Ingeniería naval

En la ingeniería de buques marítimos, la arquitectura naval se ocupa del diseño general del buque y su propulsión a través del agua, mientras que la ingeniería marina garantiza que los sistemas del buque funcionen según el diseño. ^{[ 3 ]} Aunque son disciplinas distintas, los arquitectos navales y los ingenieros marinos suelen trabajar codo con codo.

La ingeniería oceánica se ocupa de otras estructuras y sistemas en el océano o adyacentes a él, incluyendo plataformas marinas , estructuras costeras como muelles y puertos , y otros sistemas oceánicos como la conversión de energía de las olas oceánicas y los sistemas de soporte vital submarinos . ^{[ 4 ]} De hecho, esto hace que la ingeniería oceánica sea un campo distinto de la ingeniería marina, que se ocupa específicamente del diseño y la aplicación de sistemas a bordo de buques. ^{[ 5 ]} Sin embargo, debido a su nomenclatura similar y a las múltiples disciplinas centrales superpuestas (por ejemplo, hidrodinámica , hidromecánica y ciencia de los materiales ), la "ingeniería oceánica" a veces opera bajo el término general de "ingeniería marina", especialmente en la industria y la academia fuera de los EE. UU. La misma combinación se ha aplicado al resto de este artículo.

La oceanografía es un campo científico que se ocupa de la adquisición y el análisis de datos para caracterizar el océano. Aunque son disciplinas distintas, la ingeniería marina y la oceanografía están estrechamente relacionadas: los ingenieros marinos suelen utilizar los datos recopilados por los oceanógrafos para fundamentar sus diseños e investigaciones, y los oceanógrafos utilizan herramientas diseñadas por ingenieros marinos (más específicamente, ingenieros oceanográficos) para profundizar en su comprensión y exploración del océano. ^{[ 6 ]}

La ingeniería naval integra muchos aspectos de la ingeniería mecánica. Una muestra de esta relación reside en el diseño de los sistemas de propulsión a bordo. Los ingenieros mecánicos diseñan la planta de propulsión principal , los sistemas de alimentación y mecanización de las funciones del buque, como la dirección, el fondeo , la manipulación de la carga , la calefacción, la ventilación, el aire acondicionado, las comunicaciones interiores y exteriores, y otros requisitos relacionados. Los sistemas de generación y distribución de energía eléctrica suelen ser diseñados por sus proveedores; la única responsabilidad de diseño de la ingeniería naval es la instalación.

Además, la comprensión de temas de ingeniería mecánica como dinámica de fluidos , mecánica de fluidos , teoría de ondas lineales , resistencia de materiales , mecánica estructural y dinámica estructural es esencial para el repertorio de habilidades de un ingeniero naval. Estas y otras materias de ingeniería mecánica constituyen un componente integral del plan de estudios de ingeniería naval. ^{[ 7 ]}

Los conceptos de ingeniería civil desempeñan un papel importante en muchos proyectos de ingeniería marítima, como el diseño y la construcción de estructuras oceánicas, puentes y túneles marítimos , y el diseño de puertos y dársenas.

La ingeniería marina suele abarcar los campos de la ingeniería eléctrica y la robótica , especialmente en aplicaciones relacionadas con el uso de cables submarinos y vehículos submarinos no tripulados (UUV).

El conocimiento de la ingeniería marina resulta útil en el campo de la ingeniería petrolera, ya que la hidrodinámica y la integración con el lecho marino son elementos clave en el diseño y mantenimiento de las plataformas petrolíferas marinas .

La construcción marítima consiste en edificar estructuras en grandes masas de agua, generalmente el mar, o en sus inmediaciones. Estas estructuras pueden tener diversos fines, como el transporte, la producción de energía y la recreación. La construcción marítima puede implicar el uso de una variedad de materiales de construcción, principalmente acero y hormigón . Algunos ejemplos de estructuras marítimas incluyen barcos, plataformas marinas, amarres, oleoductos, cables, muelles, puentes, túneles, rompeolas y dársenas.

