Casco (embarcación)

El casco es la parte estanca de un barco , bote , submarino o hidroavión . Puede abrirse por la parte superior (como en un bote auxiliar ) o estar total o parcialmente cubierto por una cubierta. Sobre la cubierta puede haber una caseta de cubierta y otras superestructuras , como una chimenea, una grúa o un mástil . La línea donde el casco toca la superficie del agua se llama línea de flotación .

Existe una amplia variedad de tipos de casco que se eligen según su idoneidad para diferentes usos, y la forma del casco depende de las necesidades del diseño. Las formas varían desde una caja casi perfecta, en el caso de las barcazas, hasta una superficie de revolución afilada como una aguja en el caso de un velero multicasco de regatas. La forma se elige para lograr un equilibrio entre el costo, las consideraciones hidrostáticas (alojamiento, capacidad de carga y estabilidad), la hidrodinámica (velocidad, requisitos de potencia y movimiento y comportamiento en alta mar) y las consideraciones especiales para la función del buque, como la proa redondeada de un rompehielos o el fondo plano de una lancha de desembarco .

En un buque de acero moderno típico, el casco cuenta con cubiertas estancas y elementos transversales principales denominados mamparos . También puede haber elementos intermedios como vigas , largueros y almas , y elementos menores llamados cuadernas transversales, cuadernas o longitudinales, según la disposición estructural . La cubierta superior continua puede denominarse «cubierta superior», «cubierta de barlovento», «cubierta de mástil», « cubierta principal » o simplemente «cubierta». El nombre específico depende del contexto: el tipo de buque, la disposición o incluso el lugar donde navega.

En un velero de madera típico, el casco se construye con tablones de madera, sostenidos por cuadernas transversales (a menudo llamadas costillas) y mamparos, que a su vez se unen mediante largueros longitudinales o techo. Con frecuencia, aunque no siempre, hay un elemento longitudinal central llamado quilla . En los cascos de fibra de vidrio o materiales compuestos, la estructura puede asemejarse en cierta medida a la de embarcaciones de madera o acero, o ser de tipo monocasco . En muchos casos, los cascos de materiales compuestos se construyen intercalando finas láminas reforzadas con fibra sobre un núcleo ligero pero razonablemente rígido de espuma, madera de balsa, nido de abeja de papel impregnado u otro material.

Quizás los primeros cascos propiamente dichos fueron construidos por los antiguos egipcios , quienes hacia el año 3000 a. C. ya sabían cómo ensamblar tablones de madera para formar un casco. ^{[ 1 ]}

Los cascos se presentan en muchas variedades y pueden tener forma compuesta (por ejemplo, una entrada fina en la parte delantera y una forma de campana invertida en la parte trasera), pero se agrupan principalmente de la siguiente manera:

• Con aristas y aristas pronunciadas. Ejemplos de ello son el fondo plano (con aristas), el fondo en V y el casco multiarista (varias aristas pronunciadas más suaves, pero aún no lisas). Estos tipos presentan al menos una curvatura pronunciada a lo largo de casi toda su eslora.
• Moldeados, de pantoque redondo o de arista suave . Todas estas formas de casco presentan curvas suaves. Algunos ejemplos son el pantoque redondo, el pantoque semirredondo y el casco en forma de S.

Cascos de planeo y de desplazamiento

• Casco de desplazamiento: en este caso, el casco se sustenta exclusiva o predominantemente por flotabilidad . Las embarcaciones con este tipo de casco se desplazan por el agua a una velocidad limitada, definida por la eslora, salvo en el caso de cascos especialmente estrechos, como los multicascos de vela , que presentan menos limitaciones en este sentido.
• Casco de planeo: en este caso, la forma del casco de planeo está configurada para generar una presión dinámica positiva , de modo que su calado disminuye con el aumento de la velocidad. La sustentación dinámica reduce la superficie mojada y, por lo tanto, también la resistencia . Estos cascos a veces tienen fondo plano, a veces fondo en V y, más raramente, quilla redonda. La forma más común es tener al menos una quilla, lo que hace que el planeo sea más eficiente y puede desviar el rocío hacia abajo. Los cascos de planeo son más eficientes a velocidades más altas , aunque aún requieren más energía para alcanzarlas. Un casco de planeo eficaz debe ser lo más ligero posible, con superficies planas que sean compatibles con una buena navegabilidad. Los veleros que planean también deben navegar eficientemente en modo de desplazamiento con vientos flojos.
• Semidesplazamiento o semiplaneo: en este caso, la forma del casco es capaz de generar una sustentación dinámica moderada; sin embargo, la mayor parte del peso de la embarcación se sigue soportando mediante la flotabilidad.

