efecto de superficie libre

El efecto de superficie libre es un mecanismo que puede provocar que una embarcación se vuelva inestable y vuelque . ^{[ 1 ]}

Se refiere a la tendencia de los líquidos —y de los agregados no ligados de pequeños objetos sólidos, como semillas, grava o mineral triturado, cuyo comportamiento se asemeja al de los líquidos— a moverse en respuesta a los cambios en la posición de las bodegas de carga, cubiertas o tanques de líquidos de una embarcación, como consecuencia de los movimientos inducidos por el operador (o de las condiciones del mar causadas por las olas y el viento que actúan sobre la embarcación). Al referirse al efecto de superficie libre , se describe un tanque vacío como «tanque flojo», mientras que un tanque lleno se denomina «comprimido». ^{[ 2 ]}

En un buque con carga normal, cualquier balanceo respecto a la perpendicular se contrarresta con un momento de adrizamiento generado por el mayor volumen de agua desplazado por el casco en el lado que se ha inclinado. Esto supone que el centro de gravedad del buque es relativamente constante. Si una masa móvil dentro del buque se desplaza en la dirección del balanceo, contrarresta el efecto de adrizamiento desplazando el centro de gravedad hacia el lado que se ha inclinado. El efecto de superficie libre puede convertirse en un problema en una embarcación con grandes compartimentos de carga a granel, tanques de combustible o tanques de agua parcialmente llenos (especialmente si abarcan toda la manga del buque), o en caso de inundación accidental, como ha ocurrido en varios accidentes con transbordadores de carga rodada .

Si un compartimento o tanque está vacío o lleno, el centro de masa de la embarcación permanece constante al balancearse lateralmente (con vientos fuertes, mar agitado o giros bruscos). Sin embargo, si el compartimento está solo parcialmente lleno, el líquido en su interior se verá afectado por el cabeceo, el balanceo, el vaivén, el balanceo lateral o la guiñada de la embarcación . Por ejemplo, al balancearse a babor, el líquido se desplazará hacia ese lado del compartimento, lo que a su vez desplazará el centro de masa de la embarcación hacia babor. Esto ralentiza el retorno de la embarcación a la vertical.

El impulso de grandes volúmenes de líquidos en movimiento genera fuerzas dinámicas significativas que contrarrestan el efecto de enderezamiento. Cuando el buque vuelve a la vertical, el balanceo continúa y el efecto se repite en el lado opuesto. En mares agitados, esto puede convertirse en un ciclo de retroalimentación positiva , provocando que cada balanceo sea cada vez más extremo, superando finalmente el efecto de enderezamiento y causando el vuelco. Si bien las oscilaciones repetidas de magnitud creciente se asocian comúnmente con el efecto de superficie libre, no son una condición necesaria. Por ejemplo, en los casos del SS Normandie  y el MS al-Salam Boccaccio 98  , la acumulación gradual de agua durante la extinción del incendio provocó el vuelco en un único balanceo continuo.

Para mitigar este peligro, los buques de carga utilizan múltiples compartimentos a granel o tanques de líquidos más pequeños, en lugar de menos compartimentos más grandes, y posiblemente deflectores dentro de los compartimentos a granel o tanques de líquidos para minimizar los efectos de la superficie libre en la embarcación en su conjunto. Mantener los compartimentos a granel o tanques de líquidos individuales relativamente vacíos o llenos es otra forma de minimizar el efecto y sus problemas asociados. Los tanques hidráulicos utilizan agua para desplazar el aceite más ligero para mantener el tanque lleno en todo momento. ^{[ 3 ]} Los tanques o compartimentos que no se extienden a ambos lados de la línea central del buque son algo menos propensos a oscilaciones desestabilizadoras. De manera similar, los compartimentos estrechos (alineados de proa a popa) y los compartimentos en los extremos alejados de la línea central son menos propensos a causar inestabilidad.

Las inundaciones, las fugas de carga líquida o la entrada de agua no deseada (por precipitaciones, olas o daños en el casco) en un compartimento o en la cubierta de una embarcación, y el efecto de superficie libre resultante, suelen ser una causa contribuyente de accidentes, vuelcos y víctimas, por ejemplo, la pérdida del TEV Wahine  (Wellington, Nueva Zelanda, abril de 1968), el MS Herald of Free Enterprise  (Zeebrugge, Bélgica, marzo de 1987) y el MS Estonia  (Mar Báltico, septiembre de 1994). En el caso del ferry RORO al-Salam Boccaccio 98 (Mar Rojo, febrero de 2006), los procedimientos inadecuados de extinción de incendios provocaron inundaciones que condujeron directamente a la inestabilidad y el vuelco. Tanto en el caso del al-Salam Boccaccio 98 como en el del Costa Concordia , se produjo una escora severa inmediatamente después de que el barco hubiera realizado un giro brusco, lo que provocó que volúmenes inestables de agua (por daños de colisión en este último) se desplazaran de un lado a otro del barco.

El efecto de superficie libre puede afectar a cualquier tipo de vehículo, incluyendo embarcaciones (donde es más común), semirremolques y camiones cisterna para carga a granel o líquidos (causando el efecto tijera o vuelcos), y aeronaves (especialmente aviones cisterna para extinción de incendios y aviones de reabastecimiento de combustible, donde los deflectores mitigan, pero no eliminan, los efectos). El término "efecto de superficie libre" implica un líquido bajo la influencia de la gravedad. La dinámica de oscilación es el campo general que abarca tanto los efectos de superficie libre como situaciones como las de los vehículos espaciales, donde la gravedad es irrelevante, pero la inercia y el momento interactúan con la mecánica de fluidos compleja para causar inestabilidad en el vehículo.

Para reducir los efectos del efecto de superficie libre que potencialmente vuelcan un buque, se aplican requisitos reglamentarios a todos los buques a nivel internacional en virtud del Convenio SOLAS y el Código Internacional de Estabilidad Intacta . ^{[ 4 ]}

• Altura metacéntrica
• Dinámica de chapoteo

• Información sobre el efecto de superficie libre en el sitio web de Transport Canada. Enlace actualizado el 15 de febrero de 2011.
• Posibles causas del desastre del ferry
• Guía marítima para la inspección de buques. Archivada el 23 de agosto de 2011 en Wayback Machine .
• Marine Engineer World - animaciones que ilustran el efecto de la geometría del compartimento en el efecto de superficie libre. Archivado el 20/07/2012 en Wayback Machine.