Del mismo modo que los ingenieros civiles diseñan para soportar las cargas del viento en edificios y puentes, los ingenieros navales diseñan para soportar que un barco o submarino sea golpeado por las olas millones de veces a lo largo de su vida útil. Estas condiciones de carga también se encuentran en la construcción naval y la ingeniería costera.

Cualquier buque marítimo requiere constantemente estabilidad hidrostática. Un arquitecto naval , al igual que un diseñador de aviones, se ocupa de la estabilidad . Lo que hace único el trabajo del arquitecto naval es que un barco opera simultáneamente en dos fluidos: agua y aire. Incluso después de que un barco ha sido diseñado y puesto en el mar, los ingenieros navales se enfrentan al desafío de equilibrar la carga, ya que apilar contenedores verticalmente aumenta la masa del barco y eleva el centro de gravedad. El peso del combustible también presenta un problema, ya que la inclinación del barco puede provocar el desplazamiento del líquido, lo que resulta en un desequilibrio. En algunos buques, este desequilibrio se contrarresta almacenando agua en tanques de lastre más grandes . Los ingenieros navales son responsables de la tarea de equilibrar y controlar el combustible y el agua de lastre de un barco. Las estructuras flotantes en alta mar tienen limitaciones similares.

El entorno de agua salada al que se enfrentan los buques los hace altamente susceptibles a la corrosión. En cada proyecto, los ingenieros navales se preocupan por la protección de la superficie y la prevención de la corrosión galvánica . La corrosión puede inhibirse mediante protección catódica , introduciendo piezas de metal (por ejemplo, zinc ) que actúan como ánodo de sacrificio en la reacción de corrosión. Esto provoca que el metal se corroa en lugar del casco del buque. Otra forma de prevenir la corrosión es mediante el envío de una cantidad controlada de corriente continua baja a través del casco, modificando así su carga eléctrica y retrasando el inicio de la corrosión electroquímica. Problemas similares se presentan en estructuras costeras y marinas.

El tratamiento antiincrustante es el proceso de eliminar los organismos que obstruyen los componentes esenciales de los sistemas de agua de mar. Dependiendo de la naturaleza y la ubicación del crecimiento marino, este proceso se lleva a cabo de diversas maneras:

• Los organismos marinos pueden crecer y adherirse a las superficies de las tomas de succión externas que se utilizan para obtener agua para los sistemas de refrigeración. La electrocloración consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de alta intensidad a través del agua de mar, alterando su composición química para crear hipoclorito de sodio y eliminando cualquier materia biológica.
• Un método electrolítico de protección antiincrustante consiste en hacer pasar corriente eléctrica a través de dos ánodos (Scardino, 2009). ^{[ 8 ]} Estos ánodos suelen estar compuestos de cobre y aluminio (o, alternativamente, hierro ). El primer metal, el ánodo de cobre , libera sus iones en el agua, creando un entorno demasiado tóxico para la materia biológica. El segundo metal, el aluminio, recubre el interior de las tuberías para prevenir la corrosión.
• Otros organismos marinos, como mejillones y algas, pueden adherirse al fondo del casco de un barco. Este crecimiento altera la superficie lisa y uniforme del casco, reduciendo su hidrodinámica y, por consiguiente, su velocidad y eficiencia en el consumo de combustible. ^{[ 9 ]} El crecimiento de organismos marinos en el casco puede solucionarse mediante el uso de una pintura especial que los inhibe.

La cavitación es el proceso de formación de una burbuja de aire en un líquido debido a la vaporización de dicho líquido causada por una zona de baja presión. Esta zona de baja presión reduce el punto de ebullición del líquido, permitiendo que se vaporice y se convierta en gas. La cavitación puede ocurrir en bombas, lo que puede dañar el impulsor que mueve los fluidos a través del sistema. La cavitación también se observa en la propulsión. Se forman bolsas de baja presión en la superficie de las palas de la hélice a medida que aumentan sus revoluciones por minuto. ^{[ 12 ]} La cavitación en la hélice provoca una implosión pequeña pero violenta que podría deformar la pala. Para solucionar este problema, un mayor número de palas permite obtener la misma fuerza de propulsión, pero a una menor velocidad de rotación. Esto es crucial para los submarinos, ya que la hélice debe mantener la embarcación relativamente silenciosa para permanecer oculta. Con más palas en la hélice, la embarcación puede lograr la misma fuerza de propulsión a menores revoluciones del eje.

La carga ondulatoria consiste, generalmente, en la aplicación de una carga pulsante u ondulatoria a un material u objeto. Se utiliza con mayor frecuencia en el análisis de tuberías, barcos o estructuras de edificios que experimentan perturbaciones causadas por el viento, el agua o fenómenos sísmicos .

Al diseñar sistemas que operan en el Ártico (especialmente equipos científicos como instrumentación meteorológica y boyas oceanográficas ), los ingenieros marinos deben superar una serie de desafíos de diseño. Los equipos deben ser capaces de operar a temperaturas extremas durante períodos prolongados, a menudo con poco o ningún mantenimiento. Esto genera la necesidad de materiales excepcionalmente resistentes a la temperatura y componentes electrónicos de precisión duraderos.

La ingeniería costera aplica una mezcla de ingeniería civil y otras disciplinas para crear soluciones costeras para áreas a lo largo o cerca del océano. Para proteger las costas de la fuerza de las olas , la erosión y el aumento del nivel del mar , los ingenieros marinos deben considerar si utilizarán una solución de infraestructura "gris" —como un rompeolas, una alcantarilla o un muro de contención construido con rocas y hormigón— o una solución de infraestructura "verde" que incorpore plantas acuáticas, manglares y/o ecosistemas de marismas. ^{[ 14 ]} Se ha descubierto que la infraestructura gris cuesta más construir y mantener, pero puede proporcionar una mejor protección contra las fuerzas del océano en entornos de oleaje de alta energía. ^{[ 15 ]} Una solución verde es generalmente menos costosa y se integra mejor con la vegetación local, pero puede ser susceptible a la erosión o los daños si se ejecuta incorrectamente. ^{[ 16 ]} En muchos casos, los ingenieros seleccionarán un enfoque híbrido que combine elementos de soluciones grises y verdes. ^{[ 17 ]}

En todo proyecto costero y marino, la sostenibilidad ambiental es una consideración importante para la preservación de los ecosistemas oceánicos y los recursos naturales . Algunos ejemplos en los que los ingenieros marinos se benefician del conocimiento de la ingeniería ambiental incluyen la creación de pesquerías , la limpieza de derrames de petróleo y la creación de soluciones costeras . ^{[ 18 ]}

En alta mar, lejos de la costa, se utilizan diversos sistemas diseñados total o parcialmente por ingenieros navales.

Un ingeniero naval también puede ocuparse de la planificación, creación, expansión y modificación de diseños de puertos y dársenas . Los dársenas pueden ser naturales o artificiales y protegen a los barcos anclados del viento, las olas y las corrientes. ^{[ 21 ]} Los puertos pueden definirse como una ciudad, pueblo o lugar donde los barcos atracan, cargan o descargan. Los puertos suelen estar ubicados dentro de un dársena y están compuestos por una o más terminales individuales que manejan una carga particular, incluyendo pasajeros, carga a granel o carga en contenedores . ^{[ 22 ]} Los ingenieros navales planifican y diseñan varios tipos de terminales y estructuras marítimas que se encuentran en los puertos, y deben comprender las cargas impuestas a estas estructuras a lo largo de su vida útil.

Las técnicas de salvamento marítimo se modifican y mejoran continuamente para recuperar los restos de naufragios. Los ingenieros navales utilizan sus conocimientos para colaborar en algunas etapas de este proceso.

Con una formación técnica diversa, los ingenieros navales trabajan en una amplia gama de puestos en la industria, abarcando todos los campos de las matemáticas, la ciencia, la tecnología y la ingeniería. Algunas empresas, como Oceaneering International y Van Oord, se especializan en ingeniería naval, mientras que otras contratan ingenieros navales para proyectos específicos. Este tipo de consultoría es común en la industria petrolera, donde empresas como ExxonMobil y BP contratan ingenieros navales para gestionar aspectos de sus proyectos de perforación en alta mar.