Formas del casco

En la actualidad, la forma más utilizada es el casco de pantoque redondo. ^{[ 2 ]}

Con una carga útil reducida, este tipo de embarcación tiene menos superficie del casco sumergida , lo que reduce la resistencia y aumenta la velocidad. Con una carga útil mayor, la resistencia es mayor y la velocidad menor, pero la curvatura hacia afuera del casco proporciona un mejor desempeño en las olas. Por ello, la forma de campana invertida es una forma popular utilizada en cascos de planeo.

Cascos con aristas vivas y aristas duras

Un casco con aristas vivas no presenta una transición suave y redondeada entre el fondo y los costados. En cambio, sus contornos se ven interrumpidos por ángulos agudos donde se unen los paneles predominantemente longitudinales del casco. Cuanto más aguda sea la intersección (cuanto más agudo el ángulo), más pronunciada será la arista viva. Es posible que haya más de una arista viva por costado.

La "piragua" cajún es un ejemplo de embarcación con casco de aristas vivas.

Entre las ventajas de este tipo de casco se incluyen un coste de producción potencialmente menor y un fondo (generalmente) bastante plano, lo que permite que la embarcación planee más rápido . Un casco con aristas vivas resiste el balanceo (en aguas tranquilas) más que un casco con pantoques redondeados (la arista viva crea turbulencia y resistencia, oponiéndose al balanceo a medida que se desplaza por el agua; los pantoques redondeados ofrecen menor resistencia al flujo en los giros). En mares agitados, esto puede provocar un mayor balanceo, ya que el movimiento se concentra primero hacia abajo y luego hacia arriba en la arista viva: por consiguiente, las embarcaciones con pantoques redondeados se comportan mejor en las olas.

Los cascos con aristas pueden tener una de tres formas:

• Cascos de fondo plano con quilla
• Cascos con múltiples aristas
• Cascos con fondo en V y quilla. A veces llamados quilla dura.

Cada uno de estos cascos de quilla tiene sus propias características y usos únicos. El casco de fondo plano tiene una alta estabilidad inicial pero una alta resistencia. Para contrarrestar la alta resistencia, las formas del casco son estrechas y a veces se estrechan mucho en proa y popa. Esto lleva a una poca estabilidad cuando se escora en un velero. Esto se suele contrarrestar usando un lastre interior pesado en las versiones de vela. Son más adecuados para aguas costeras protegidas. Los primeros barcos de carreras a motor eran finos en la proa y planos en la popa. Esto producía la máxima sustentación y una navegación suave y rápida en aguas tranquilas, pero esta forma de casco se desestabiliza fácilmente con las olas. El casco de quilla múltiple se aproxima a una forma de casco curva. Tiene menos resistencia que un barco de fondo plano. Los cascos de quilla múltiple son más complejos de construir, pero producen una forma de casco más apta para la navegación en alta mar. Suelen ser cascos de desplazamiento. Los barcos con quilla en V o de fondo arqueado tienen una forma de V entre 6° y 23°. Esto se llama ángulo de inclinación . La forma más plana de un casco de 6 grados permite planear con menos viento o un motor de menor potencia, pero genera más impacto en las olas. La forma de V profunda (entre 18 y 23 grados) solo es adecuada para embarcaciones de planeo de alta potencia. Estas requieren motores más potentes para que la embarcación planee, pero ofrecen una navegación más rápida y suave en las olas. Los cascos con quilla de desplazamiento tienen mayor superficie mojada y, por lo tanto, mayor resistencia, que un casco redondo equivalente, para un desplazamiento dado.     

Cascos de curvas suaves

Los cascos de curvas suaves son aquellos que, al igual que los cascos curvos, utilizan una orza o una quilla fija.

