Cómo funcionan las velas

Uno pensaría que una embarcación sólo puede moverse en la dirección en la que sopla el viento; esto es, a favor del viento. Pero una vela triangular permite que una embarcación navegue a barlovento. Para entender cómo se logra este movimiento, necesitamos identificar primero algunas de las partes de una vela.

El borde delantero de una vela se llama gratil (luff), se coloca hacia el frente de la embarcación. El borde que cuelga por la parte de atrás se llama caída (leech). Una línea horizontal imaginaria del gratil a la caída se llama cuerda (chord). El grado de curvatura en una vela se llama calado (draft), y la medida perpendicular de la cuerda al punto de calado máximo se llama profundidad de cuerda (chord depth). El lado de la vela que el aire llena para crear una curva cóncava se llama el lado de barlovento (windward side). El lado que es empujado hacia afuera para crear una forma convexa se llama el lado de sotavento (leeward side). Volveremos a utilizar estos términos más adelante.

Terminología y partes de la vela

Una embarcación se mueve hacia el viento gracias a las fuerzas que se crean a cada lado de la vela. La fuerza total es la combinación de una fuerza positiva (de empuje) en el lado de barlovento y una fuerza negativa (de atracción) en el lado de sotavento, actuando ambas en la misma dirección. Aunque cueste creerlo, la fuerza de atracción es en realidad la más fuerte de las dos.

En 1738, el científico Daniel Bernoulli descubrió que un aumento en la velocidad del flujo de aire con relación al aire circundante disminuye la presión en el área donde el flujo de aire es más rápido. Esto es lo que sucede en el lado de sotavento de la vela; el aire se acelera y crea una nueva área de baja presión por detrás de la vela.

El principio de Bernoulli aplicado a una sombrilla

¿Por qué se acelera el aire? El aire, como el agua, es un fluido. Cuando el aire choca con la vela y ésta lo divide, una parte se pega al lado convexo (sotavento) y se queda ahí. Para que el aire "libre" que está justo sobre el aire "atrapado" pase por encima de la vela, tiene que doblarse hacia afuera en dirección al flujo de aire que no está afectado por la vela. Pero esta corriente de aire circundante tiende a mantener su dirección y actúa como una especie de barrera. La combinación de la corriente de aire circundante y la curva de la vela crean un estrecho canal por el cual debe viajar el volumen inicial de aire. Debido a que no puede comprimirse, este aire se acelera y fuerza su paso a través del canal. Por ello, la velocidad del flujo aumenta en el lado convexo de la vela.

Es en este momento que la teoría de Bernoulli entra en acción. El flujo acelerado del aire en el estrecho canal es más rápido que el aire circundante, y la presión disminuye en esta área donde el flujo es más rápido. Esto crea una reacción en cadena. Al llegar nuevo aire al extremo delantero de la vela y dividirse, mayor cantidad fluye hacia el lado de sotavento; el flujo de aire es atraído hacia áreas de baja presión y repelido por áreas de alta presión. Ahora una masa de aire aún mayor debe viajar más rápido para forzar su paso a través del canal creado por la vela convexa y el flujo de aire circundante, provocando una presión aún más baja. Y así, sigue aumentando, hasta que se logra la máxima velocidad en las condiciones de viento existentes, y se crea un área de baja presión máxima en el lado de sotavento. El flujo de aire sólo aumenta al alcanzar el punto más profundo de la curva (la profundidad de cuerda). Hasta este punto, el aire estaá convergiendo y acelerando. Pasado este punto el aire se desvía y se desacelera hasta adquirir nuevamente la velocidad del aire circundante.

Flujo laminar de aire alrededor de una vela (ángulo óptimo entre vela y viento)

Mientras tanto, en el lado de barlovento de la vela sucede exactamente lo contrario. Al viajar más aire hacia el lado de sotavento hay menos viento en el lado de barlovento que viaja a través del espacio expandido entre el lado cóncavo de la vela y el aire circundante. Al expandirse este flujo de aire, se desacelera hasta alcanzar una velocidad menor a la del aire circundante, provocando un aumento de presión.

Fuerzas desarrolladas por una vela en flujo laminar

Ahora que conocemos estas fuerzas potenciales, ¿Cómo podemos desarrollarlas para mover nuestra embarcación? Necesitamos crear una relación ideal entre la vela y el viento que permitiría al viento tanto acelerar como fluir a lo largo de la curva convexa de la vela. Una parte de esta relación entre el viento y la vela se llama ángulo de ataque. Imagínate una vela apuntando directamente hacia el viento. El aire se dividirá en partes iguales para cada lado; la vela se "desinfla" en lugar de inflarse, el aire no acelera para formar un área de baja presión en el lado de sotavento y la embarcación no se mueve. Pero si se mueve la vela hacia el viento en el grado correcto, la vela se llena de repente y se desarrollan las fuerzas aerodinámicas.