La ingeniería naval se presta a diversas aplicaciones militares , principalmente relacionadas con la Armada . Los Seabees , el Cuerpo de Ingenieros Civiles y los oficiales de ingeniería de la Armada de los Estados Unidos suelen realizar trabajos relacionados con la ingeniería naval. Los contratistas militares (especialmente los de los astilleros navales) y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército también participan en ciertos proyectos de ingeniería naval.

En 2012, el promedio anual de ingresos de los ingenieros navales en EE. UU. fue de $96,140 con un promedio de ingresos por hora de $46.22. ^{[ 23 ]} Se prevé que el campo de la ingeniería naval crezca aproximadamente un 12% entre 2016 y 2026. Actualmente, hay alrededor de 8,200 arquitectos navales e ingenieros navales empleados, sin embargo, se espera que este número aumente a 9,200 para 2026. ^{[ 24 ]} Esto se debe al menos en parte al papel crítico de la industria naviera en la cadena de suministro del mercado global; el 80% del comercio mundial por volumen se realiza en el extranjero por cerca de 50,000 barcos, todos los cuales requieren ingenieros navales a bordo y en tierra. ^{[ 25 ]} Además, la energía marina continúa creciendo y existe una mayor necesidad de soluciones costeras debido al aumento del nivel del mar .

• IMarEST
• Universidad Marítima Mundial
• Sociedad para la Tecnología Subacuática
• Sociedad de Ingeniería Oceánica del IEEE
• Instituto de Investigación y Ingeniería Marina
• Universidad Marítima de la India
• Real Institución de Arquitectos Navales (RINA)
• Academia Naval de Pakistán
• La Sociedad de Arquitectos Navales e Ingenieros Marinos (SNAME) es una sociedad mundial centrada en el avance de la industria marítima. SNAME fue fundada en 1893. ^{[ 26 ]}
• Sociedad Estadounidense de Ingenieros Navales (ASNE)
• SIMAC
• Asociación de Ingeniería OffShore y Marina

Varias instituciones, entre ellas el MIT , ^{[ 27 ]} la UC Berkeley , ^{[ 28 ]} la Academia Naval de los Estados Unidos , ^{[ 29 ]} y la Universidad Texas A&M, ^{[ 30 ]} ofrecen una licenciatura en ciencias de cuatro años específicamente en ingeniería oceánica. Los programas acreditados constan de materias básicas de matemáticas y ciencias de pregrado, como cálculo , estadística , química y física ; materias fundamentales de ingeniería, como estática , dinámica , ingeniería eléctrica y termodinámica ; y materias más especializadas, como análisis estructural oceánico , hidromecánica y gestión costera .

Los estudiantes de posgrado en ingeniería oceánica toman clases sobre temas más avanzados y profundos mientras realizan investigaciones para completar una tesis de posgrado. El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ofrece maestrías y doctorados específicamente en ingeniería oceánica. ^{[ 31 ]} Además, el MIT organiza un programa conjunto con la Institución Oceanográfica Woods Hole para estudiantes que estudian ingeniería oceánica y otros temas relacionados con el océano a nivel de posgrado. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

Las revistas sobre ingeniería oceánica incluyen Ocean Engineering , ^{[ 34 ]} el IEEE Journal of Oceanic Engineering ^{[ 35 ]} y el Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering . ^{[ 36 ]}

Entre las conferencias en el campo de la ingeniería marina se incluyen la Conferencia y Exposición OCEANS de la Sociedad de Ingeniería Oceánica del IEEE ^{[ 37 ]} y la Conferencia Europea de Energía Undimotriz y Mareomotriz (EWTEC) ^{[ 38 ] .}

• Pieter van Oord, director ejecutivo de Royal van Oord

• Michael E. McCormick , profesor emérito del Departamento de Arquitectura Naval e Ingeniería Oceánica de la Academia Naval de los Estados Unidos y pionero de la investigación sobre la energía undimotriz.