Los cascos de pantoque semicirculares son algo menos redondos. La ventaja del pantoque semicircular es que representa un buen punto intermedio entre el fondo en S y el casco con arista viva. Ejemplos típicos de cascos de pantoque semicirculares se pueden encontrar en los veleros Centaur y Laser .

Los cascos de fondo en S son cascos de veleros con una sección transversal central en forma de S. En el fondo en S, el casco tiene pantoques redondeados y se fusiona suavemente con la quilla, y no hay esquinas afiladas en los costados del casco entre la línea central de la quilla y la línea de cubierta. Los barcos con esta forma de casco pueden tener una quilla larga fija profunda, o una quilla larga fija poco profunda con una quilla abatible de orza en el interior. El lastre puede ser interno, externo o una combinación. Esta forma de casco fue más popular a finales del siglo XIX y principios y mediados del siglo XX. Ejemplos de pequeños veleros que utilizan esta forma de S son el Yngling y el Randmeer .

• Se pueden instalar dispositivos de control como un timón , aletas de compensación o estabilizadores.
• Se puede instalar una quilla en un casco para aumentar la estabilidad transversal, la estabilidad direccional o para generar sustentación.
• Los apéndices retráctiles incluyen orzas y quillas . ^{[ 3 ]}
• Una protuberancia frontal por debajo de la línea de flotación se denomina proa bulbosa . Estas se instalan en algunos cascos para reducir la resistencia hidrodinámica causada por la formación de olas y, por lo tanto, aumentar la eficiencia del combustible .

• La línea de base es una línea de referencia horizontal a partir de la cual se miden las distancias verticales.
• La proa es la parte delantera del casco.
• La sección central es la parte media del buque en dirección longitudinal.
• Babor es el lado izquierdo del buque cuando se mira hacia la proa desde a bordo.
• Estribor es el lado derecho de la embarcación cuando se mira hacia la proa desde a bordo.
• La popa es la parte trasera del casco.
• La línea de flotación es una línea imaginaria que circunscribe el casco y que coincide con la superficie del agua cuando el casco no está en movimiento.

Las formas del casco se definen de la siguiente manera:

Medidas de bloques que definen las dimensiones principales. Son las siguientes:

• La manga o ancho ( B ) es el ancho del casco. (Ej.: BWL es la manga máxima en la línea de flotación).
• El calado ( d ) o ( T ) es la distancia vertical desde la parte inferior de la quilla hasta la línea de flotación .
• El francobordo ( FB ) es la profundidad más la altura de la estructura de la quilla menos el calado .
• La eslora en la línea de flotación ( LWL ) es la longitud desde el punto más adelantado de la línea de flotación, medida de perfil, hasta el punto más a popa de la misma.
• La longitud entre perpendiculares ( LBP o LPP ) es la longitud de la línea de flotación de carga de verano desde el codaste hasta el punto donde cruza la roda . (véase también p/p )
• La longitud total ( LOA ) es la longitud extrema desde un extremo al otro.
• La profundidad moldeada ( D ) es la distancia vertical medida desde la parte superior de la quilla hasta la parte inferior de la cubierta superior en el costado. ^{[ 4 ]}

Derivados de forma que se calculan a partir de la forma y las medidas del bloque. Son:

• El desplazamiento ( Δ ) es el peso del agua equivalente al volumen sumergido del casco.
• El centro de flotabilidad longitudinal ( CFL ) es la posición longitudinal del centroide del volumen desplazado, que suele expresarse como la distancia desde un punto de referencia (generalmente el centro del buque) hasta el centroide del volumen desplazado estático. Cabe destacar que el centro de gravedad longitudinal o centro de gravedad del buque debe coincidir con el CFL cuando el casco se encuentra en equilibrio.
• El centro de flotación longitudinal ( LCF ) es la posición longitudinal del centroide del área de la línea de flotación, que generalmente se expresa como la distancia longitudinal desde un punto de referencia (a menudo en el centro del barco) hasta el centro del área de la línea de flotación estática. Esto puede visualizarse como el área definida por la superficie del agua y el casco.
• El centro vertical de flotabilidad ( VCB , por sus siglas en inglés) es la posición vertical del centroide del volumen desplazado, que generalmente se expresa como una distancia desde un punto de referencia (como la línea base) hasta el centro del volumen desplazado estático.
• El volumen ( V o ∇ ) es el volumen de agua desplazada por el casco.

