos de proa a popa, se analiza uno de esos trozos.

Las fuerzas actuantes sobre él serán: a) el peso propio (compuesto por el peso del casco, superestructuras, máquinas, etc. comprendidos en el mismo); b) peso de la carga, combustible y aguas contenidos en dicho trozo; y c) el empuje, por el principio de Arquímedes, igual al peso del agua desalojada por la carena de dicho trozo. Como este trozo no se halla por st en equilibrio -ya que no flota libremente pues forma parte del total del buque- no habrá razón para que la suma de los pesos a) y b) sea igual al empuje c). Por ello existirá una resultante hacia arriba o hacia abajo actuando sobre ese trozo de la viga buque. Si el razonamiento se repite para cada uno de los trozos en que se ha subdividido el buque, se obtendré en cada caso una resultante parcial.

Se puede apreciar que en la zona central del buque -tratándose de uno con caslllaje e instalaciones en el centro- los empujes que actúan sobre cada trozo son grandes debido a la forma llena de la carena en esa zona, en tanto que los pesos -principalmente alojamientos y máquinas- son relativamente livianos en relación al volumen que ocupan dentro del casco. En este caso en la zona central las resultantes parciales estarán dirigidas hacia arriba, mientras que en los extremos de proa y popa ocurre lo contrario -por las formas más afinada de la carena-, los empujes son menores, en tanto que los pesos -principalmente por las cargas en bodega- son considerables en relación al volumen ocupado y a consecuencia de ello las resultantes parciales estarán dirigidas hacia arriba, mientras que en los extremos de proa y popa ocurre lo contrario -por las formas más afinada de la carena-, los empujes son menores, en tanto que los pesos -principalmente por las cargas en bodega- son considerables en relación al volumen ocupado y a consecuencia de ello las resultantes parciales estarán dirigidas hacia abajo. La viga buque, considerada aisladamente, estará sometida a las fuerzas mencionadas, como se representa en el caso b) de la figura.

Estas fuerzas causarán tensiones internas determinables por los métodos de la resistencia de materiales. De esta forma, en los casos considerados habrá momentos flexores y esfuerzos de corte a lo largo de la viga que tratarán de deformarla como se aprecia en los casos c) y d) -respectivamente- de la figura. El momento flexor alcanzará su máximo valor en el centro, en tanto el esfuerzo de corte, nulo en el centro, será máximo en puntos ubicados a aproximadamente Va de la eslora, medido desde sus extremos. Por ello, las estructuras longitudinales continuas mencionadas y que forman la viga buque deben ser calculadas para poder resistir las tensiones de flexión y corte.

Estos esfuerzos estructurales longitudinales en el mar son singulares ya que cuando el buque navega en él, la superficie de éste no es horizontal, como en aguas tranquilas, sino que se ve alterada por la presencia de olas. Para los estudios teóricos suele suponerse que el perfil longitudinal de una ola, a la que se llama ola estándar, es una trocoidel, cuya longitud es igual a la eslora del buque (por ser la longitud más desfavorable desde el punto de vista de los esfuerzos en el buque) y su altura es de 1/20 de esa longitud.

Si la superficie del mar estuviera compuesta por una serie de olas estándar y el buque ataca las olas perpendicularmente a la línea de sus crestas, al navegar podrá encontrarse en infinitas posiciones con respecto a tales olas. De esas posiciones, las que interesan, por ser las más desfavorables, son las que se producen cuando el buque se encuentra con su sección media sobre la cresta o en el seno de una ola. Estas posiciones se llaman, respectivamente, quebranto y arrufo (en inglés "hogging" y "sagging").

En el caso del quebranto, el buque se encuentra con su sección media sobre la cresta de una ola, como se aprecia en la figura siguiente. Como la altura de la ola en el centro es mayor que en los extremos, los esfuerzos aumentarán en los trozos de la parte central y disminuirán en los de los extremos. La viga-buque tenderá a flexionarse en el centro, produciéndose tensiones de tracción en la cubierta superior y de compresión en el fondo.

   

Ocurre el arrufo cuando el buque se encuentra en su sección media en el seno de la ola, como se ve en la figura siguiente. Como la altura de la ola en los extremos es mayor que en el centro, los esfuerzos aumentarán en los extremos y disminuirán en el centro. La viga-buque tenderá a flexionarse en el centro, produciéndose tensiones de compresión en la cubierta superior y de tensión en el fondo. Los casos presentados corresponden a un tipo de buque donde los menores pesos se hallan en el centro y los mayores en los extremos, donde la condición más desfavorable es la de quebranto pues los extremos del buque tienden a caer por falta de apoyo o empuje, el que se concentra en el centro.

