Facultad de ingeniería.

Universidad del Atlántico, Barranquilla Colombia.

Programa: Ingeniería mecánica.

Diseño, estructuración y fabricación De un barco carguero a escala.

Autores: Carlos Altamar Estrada, Nilson Barrios Obregón, Jorge Fernández Peña, Luis Fernández

Vega.

Director: Ing. Jorge Duarte Forero, PHD.

Año 2014

Índice General Prólogo Resumen Introducción Objetivos Marco Teórico Diseño Cálculos Similitud Flujo Externo

PRÓLOGO

Realizar este proyecto no tuvo otro fin que no estuviese basado en mostrar el

resultado de un trabajo, en el que, a pesar de la corta experiencia en cuanto al

diseño, estructuración y fabricación de un barco a escala, se ha tratado de

emplear al máximo los conocimientos adquiridos gracias al director del proyecto y

los adquiridos por nuestros medios realizando investigaciones, consultas y

métodos que ayudaron a recopilar información necesaria para crear un barco que

sea capaz de transportar un límite de carga en el agua sin tener ningún tipo de

perturbación que lo haga padecer de las profundas aguas de nuestro planeta

tierra.

Por otro lado, este proyecto lleva el sello de un grupo que ha venido funcionando

empujado por la ilusión de muchas personas que siempre han estado allí para

apoyarnos y brindarnos su afecto, entre las que además del personal docente de

la facultad de ingeniería de la Universidad Del Atlántico, figuran un montón de

estudiantes que han dado muestra de su conocimiento, talento y calidad humana,

aportando un grano de arena para lo que hoy es una realidad. A ellos queremos

agradecer:

Crisóstomo Peralta Gonzalo David Zapata Peña

Andrés Guevara

RESUMEN

El mar siempre ha causado fascinación en el ser humano desde el comienzo de

los tiempos. Después de que el hombre descubriese que su cuerpo se sostenía

sobre un tronco en el agua, se le ocurrió unir dos o más troncos para formar una

balsa como transporte. Se puede afirmar que la primera embarcación propiamente

dicha fue la canoa. Surge en la edad de Piedra, y se construía tallando un tronco

que era impulsado mediante remos cortos. Después se recubrieron

de tejidos impermeables y se construían utilizando planchas de madera, atadas o

cocidas entre sí, sujetas con a una armadura interna. Con el paso del tiempo, el

hombre fue descubriendo nuevas técnicas de avance, un ejemplo de éstas fue la

vela; éstos se desplazaban a una mayor velocidad gracias al impulso generado

por el viento. Estas velas probablemente en un principio eran de pieles, los

egipcios fueron los primeros constructores de barcos. Hace miles de años atrás,

los egipcios fabricaban barcos para navegar por el Nilo y por aguas del

Mediterráneo. Exploraron la cuenca mediterránea occidental, llegaron a las islas

británicas y quizá navegaron alrededor de África. Los mástiles de sus

embarcaciones se hacían con cedros del Líbano. Los costados, muy altos, tenían

dos hileras de remos a cada lado, por ello recibieron el nombre de birremes. La

tecnología fue progresando y el hombre construyó elementos para flotar en el

agua; probablemente usó troncos de árboles u otros materiales abundantes en su

entorno que tenían flotabilidad. Para impulsarse y no quedar a la deriva, echó

mano del remo hasta que descubrió que la fuerza eólica podía impulsarlo con

menor esfuerzo y mayor efectividad; luego, descubrió la manera de llevar la

embarcación hacia donde quería e inventó el timón. Es a partir de aquí cuando, el

hombre a través del tiempo fue introduciendo mejoras a sus embarcaciones,

dándoles cada vez mejor impulso y manejo, hasta llegar a las modernas naves

que surcan hoy día los océanos del mundo.

ABSTRACT

The sea has always caused fascination for humans since the beginning of time.

After the man discovered that his body was standing on a log in the water, came

up joining two or more stems to form a raft and transport. Arguably, the first boat

itself was the canoe. Surge in the Stone Age, and built a log carving was propelled

by short oars. Then they were coated waterproof fabrics and were built using

wooden planks, tied and cooked together, subject to an internal frame. Over time,

the man was discovering new breakthrough techniques, an example of these was

the candle; they were traveling at a speed greater the impetus generated by the

wind. These probably were originally candles fur, the Egyptians were the first

shipbuilders. Thousands of years ago, Egyptians manufactured boats to cruise the

Nile and Mediterranean waters. They explored the western Mediterranean, they

came to the British Isles and perhaps sailed around Africa. The masts their boats

were made from Lebanese cedar. The sides, very high, had two rows of oars on

each side, so they were called birremes. The technology progressed and man built

elements to float on water; probably used tree trunks or other heavy materials in

your environment that have buoyancy. To be encouraged and not drift, laid hold of

the oar until he discovered that wind power could drive it with less effort and more

effective; then he found a way to bring the boat to where I wanted and invented the

wheel. It is from here when the man across time was making improvements to their

boats, giving them ever more momentum and handling, up to modern ships that

sail today the world's oceans.