Los coeficientes ^{[ 5 ]} también ayudan a comparar las formas del casco:

1. El coeficiente de bloque ( C _b ) es el volumen (V) dividido por L _WL × B _WL × T _WL . Si dibujamos un recuadro alrededor de la parte sumergida del barco, es la proporción del volumen del recuadro que ocupa el barco. Da una idea de qué parte del bloque definido por L _WL , manga (B) y calado (T) está ocupada por el casco. Las formas completas, como los petroleros, tendrán un C _b alto , mientras que las formas más finas, como los veleros, tendrán un C _b bajo .$${\displaystyle C_{b}={\frac {V}{L_{WL}\cdot B_{WL}\cdot T_{WL}}}}$$
2. El coeficiente de sección media ( C _m o C _x ) es el área de la sección transversal (A _x ) de la sección en la sección media (o en la sección más grande para C _x ) dividida por manga x calado. Muestra la relación de la sección sumergida más grande del casco con un rectángulo de la misma anchura y profundidad totales que la sección sumergida del casco. Esto define la plenitud de la parte inferior del casco. Un C _m bajo indica una sección media recortada y un C _m alto indica una sección de forma cuadrada. Los veleros tienen una sección media recortada con un C _x bajo , mientras que los buques de carga tienen una sección cuadrada con un C _x alto para ayudar a aumentar el C _b .$${\displaystyle C_{m}={\frac {A_{m}}{B_{WL}\cdot T_{WL}}}}$$
3. El coeficiente prismático ( C _p ) es el volumen (V) dividido por L _WL x A _x . Muestra la relación entre el volumen sumergido del casco y el volumen de un prisma con la misma longitud que el barco y un área de sección transversal igual a la sección sumergida más grande del casco (sección central). Esto se utiliza para evaluar la distribución del volumen de la parte inferior del casco. Un C _p bajo o fino indica una sección central llena y extremos finos, un C _{p alto o lleno indica un barco con extremos más llenos. Los cascos de planeo y otros cascos de alta velocidad tienden a tener un C p} más alto . Los cascos de desplazamiento eficientes que viajan a un número de Froude bajo tenderán a tener un C _p bajo .$${\displaystyle C_{p}={\frac {V}{L_{WL}\cdot A_{m}}}}$$
4. El coeficiente de flotación ( Cw ₎ se calcula dividiendo el área de la superficie de flotación entre LwL _x BwL _. Este coeficiente expresa la plenitud de la superficie de flotación, es decir, la relación entre su área y la de un rectángulo de igual longitud y anchura. Un valor bajo de Cw _indica extremos finos, mientras que un valor alto _indica extremos más llenos. Un valor alto de _Cw mejora la estabilidad y el comportamiento en condiciones de oleaje.$${\displaystyle C_{w}={\frac {A_{w}}{L_{WL}\cdot B_{WL}}}}$$

Nota:$${\displaystyle C_{b}=C_{p}\cdot C_{m}}$$

El uso del diseño asistido por computadora ha reemplazado los métodos tradicionales de diseño naval basados ​​en papel, que dependían de cálculos manuales y dibujos lineales. Desde principios de la década de 1990, se han desarrollado diversos paquetes de software, tanto comerciales como gratuitos, especializados en arquitectura naval, que ofrecen capacidades de dibujo 3D combinadas con módulos de cálculo para hidrostática e hidrodinámica. Estos pueden denominarse sistemas de modelado geométrico para arquitectura naval. ^{[ 6 ]}

• Hayler, William B.; Keever, John M. (2003). Manual del marino mercante estadounidense . Cornell Maritime Pr. ISBN 0-87033-549-9.
• Turpin, Edward A.; McEwen, William A. (1980). Manual para oficiales de la marina mercante (4.ª  ed.). Centreville, MD: Cornell Maritime Press. ISBN 0-87033-056-X.