William Froude y el primer canal de experiencias hidrodinámicas

A pesar de que los modelos matemáticos y las simulaciones por ordenador son cada vez más importantes en los cálculos hidrodinámicos de los buques, los ensayos en los canales de experiencias son todavía una parte esencial del diseño de cualquier barco para predecir o validar los requisitos de potencia del mismo, parte fundamental de cualquier contrato entre un armador y el astillero. Esta estimación de la potencia necesaria para mover un barco tiene su origen en la Inglaterra de finales del siglo XIX, más concretamente en Torquay, ciudad costera del suroeste inglés, en donde William Froude llevó a cabo los primeros ensayos tras formular su Ley de Semejanza mediante la cual se puede calcular la resistencia al avance de un buque real utilizando un modelo a escala con un casco con las mismas formas.

William Froude (a la izquierda) en el primer canal de experiencias. Copyright: © IWM. Original Source: http://www.iwm.org.uk/collections/item/object/205191745

William Froude (Devon, Inglaterra 1810 – Simonstown, Suráfrica 1879) se graduó como matemático en 1832 tras estudiar en el Westminster School y el Oriel College de Oxford. Tras finalizar sus estudios obtuvo su primer trabajo como ayudante del importante ingeniero Isambard Kingdom Brunel, ayudando en la construcción de un tramo del ferrocarril entre Bristol y Exeter.

En 1846, cuando Brunel, diseñador de los trasatlánticos SS Great Western (en su momento fue el barco más grande del mundo) y SS Great Britain (el primer buque de pasajeros propulsado con una hélice y también en su momento el barco más grande del mundo), empezó a trabajar en su nuevo buque, el SS Great Eastern, encargó a Froude que estudiara cómo reducir el balance (rolling en inglés) del barco. Más allá de dar una solución práctica al problema, como fue la instalación de una quilla de balance por primera vez (más tarde adoptada por la Royal Navy), Froude fue capaz de matematizar el efecto del movimiento de las olas y el comportamiento de los buques sobre las mismas.

Es SS Great Eastern (fuente: Wikipedia)

Tras la muerte de Brunel en 1859, Froude y su familia se trasladaron a Paignton (Torquay). Froude se centró desde aquel momento la resistencia al avance de los buques, descubriendo que esta dependía de dos factores: la resistencia de fricción debida a la superficie mojada del casco y que viene condicionada por la viscosidad; y la resistencia residual debida a la formación de olas. Es en esta última en donde se aplica su Ley de Semejanza, según la cual para el mismo valor de V/L (en donde V es la velocidad, y L la eslora) la resistencia al avance será la misma para cascos de geometría similar, independientemente del tamaño de los mismos.

De esta manera, Froude evitaba construir diferentes cascos a tamaño real para compararlos, simplemente tenía que construir copias a escala y ajustar la velocidad del ensayo para igualar el resultado de la fórmula anterior. Froude construyó en el desván de su casa su primer “canal de experiencias”, y tras dos años de estudios, acabó publicando en un ensayo dirigido al Institute of Naval Architects en 1861 su Ley de Semejanza, popularmente conocida como la Ley de Froude, representada en la siguiente fórmula: Fn=V/√(gL), en donde Fn es el número de Froude, V es la velocidad, g es la constante de la gravedad y L es la eslora.

Fabricación de un modelo a escala.Copyright: © IWM. Original Source: http://www.iwm.org.uk/collections/item/object/205191752

Inicialmente los estudios de Froude no fueron tomados en serio por los ingenieros navales de la época, y no fue hasta siete años después de presentar sus resultados que el Almirantazgo británico, preocupado por mejorar la velocidad y eficiencia de sus buques, decidió destinar 2.000 libras esterlinas de la época a la construcción del primer canal de experiencias hidrodinámicas en Torquay.

Así, en 1870 se comenzaba su construcción, no terminada hasta dos años después. El canal contaba con unas dimensiones de 75 metros de longitud, 10 metros de ancho y casi 3 metros de profundidad. Una maquinilla de vapor accionaba en carro de madera suspendido sobre el canal que remolcaba los modelos a velocidades de entre 30 y 305 metros por minuto (de 2 a 18 kilómetros por hora) y que contaba con un dinamómetro para calcular la resistencia.

El carro de madera arrastrando un modelo en el canal de Torquay. Copyright: © IWM. Original Source: http://www.iwm.org.uk/collections/item/object/205191748

Desde 1872 y durante los siete siguientes años, William y su hijo Robert llevaron a cabo pruebas de cada nuevo buque botado por la marina, utilizando modelos de hasta 3,5 metros de largo. Froude inventó también una máquina para moldear los cascos en cera de parafina a partir del plano de formas, con los cuales calculaban la resistencia residual, mientras que también realizaban ensayos con tablas de diferentes longitudes y acabados, a partir de los cuales dedujo una fórmula para el cálculo de la resistencia de fricción.

Su método para el cálculo de esta resistencia fue criticado masivamente al equiparar objetos tridimensionales como los cascos reales con objetos planos como las tablas, hasta que en 1872 fueron demostrados mediante una prueba a remolque del buque Greyhound. Los resultados de la prueba mostraron una diferencia menor del diez por ciento con los datos obtenidos del modelo en el canal y certificaron la exactitud del método de Froude.

El HMS Greyhound

En el verano de 1878, Froude recibió una invitación del Comodoro Richards para realizar un crucero a bordo del HMS Boadicea, pero cuando se encontraban a punto de retornar a Inglaterra desde Suráfrica al año siguiente, Froude fallecía a causa de la disentería. Su cuerpo fue enterrado en el cementerio naval de Simon’s Town (al sudeste de Ciudad del Cabo, Suráfrica) con todos los honores.

La medalla William Froude.

Desde 1860 tan solo 28 personas han recibido la medalla William Froude de la Royal Institution of Naval Architects, a veces llamado el premio Nobel naval. Este galardón individual es el mayor reconocimiento de la RINA a un logro profesional, otorgado a cualquier persona que en opinión del Consejo de la RINA haya realizado una destacada aportación a la ingeniería o a la construcción naval y cuyos logros merezcan una especial consideración.


Un artículo de Juan A Oliveira. Si te ha gustado la entrada, puedes seguir el blog por TwitterFacebook  o correo electrónico (búscalo más abajo),  para recibir las actualizaciones semanales.

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