INTRODUCCIÓN

El presente proyecto tiene como principal objetivo el diseño y construcción de un

buque carguero, con el fin de aplicar los conocimientos adquiridos en el presente

semestre en la asignatura de Mecánica de los Fluidos.

Con el seguimiento del docente, la investigación de los miembros del grupo y la

utilización de diferentes herramientas para la realización de cálculos, pruebas y el

dimensionamiento en sí del barco, ha sido posible alcanzar las metas propuestas

cumpliendo los parámetros del proyecto, teniendo en cuenta los factores a evaluar

en dicho proyecto.

OBJETIVOS

Objetivos generales:

Diseñar y construir un barco carguero, capaz de mantenerse estable y navegar

con la mayor cantidad de carga (cubitos de madera.)

Objetivos específicos:

Realizar los cálculos de flotabilidad y estabilidad necesarios para el buen

funcionamiento del buque carguero.

Realizar los cálculos de similitud y fuerzas de arrastre necesarios para la

navegación del buque.

MARCO TEORICO

Buque: son toda clase de embarcaciones en las cuales por sus dimensiones y

características son apropiadas para las navegaciones marítimas de importancia.

Buque Portacontenedores: son los buques encargados de transportar carga en

contenedores estandarizados, se utilizan para transportar todo tipo de mercancías

por todo el mundo. Los contenedores son los que se pueden ver habitualmente en

los puertos.

Eslora: es la longitud del buque medida en el plano longitudinal. Existe la eslora

máxima y la eslora entre perpendiculares.

Manga: es el ancho del buque medido en el plano de la cuaderna maestra.

Puntal: es la altura del buque medida sobre la perpendicular media, desde el

borde inferior de la quilla hasta la cubierta principal.

Calado: es la inmersión del buque en el agua. Se mide a partir de la línea de

construcción, que es la intersección del plano longitudinal con la cara superior de

la quilla hasta la línea de flotación.

Casco: es el envoltorio impermeable de la nave. Debe tener una forma tal que

favorezca su velocidad y le proporcione las mejores cualidades marineras para la

navegación. La proa es la parte anterior del casco y la popa la parte posterior.

Estribor y babor son respectivamente, las partes derecha e izquierda del buque

suponiendo al observador mirando hacia la proa.

Línea de flotación: intersección del plano de nivel libre del agua con la superficie

exterior del casco.

Obra viva: es la parte sumergida del casco.

Obra muerta: es la parte emergente del casco y cuyas superficies laterales se

llaman costados.

Cubiertas: son las superficies horizontales que dividen el interior del buque en el

sentido de su altura.

Bodega: espacio interior de una nave, bajo la cubierta principal.

Flotabilidad: tendencia que tiene un fluido a ejercer una fuerza que da apoyo a un cuerpo que esta sobre él.

Equilibrio de cuerpos flotantes: se basa en el Principio de Arquímedes: "todo cuerpo sumergido dentro de un líquido experimenta un empuje vertical, de abajo-arriba, igual al peso del volumen del líquido desalojado".

Estabilidad: Es la tendencia que debe tener una embarcación a recuperar su

posición inicial cuando ha sido perturbado por acciones de fuerzas externas, se

pueden definir dos tipos de Estabilidad:

Estabilidad estática: Es el conjunto de fuerzas que actúan sobre el barco en una

inclinación determinada. A su vez, la estabilidad estática se pude clasificar en

transversal y longitudinal.

Estabilidad dinámica: Es la que nos permite que al tener un ángulo inclinación el

barco vuelva a recuperar su posición de equilibrio.

EL DISEÑO

Respecto al diseño, se escogió la forma adecuada para mejorar las características

de maniobrabilidad y mejorar a la vez la resistencia al avance. La resistencia al

avance, determina en gran medida la potencia del motor, por tanto, minimizar la

resistencia al avance es uno de los factores más importantes que se tuvieron en

cuenta al momento de realizar el diseño. La resistencia al avance se puede definir

como una resultante de las fuerzas hidrodinámicas que dependen mucho de las

formas de los barcos; optimizar dichas formas para tener el mejor rendimiento es

un problema complicado no solamente a las restricciones impuestas (dimensiones

principales, peso muerto, capacidad de carga, estabilidad, flotabilidad, entre otras),

sino también por las condiciones ambientales, como el viento y el mar, que

pueden conducir a un aumento sustancial de la potencia requerida, comparada

con la que se necesita en aguas tranquilas. Esto se consigue muy pocas veces

porque es difícil establecer todos los parámetros que están involucrados y

también porque hubo limitaciones en el tiempo disponible en la etapa del proyecto.

CALCULOS

Flotabilidad:

Utilizando las herramientas de solidworks se calculo el volumen sumergido (

FIGURA 1 ) , se utilizo la ecuacion de fuerza de boyamiento y se despejo la

cantidad de masa total.

FIGURA 1: Volumen Sumergido

Fuerza de Boyamiento

Utilizando la misma ecuación determinamos la fuerza de Boyamiento.

ALTURA METACENTRICA GARANTIZANDO ESTABILIDAD

Utilizando la ecuación para determinar la altura metacéntrica y utilizando los

valores obtenidos por solidworks (FIGURA 2) se obtuvo estos resultados.

