Comprendiendo las hélices de los barcos: Aplicando la Tercera Ley de Newton del Movimiento

Sir Isaac Newton describió por primera vez la Tercera Ley de Newton del Movimiento en el siglo XVIII. La ley establece que por cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Esta ley fundamental de la física sigue siendo válida hoy en día y es la esencia de todo lo que nos mueve a través del mundo.

Los barcos de navegación suelen estar equipados con hélices de paso fijo o hélices de paso variable. Las hélices de paso fijo tienen las palas fijas en el cubo de la hélice, lo que requiere un cambio en la dirección de rotación para alterar la dirección del barco. Por otro lado, las hélices de paso variable consisten en palas separadas montadas en un cubo, lo que permite un movimiento simultáneo a través de un arco para cambiar el ángulo de paso.

Una hélice de barco consta de un cubo central que se conecta al eje giratorio, el cual está vinculado al mecanismo de la sala de máquinas. Las palas, montadas en el cubo, se asemejan a secciones aerodinámicas delgadas que generan sustentación hidrodinámica para la propulsión. La hélice tiene dos superficies hidrodinámicas, un borde de ataque que atraviesa primero el agua y un borde de fuga que sigue detrás.

Para entender cómo funciona una hélice de barco, imagínala como una hélice giratoria hacia la derecha con las palas rotando de arriba abajo y moviéndose de izquierda a derecha. Similar a una acción de natación, donde las manos empujan el agua hacia abajo y hacia atrás, las palas de la hélice empujan el agua hacia abajo, creando empuje. El borde de ataque, dependiendo de la dirección de rotación de la hélice, inicia contacto con la superficie del agua, mientras que el borde de salida sigue detrás.

Cuando la hélice gira, crea una diferencia de presión entre los lados superior e inferior de la hoja. Esto resulta en presión positiva por el efecto de empuje debajo de la hoja y presión negativa por el efecto de succión en la parte superior. A medida que el eje del motor gira debido a las explosiones de combustible, la hélice experimenta fuerzas de empuje y de succión en el agua.

La hélice genera empuje axial y transversal. El empuje axial actúa sobre el cojinete de empuje del eje intermedio, transmitiendo fuerza para mover la nave hacia adelante o hacia atrás. El empuje transversal es la fuerza lateral producida por las palas de la hélice al girar, afectando el movimiento lateral de la nave.

Las palas de la hélice están diseñadas para la eficiencia basada en la dirección del movimiento del barco. Están optimizadas para mover el barco hacia adelante de manera eficiente pero menos cuando se mueve hacia atrás. La profundidad del movimiento de la hélice también influye en su eficiencia.

La dirección de empuje de una hélice afecta la dirección del barco. Una hélice diestra tiende a empujar la popa a estribor y la proa a babor al moverse hacia adelante. Al retroceder, el efecto de dirección se invierte. Esta acción de dirección es difícil de controlar, especialmente al retroceder.

La distancia de detención de un barco desde la máxima velocidad depende en gran medida de la fuerza axial. En maniobras de emergencia, la distancia de detención puede ser significativa, potencialmente de hasta seis longitudes de barco para un carguero de 10,000 toneladas. Factores como el tipo de barco, tamaño, potencia disponible y trimado también influyen en la distancia de detención.

El sistema de propulsión del barco es crucial para su movimiento. Sin una hélice, incluso con una generación de energía amplia, el barco no puede moverse hacia adelante o hacia atrás. La hélice puede ser considerable, alcanzando hasta 10 metros de diámetro y pesando entre 100 y 130 toneladas.