El ángulo de ataque debe ser muy preciso. Si el ángulo permanece demasiado cercano al viento, el frente de la vela se "orza" o flamea. Si el ángulo es demasiado abierto, las líneas de flujo a lo largo de la curva de la vela se separan y se vuelven a unir al aire circundante. Esta separación crea una "zona de estancamiento" de aire arremolinado que causa un descenso de velocidad y un aumento de presión. Debido a que la curvatura de una vela siempre ocasionará que el extremo de la popa de la vela esté en un ángulo más abierto hacia el viento que el extremo delantero, el aire que está en la caída no puede seguir la curva y torna su dirección hacia la del aire circundante. Idealmente, la separación no debería empezar hasta que el flujo de aire alcance la caída. Pero al ensancharse el ángulo de ataque de una vela, este punto de separación se mueve gradualmente hacia el frente y deja todo lo de atrás en una zona de estancamiento.

Influencia del ángulo de ataque

Se puede observar que, además de tener el ángulo de ataque correcto para permitir que el aire pase suavemente hacia la vela, el otro factor importante en la relación del viento con ésta es que la vela debe poseer la curvatura correcta de manera que el aire se adhiera a ella hasta llegar a la popa. Si la curva es demasiado leve, el flujo de aire no se curvará hacia fuera, y no forzará su paso para aumentar la velocidad. Si la curva es muy pronunciada, el flujo no puede permanecer adherido. Por lo tanto, la separación puede darse por demasiada curvatura así como por un ángulo de ataque demasiado abierto.

Ahora sabemos cómo se desarrollan las presiones en una vela en teoría y en la práctica. Pero ¿de qué manera estas presiones hacen avanzar a una embarcación ? Estudiémoslo más detalladamente.

A nivel del mar la presión del aire es de 10 toneladas por metro cuadrado. Recordemos que la presión del aire disminuye cuando aumenta el flujo de aire en el lado de sotavento de la vela. Supongamos que disminuye 20 kilogramos por metro cuadrado. De igual forma, aumenta la presión del aire en el lado de barlovento; digamos 10 kilogramos por metro cuadrado (recordemos que la presión de atracción es mayor que la presión de empuje). Y aunque la presión de sotavento sea negativa y la de barlovento positiva, ambas trabajan en la misma dirección. Entonces, ahora tenemos un total de 30 kilogramos por metro cuadrado. Multipliquemos eso por una vela de 10 metros cuadrados y habremos creado una fuerza total de 300 kilogramos en la vela.

En cada punto de la vela operan presiones diferentes. La mayor fuerza reside en el punto de profundidad de cuerda, donde la curva de la vela es la más profunda. Es aquí donde el aire fluye más rápidamente y la presión disminuye más. La fuerza se debilita al moverse hacia atrás y separarse. La dirección de estas fuerzas también cambia. En cada punto de la vela la fuerza es perpendicular a la superficie de ésta. Las mayores fuerzas en la parte frontal de la vela se dan también en la mayor dirección de avanzada. En la mitad de la vela la fuerza cambia hacia una dirección lateral, o inclinada. En la parte posterior de la vela, la fuerza se debilita aún más ya que disminuye la velocidad del viento y provoca una dirección de retroceso o de arrastre.

Se puede calcular cada fuerza sobre la vela para determinar la fuerza relativa de sus componentes de proa, inclinación y arrastre en cada lado. Debido a que las fuerzas de proa son también las mayores, la fuerza total que opera sobre la vela adquiere una dirección ligeramente hacia la proa, pero mayormente lateral. Aumentar la fuerza de una vela para ganar más impulso de proa causa también un aumento mucho mayor en la fuerza de inclinación. Entonces, ¿cómo avanza uno contra el viento cuando la fuerza lateral es la mayor? Esto está relacionado con el ángulo de ataque de la vela hacia el viento y con la resistencia de la embarcación al otro fluido involucrado; en este caso el agua.

Fuerzas que operan sobre una embarcación que navega en dirección del viento

La dirección de la fuerza total es casi perpendicular a la cuerda de la vela. Cuando la cuerda de una vela es paralela a la línea central de la embarcación, la fuerza principal es la lateral. Pero si la vela presenta un poco de ángulo, de manera que la fuerza de la vela se halle más ligeramente direccionada hacia la proa, la embarcación avanza de inmediato por sí sola. ¿Por qué? La línea central, o quilla, de la embarcación actúa en contra del agua de forma similar a la de la vela en contra del viento. La quilla produce una fuerza que se opone a la fuerza de inclinación de la vela; evita que la embarcación vaya simplemente en dirección a la fuerza que actúa sobre la vela. Y aunque la fuerza total de la vela es siempre lateral cuando se navega hacia el viento, un ángulo apropiado de ataque hará avanzar a la embarcación.

Mientras más inclinada esté la vela respecto de la línea central del casco, la fuerza apuntará más hacia la proa que hacia un costado. Si combinas ese pequeño ajuste en la fuerza de proa con la oposición del agua al aire, tendrás una embarcación desplazándose rápidamente hacia el viento porque es ahora el curso de menor resistencia.