En un buque carguero con estructuras -alojamiento y máquinas- en popa, el peso más considerado se ubica en el centro y la condición más desfavorable seré la del arrufo, puesto que en ese caso faltará empuje en el centro, tendiendo el buque a "caer" en esa zona en la que su peso es mayor.

En síntesis, cuando los pesos mayores están concentrados en el centro tienen como condición más desfavorable en el arrufo y aquellos en que es a la inversa (pesos mayores en los extremos) la condición más desfavorable es el quebranto.

Esfuerzos transversales

Los principales esfuerzos estructurales transversales, se deben a dos razones.

Presión del agua

1. La presión del agua que actúa sobre la obra viva. El fondo y los costados tienden a ser hundidos (como se indica con línea punteada en la figura anterior) por lo que deben ser calculados (cuadernas, longitudinales de fondo, etc.) para resistir dicha presión. Comparativamente, esta presión es moderada en los buques de superficie pero es el esfuerzo primordial en los submarinos.

 2. La deformación transversal por esfuerzo de inercia. Al rolar el buque hacia una banda, la parte superior de la obra muerta y la superestructura tienden a ser "arrancadas" por la fuerza de inercia debida a la aceleración tangencial del movimiento oscilatorio de rolido; los "marcos" formados por las cuadernas y baos respectivos tienden a deformarse (como se señala con línea punteada en la figura siguiente); los esfuerzos así generados deben ser absorbidos por aquellos elementos estructurales y sus conexiones.

Deformación transversal por inercia

Esfuerzos locales son aquéllos que afectan zonas limitadas del buque. Son muchos y variados en carácter e importancia, siendo los más frecuentes los siguientes:
1. Cargas internas concentradas: grandes pesos de máquinas, superestructuras, cargas, etc. cuyos pesos deben ser resistidos por superficies relativamente pequeñas del fondo o cubiertas. Originan tensiones considerables en esos lugares que deben ser convenientemente reforzadas.

2. Cargas externas concentradas: presión de los picaderos y puntales con el buque en seco; presión concentrada en una zona del fondo por varadura, explosiones o impactos.

3. Impactos contra el agua: la proa, por efecto del cabeceo navegando adquiere un movimiento de ascenso y descenso que puede provocar golpes violentos contra ella en cada cabeceo, causando esfuerzos muy severos que deben ser resistidos por la estructura de la proa, causa por la cual siempre es considerablemente reforzada.

4. Esfuerzos dinámicos locales: todos los pesos del buque adquieren cierta aceleración, debido a los movimientos en el mar y, en consecuencia, son llamados por fuerzas de inercia. Por ejemplo, durante el rolido la máquina tiende a "ser arrancada" de sus fundaciones, los palos tienden a ser flexionados, etc. Estos esfuerzos son importantes y ello explica la robustez de las estructuras del buque comparado con las construcciones terrestres.

5. Esfuerzos locales originados por esfuerzos estructurales: por las flexiones que sufre la viga-buque en condición de quebranto o arrufo se comprimen las chapas del fondo o de la cubierta superior, ocurriendo lo contrario con las opuestas. Como un caso ejemplo, una chapa de la cubierta superior apoyada entre dos baos sucesivos se encontrará comprimida durante el arrufo y, si se la considera como estructura aislada, podrá pandearse. Siendo susceptibles al pandeo, las chapas tiene espesores y refuerzos adecuados para evitar tal posibilidad.

Los esfuerzos del buque en una determinada condición de carga pueden calcularse en la práctica a bordo. Las computadoras, hoy a bordo, hacen realizable el cálculo en poco tiempo y con toda precisión, aplicando criterios técnicos disponibles, por ejemplo, por las Sociedades de Clasificación. Estos cálculos de esfuerzo y los similares de estabilidad son imprescindibles para la planificación de la distribución de la carga y para su seguimiento en navegación, ya que el consumo de combustible y agua y su eventual compensación con lastre de mar pueden alterar sensiblemente los esfuerzos iniciales.

Este sitio es publicado por la Fundacion Histarmar - Argentina

Direccion de e-mail: info@histarmar.com.ar