FIGURA 2: Centroide Del Cuerpo Sumergido

FIGURA 3: Centroide Del Cuerpo Lleno

FIGURA 4: Momento de Inercia Del Cuerpo Sumergido

Se determinó restando las alturas del trazo del volumen total con el peso total

y el trazo del volumen sumergido.

Según estos cálculos se garantiza que el buque será estable, ya que su altura

metacéntrica es mayor que 0.

Momento restaurador

X -19.2761cm

Y -0.9092cm

Z 78.2940cm

X -0.2406cm

Y -4.8145cm

Z -0.0005cm

CENTROIDE DEL

CUERPO LLENO

CENTROIDE DEL CUERPO SUMERGIDO

SIMILITUD

En vehículos destinados a ser movidos en medios acuosos, se debe considerar un

fenómeno llamado cavitación, que ocurre cuando la presión estática en el fluido

disminuye, después del paso del vehículo, a tal grado que se forman burbujas

debido a la evaporación del líquido. Debido a que la región de presión baja es muy

pequeña, las burbujas explotan al dejar esa región. Si éstas estallan cerca de la

superficie de contacto, pueden causar erosión. Además, si estallan cerca de las

paletas de dirección, se reduce la fuerza que el timón ejerce sobre ellas, además

de disminuir el empuje y el rendimiento de las propelas.

El número de Froude (Fr) es un número adimensional que relaciona el efecto de

las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad que actúan sobre un fluido. Debe

su nombre al ingeniero hidrodinámico y arquitecto naval inglés William

Froude (1810 - 1879). De esta forma el número de Froude se puede escribir como:

Entonces se define el número de Froude:

- masa volumétrica o densidad [kg/m³]

- parámetro de longitud [m]

- parámetro temporal [s]

- parámetro de velocidad [m/s]

- aceleración de la gravedad [m/s²]

DATOS REALES DEL EMMA MAERSK

La velocidad del Barco Emma Maersk es

aproximadamente 25.5 nudos los cuales

equivalen a

FLUJO EXTERNO

CALCULOS DE ARRASTRE POR FRICCION

Para una velocidad constante de 0.05 m/s

Para una velocidad constante de 0.07 m/s

Para una velocidad constante de 0.09 m/s

Para una velocidad constante de 0.13 m/s

Para una velocidad constante de 0.16 m/s

Para una velocidad constante de 0.20 m/s

CALCULOS DE ARRASTRE POR PRESION

Para una velocidad constante de 0.05 m/s

Para una velocidad constante de 0.07 m/s

Para una velocidad constante de 0.09 m/s

Para una velocidad constante de 0.13 m/s

Para una velocidad constante de 0.16 m/s

Para una velocidad constante de 0.2 m/s

Sabemos que

Para ampliar más este tema se adjuntan los resultados de los análisis de flujo por

fricción y por presión (Anexo 1).

0,1503 0,1309 0,2812

0,0121 0,1132 0,1253

0,0108 0,0988 0,1096

0,0086 0,0812 0,0898

0,008 0,0732 0,0812

0,0075 0,0709 0,0784

Conclusiones

Entre las diversas aplicaciones de la materia de mecánica de los fluidos, el diseño

de embarcaciones tiene una gran repercusión en nuestro campo laboral, es por

eso que es de vital importancia este tipo de proyectos ya que permite poner en

práctica los conocimientos adquiridos en clase, el trabajo en equipo y adquirir las

aptitudes necesarias para el trabajo en la industria.

Este proyecto además de poner a prueba los conocimientos adquiridos en el aula,

nos ha permitido descubrir nuevas herramientas para la solución de algunos

problemas, es el caso de utilizar el software para el diseño y cálculos de ciertas

propiedades que al momento de realizarlos manualmente, habrían sido demasiado

extensos haciendo perder demasiado tiempo.

Cabe destacar que a pesar que los cálculos suministrados por el software son

bastante precisos, es válido apuntar que al momento de trabajar el material y

debido a pérdidas y márgenes de error por diversos factores, los resultados en la

vida real no van a tener el mismo margen de exactitud o incluso sean

completamente diferentes. Es por eso que es de gran ayuda la experimentación y

la recolección de datos reales para que el modelo en cuestión tenga el mayor

grado de veracidad en los cálculos realizados.

Por último es necesario dar las gracias por la atención presentada y desear que

este proyecto sea de gran ayuda para futuras experiencias.

Bibliografía

Libro mecánica de fluidos segunda edición: Merle C. Potter, David C. Wiggert

Libro mecánica de fluidos sexta edición: Robert L. Mott

http://es.wikipedia.org/wiki/Buque_de_carga

http://es.wikipedia.org/wiki/Emma_M%C3%A6rsk_%282006%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Buque_portacontenedores

http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Froude

761,82

117

,66

260

55,

90

71,

52

53,

10

185

,23

80,

51

218,43

barcooooooooooooooooPESO:

A4

HOJA 1 DE 1ESCALA:1:10

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA

MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:

CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ.