Diseño y construcción de una maqueta de remolcador para simulación de operaciones

Diseño y construcción de una maqueta de remolcador Trabajo Final de Grado Facultat de Nàutica de Barcelona Universitat Politècnica de Catalunya Trabajo realizado por: Pere Abaijón Remacha Dirigido por: Rosa Maria Fernández Juan Antonio Moreno Grado en Tecnologías Marinas Barcelona, 8 de julio de 2019 Departament d’Enginyeria de Sistemes, Automàtica i Informàtica Industrial. Departament de Ciències i Enginyeria Nàutiques . i "En la ciencia como en la lotería, la suerte favorece al que juega más, es decir, al que remueve continuamente la tierra del jardín" Santiago Ramón y Cajal ii iii Agradecimientos Agradecer a mis tutores por todo el esfuerzo y dedicación mostrados a lo largo de todo el trabajo. También, agradecer a mis padres por toda la ayuda incondicional y esfuerzo que han hecho posible que el barco luzca así y a mi hermano por las ideas. iv v Resumen En el presente trabajo hay dos grandes caminos a desarrollar, la parte más teórica donde se tocan temas como la historia y usos de los remolcadores, los materiales compuestos y sistemas de control, y por el otro lado, la parte más práctica donde se lleva a cabo el diseño usando software 3D, la construcción de una embarcación, su motorización, puesta a punto y sus pruebas para el estudio en diferentes condiciones del estado de la mar. Se empieza con un pequeño marco histórico, así como la necesidad de los buques remolcadores, los tipos y los usos a los que van destinados. Posteriormente se habla sobre materiales compuestos, haciendo hincapié en las resinas de poliéster y algunos de los métodos usados hoy en día para la construcción y elaboración tanto sea de piezas como de embarcaciones. Para acabar, se detalla en profundidad el proceso de diseño, construcción y ensayo de la embarcación de 1,10 m de eslora. vi Abstract In the present work there are two great paths to develop, the most theoretical part where topics such as the history and uses of tugboats, composite materials and control systems are touched, and on the other hand, the most practical part where it is carried out the design using 3D software, the construction of a boat, its motorization, set-up and its tests for the study in different conditions of the state of the sea. It begins with a small historical framework, as well as the need for towing vessels, the types and uses to which they are intended. Subsequently, we talk about composite materials, emphasizing polyester resins and some of the methods used today for the construction and processing of both pieces and boats. To finish, the design, construction and testing process of the boat of 1.10 m in length is detailed in detail. vii Tabla de contenidos AGRADECIMIENTOS III RESUMEN V ABSTRACT VI TABLA DE CONTENIDOS VII LISTADO DE FIGURAS X LISTADO DE TABLAS XV CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1 1.1 MOTIVACIÓN 1 1.2 OBJETIVOS DEL TRABAJO 2 1.3 ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA 2 CAPÍTULO 2. BARCOS REMOLCADORES 4 2.1 HISTORIA 4 2.2 BARCO REMOLCADOR 5 2.2.1 DEFINICIÓN 5 2.2.2 NECESIDAD DE LOS REMOLCADORES 6 2.2.3 FUNCIONES 6 2.2.4 CARACTERÍSTICAS 7 2.2.5 TIPOS DE REMOLCADORES 10 2.2.7 ELEMENTOS DE REMOLQUE 18 2.2.8 OPERACIONES DE REMOLQUE 22 2.3 MARCO NORMATIVO 28 CAPÍTULO 3. MATERIALES COMPUESTOS 29 3.1 DEFINICIÓN 29 3.2 TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS 29 3.3 MATRICES 31 3.3.1 FUNCIONES DE LA MATRIZ 31 3.3.2 TIPOS DE POLÍMEROS 31 3.3.3 MATRICES TERMOESTABLES 32 3.3.4 RECUBRIMIENTOS 37 3.4 FIBRAS 38 3.4.1 FIBRA DE VIDRIO 38 3.4.2 FIBRA DE CARBONO 39 3.4.3 FIBRAS ARAMÍDICAS 40 xiv Figura 123. Estructura, cabina y soporte pintado ...................................................................................... 99 Figura 124. Barandillas ............................................................................................................................... 99 Figura 125. Barco terminado .................................................................................................................... 100 Figura 126. Olas ........................................................................................................................................ 101 Figura 127. Navegación aguas tranquilas ................................................................................................. 102 Figura 128. Olas de través ........................................................................................................................ 102 Figura 129. Navegación olas de través ..................................................................................................... 103 Figura 130. Navegación olas de través II .................................................................................................. 103 Figura 131. Olas de proa ........................................................................................................................... 104 Figura 132. Navegación olas de proa ....................................................................................................... 105 Figura 133. Navegación con olas de proa II .............................................................................................. 105 Figura 134. Ola de proa ............................................................................................................................ 106 Figura 135. Olas de popa .......................................................................................................................... 107 Figura 136. Navegación olas de popa ....................................................................................................... 107 Figura 137. Navegación olas de popa II .................................................................................................... 108 Figura 138. Esquema eléctrico transmisor ............................................................................................... 109 Figura 139. Parte delantera emisor .......................................................................................................... 110 Figura 140. Parte trasera emisor .............................................................................................................. 110 Figura 141. Esquema receptor ................................................................................................................. 112 Figura 143. Parte trasera receptor ........................................................................................................... 113 Figura 142. Paete delantera receptor ...................................................................................................... 113 xv Listado de tablas Tabla 1. Comparativa entre materiales ...................................................................................................... 35 Tabla 2. Catalizador y acelerador ............................................................................................................... 36 Tabla 3. Propiedades fibra de vidrio ........................................................................................................... 39 Tabla 4. Propiedades fibras de carbono ..................................................................................................... 40 Tabla 5. Propiedades de las fibras aramídicas ........................................................................................... 41 Tabla 6. Comparativa desmoldeantes ........................................................................................................ 47 Tabla 7. Listado herramientas .................................................................................................................. 118 Capítulo 1. Introducción 1 Capítulo 1. Introducción 1.1 Motivación Desde las embarcaciones egipcias hasta los cruceros más modernos se ha intentado lograr que los barcos maniobren y naveguen lo mejor posible, ya sea para llegar a puerto y descargar la carga o para que los pasajeros desembarquen. A mediados del siglo XIX es cuando la navegación y en especial el transporte marítimo empieza a crecer debido a la gran revolución, con la invención de la propulsión mecánica. Ya en el puerto holandés de Rotterdam se empezaron a construir buques rompe hielos para que esta industria creciente y en vías de desarrollo no se detuviera frente a inclemencias meteorológicas.[23] Los buques empezaban a tener grandes esloras y calados, haciendo más complicada su maniobrabilidad, sobretodo en entrada a los puertos de carga. Por esta razón, empezó a hacerse necesario el desarrollo y construcción de un nuevo tipo de barco, potente y capaz de remolcar sin problema los pesados y grandes barcos. Estos nuevos barcos se llamaron remolcadores. Gracias a la invención de la propulsión mecánica se diseñaron barcos remolcadores equipados con calderas de vapor transmitiendo la potencia a la hélice. Dado que tanto la mejora o necesidad de la maniobrabilidad de los barcos ha ido evolucionando, los materiales de construcción también lo han tenido que hacer. Ya desde los egipcios se conocen los materiales compuestos y eran éstos que los usaban para arreglar o reforzar vasijas construidas en cerámica. [19] El ámbito de estudio de este trabajo son los buques remolcadores siendo el motivo principal la posibilidad de aplicar los conocimientos teóricos de la carrera a algo práctico, concretamente a la construcción de un barco remolcador a escala. Con el desarrollo del transporte marítimo el mar es cada vez más pequeño, pues es surcado constantemente por un número creciente de embarcaciones. Si hay unos espacios que se resienten especialmente por este hecho son los puertos. Los puertos tienen un espacio limitado, y sus ampliaciones no son siempre posibles, por este motivo una buena gestión de las entradas y salidas de embarcaciones puede hacer que un puerto sea mucho más eficiente. En este sentido cobra un papel especialmente importante el remolcador, pues de también él depende que un puerto gestione mejor su espacio. La apuesta por mejorar los remolcadores es -en parteuna apuesta por la eficiencia portuaria. Es por este motivo que la embarcación sobre la que se centra este TFG es un remolcador, una embarcación de dimensiones relativamente reducidas capaz de mover barcos mucho más grandes que él debido, básicamente, al diseño del casco y su motorización. Capítulo 1. Introducción 2 1.2 Objetivos del trabajo El objetivo central de este trabajo es diseñar prácticamente desde cero un barco y poder construirlo, aunque a pesar de ser una maqueta a escala, se han seguido todos los procesos de construcción usados en la industria naval. El objetivo incluye poder motorizarlo y controlarlo mediante controles electrónicos, así como el estudio y conocimiento del funcionamiento de los remolcadores y sus diferentes condiciones de operación para poder remolcar o hacer maniobrar un buque de grandes dimensiones. Por tanto, se procederá también al diseño y construcción de uno de ellos, construyendo una maqueta a escala 1:20 de un remolcador del puerto de Bilbao utilizando materiales compuestos mediante unos procesos de construcción de embarcaciones utilizados actualmente en la industria naval y, finalmente, ponerlo a navegar para poder hacer un estudio de su comportamiento. Desde el punto de vista tecnológico, una embarcación es una serie de elementos y sistemas dependientes unos de los otros pero, de igual manera, independientes entre ellos también, es decir, un sistema debe funcionar por si solo pero además, en concordancia con el resto. Así, como objetivos específicos se tienen:  Diseño en 3D de la embarcación mediante Rhinoceros.  Poner en práctica la construcción y modelaje del casco y cubierta.  Poner en práctica la construcción con materiales compuestos.  Motorización e implementación de circuitos y elementos de control.  Conocimiento de las técnicas de remolque usados. 1.3 Organización de la memoria En los puntos que siguen en dicho trabajo, se separará la parte teórica donde se hablará de materiales compuestos, técnicas de moldeo y moldeado, de la construcción de cascos, de técnicas y maniobras realizadas con los barcos remolcadores y también comentar el marco legal que rige la operación de esto barcos en los puertos. Y en la parte práctica, se hablará principalmente de los pasos y procedimientos seguidos para dicha construcción y ensayo. Así, la presente memoria está organizada como sigue: El Capítulo 2 está dedicado a los barcos remolcadores. Se presentan los tipos de barcos remolcadores que hay, desde los pequeños barcos de vapor hasta los modernos remolcadores con propulsión Voith Schneider, haciendo una comparativa entre ellos y describiendo algunos de sus sistemas y disposiciones más significativos. Aprovechando que se ha construido un barco con materiales compuestos, más concretamente con fibra de vidrio y resina de poliéster, en el Capítulo 3 se explican las técnicas y los procesos que se deben seguir para dicha construcción viéndolo desde un punto de vista más práctico pero basándonos en los principios y conocimientos teóricos de dicha materia. En el Capítulo 5 se describe todo el proceso de construcción del barco y los métodos utilizados. Capítulo 1. Introducción 3 En el Capítulo 7 se detalla el presupuesto destinado para la construcción del barco remolcador. Finalmente, en el Capítulo 8 se presentan las principales conclusiones del proyecto y se apuntan líneas futuras de mejora. Capítulo 2. Barcos remolcadores 4 Capítulo 2. Barcos remolcadores 2.1 Historia Hablar de transporte marítimo es sinónimo de hablar de remolcador o más concretamente de remolcar. Desde sus orígenes, la construcción naval siempre ha ido en función de las necesidades de la época. Los caballos y reses se utilizaban para remolcar barcazas de pequeño tamaño por algunos canales y ríos. Con el descubrimiento de América y con las rutas a las Indias, los buques a vela aumentan de manera considerable su tamaño y tonelaje haciendo complicada la entrada a puerto cuando el viento no era favorable teniendo que utilizar chulapas 1 con remos para realizar las maniobras tanto de entrada como de salida de puerto, siendo éstas las primeras operaciones de remolque de barcos a vela. Si pensamos en remolque entre veleros, se puede ver en cuadros el gran marinero español Blas de Lezo y Olavarrieta remolcando un navío inglés después de una batalla. [23] Figura 1. Cuadro de Blas de Lezo [8] Cada vez los remolques a barcos grandes se demandaba más y eran los pesqueros que lo hacían pero con el progresivo aumento del tamaño de los barcos, se necesitaba además de la fuerza favorable del viento su remolque con barcos a remos. [1] 1 Chulapa: Embarcación pequeña generalmente a remo. Capítulo 2. Barcos remolcadores 5 Figura 2. Remolque de un velero [13] Con la invención de la máquina de vapor, se podía solucionar el remolque de estos grandes barcos a vela para entrada y salida a puerto. Holanda fue, durante muchos años, líder en remolques de barcos especializándose en remolques de salvamento instalados en puertos estratégicos con gran afluencia de tráfico. También tuvo una flota de remolcadores para proporcionar de remolque a las grandes dragas del este de la India y para remolcar barcos de puerto a puerto. Sobre la década de los 50 y con el auge creciente de los motores de combustión, se abre la necesidad de perforar el subsuelo para encontrar petróleo en aguas profundas. La primera plataforma que se usó para perforaciones en aguas del Golfo de México fue "Mr. Charlie", la cual necesitaba de un barco para su colocación y remolque. Empezaban así los barcos de suministro o de apoyo (Supply) siendo el primero el "Edd Tide" con una cubierta libre de 27 m. De igual forma que se adaptó un barco para dar soporte a las plataformas petrolíferas, se hace con los barcos remolcadores, incorporando maquinillas de remolque, ganchos, uso de hélices de proa y transversales de popa hasta llegar a las hélices azimutales. [22] 2.2 Barco remolcador 2.2.1 Definición El barco remolcador se ha convertido, actualmente, en un barco imprescindible en operaciones de trabajo en puertos, siendo una figura de rescate, de salvamento marítimo, para dar soporte a plataformas de extracción de crudo, trasladar barcos, etc. Se puede definir un remolcador como un tipo de barco especializado en el apoyo de la maniobra de otros buques y/u objetos, o dicho de otro modo, un remolcador está diseñado para ejercer una fuerza de tracción o de empuje sobre el buque asistido tirando de él mediante un cabo de remolque o empujándolo Capítulo 2. Barcos remolcadores 6 apoyándose en el casco del propio buque asistido ya que por su condición o lugar de navegación no puede navegar libremente manteniendo la seguridad. [17] 2.2.2 Necesidad de los remolcadores En función de las necesidades y requisitos de cada puerto, se procede a la adquisición de un tipo de remolcador u otro. Se deben tener en cuenta los siguientes puntos: - Las características del área donde va a desarrollarse la maniobra. - Las condiciones climáticas. - El tipo de buque a remolcar y sus condiciones de maniobrabilidad. - El tipo de maniobra a realizar y forma de actuación. - Las condiciones económicas que regulen la intervención de los remolcadores. Con la llegada del buque a puerto, se separa la asistencia del mismo en tres fases, siendo: 1. El buque mantiene una velocidad apreciable donde puede mantener un control de la navegación con sus propios medios, siendo, por ejemplo, por hélices o timón. Si se requiere asistencia de remolcadores, éstos no demandarán potencia o tracción excesiva pero, si en caso necesario, condiciones específicas de navegabilidad para poder asistir al buque en movimiento. 2. El buque reduce la velocidad para la aproximación al área de maniobra donde el buque realiza la parada. En esta fase el buque reduce la velocidad, reduciendo también la posibilidad de maniobrar por sus propios medios siendo necesaria la asistencia de remolcadores. 3. Se realizan las últimas maniobras de aproximación o atraque, en el caso de llegada a puerto. El buque no dispone de suficiente velocidad para poder actuar por sí solo. Es en esta fase donde la ayuda de remolcadores es la más importante. [17] 2.2.3 Funciones A continuación, se enumeran una serie de funciones que desempeña o puede desempeñar este tipo de barco, siendo:  Asistencia en buques durante maniobras de atraque o desatraque.  Ayuda o asistencia en buques con espacios limitados de maniobra.  En condiciones de baja velocidad, donde la eficacia del timón y motor propulsor se ve reducida, pueden dar apoyo en condiciones de fuerte viento, oleajes o corrientes, así como a la detención del buque.  En circunstancias de buque sin gobierno o sin propulsión, dan remolque o auxilio.  Transportar elementos sin medios de propulsión de un lugar a otro. Capítulo 2. Barcos remolcadores 7  En buques que transportan mercancías peligrosas donde puede haber una incidencia considerable, pueden dar escolta. 2.2.4 Características Dadas las necesidades y funciones de las que se debe hacer cargo, su capacidad y facilidad de maniobra son fundamentales para poder llevar a cabo su trabajo. También, la potencia al freno, potencia al eje, tracción a punto fijo o bollard pull y la estabilidad definen las características que deben cumplir estos barcos. [1] 2.2.4.1 Maniobrabilidad Es fundamental la capacidad y facilidad de la maniobra para el desarrollo de las funciones a realizar que ya con grandes buques y con espacios reducidos es imprescindible poder moverse rápidamente y en todas direcciones. La maniobrabilidad o la capacidad de maniobra depende en gran parte de la forma del casco por lo que requiere de un buen diseño en forma hidrocónica a popa o de fondo plano para que a la hélice no le lleguen turbulencias. Otro de los elementos a destacar son los sistemas de propulsión y gobierno en especial si se dispone de sistemas tipo Schottel o Void-Schneider proporcionando mayor movilidad al remolcador en todas direcciones. Un factor influyente también es la posición del gancho o chigre de remolque que deberán estar muy cerca del centro de resistencia lateral o hacia popa de él. Además, también debe tener un puntal reducido manteniendo el punto de remolque a baja altura y la capacidad de pasar de una situación de avante toda a completamente parado.[17] Capítulo 2. Barcos remolcadores 8 1.2.4.2 Estabilidad Figura 3. Curva estabilidad [17] Teniendo en cuenta la curva de estabilidad estática, ésta será positiva hasta los 60-70º con un brazo de estabilidad de unos 60 cm, siendo necesario, entonces, que las puertas de sala de máquinas y alojamientos sean estancas debido a la posibilidad de alcanzar estas grandes esloras cuando tira en dirección de través. Para mejorar la estabilidad estática de los buques remolcadores se puede hacer aumentando la manga, llegando a tener relaciones de eslora/manga inferiores a 3. Se deben mantener las condiciones de estabilidad en cualquier condición de carga y remolcado con buen y mal tiempo. [17] El brazo adrizante, que se muestra en la figura 3, se puede calcular mediante: 𝐺𝑀 = 𝑆𝐻𝑃·ℎ 100· ∆·𝑓 𝐵 (1) O también, 𝐺𝑀 = 𝐵𝐻𝑃·ℎ·15 ∆ · 1 𝐵 (2) Capítulo 2. Barcos remolcadores 15 2.2.6 Sistema de propulsión y gobierno Los sistemas de propulsión del barco deberán estar bien dimensionados en función tanto del tamaño como de la resistencia del casco. Son las Sociedades de Clasificación quienes se encargan de establecer las normas pertinentes para el cumplimiento de las normativas referente a los motores y sistemas de gobierno. Los motores que impulsan los sistemas de propulsión de los remolcadores son Diesel y accionan hélices convencionales o especiales. 2.2.6.1 De propulsión convencional Estos remolcadores disponen de una o más hélices convencionales accionadas por un eje rígido y situadas a popa, en el codaste. Los remolcadores convencionales tienen carencias en maniobrabilidad, debido a:  Ángulo de paro limitado.  No tienen la capacidad de cambiar el sentido de la marcha durante las maniobras de forma rápida. [17] Las principales ventajas e inconvenientes son las siguientes: - Adecuado como remolcador de proa siendo maniobrable a muchas velocidades. - Como contrapartida, inadecuado como remolcador de popa al carecer de maniobrabilidad en marcha atrás. Figura 11. Remolcador convencional [17] Un remolcador convencional puede estar propulsado por una, dos o hasta tres hélices siendo la maniobrabilidad de dos o tres hélices mejor que la de solo una. Las hélices se sitúan dentro de toberas. Capítulo 2. Barcos remolcadores 16 La utilización de toberas se debe a que evita las turbulencias provocadas alrededor de la hélice aprovechando más el empuje ya que una hélice libre dando avante, puede aprovechar un 60% de su máximo empuje y dentro de la tobera, ésta misma hélice puede aprovechar de un 75 al 85% del empuje y consecuentemente, aumentando la potencia de tiro fijo. [17] 2.2.6.2 Con sistema azimutal en proa (tipo Schottel) Generalmente, montan dos hélices en tobera pudiendo girar 360º sobre sí mismas. Debido a su configuración, es adecuado para remolcador de proa y de popa e incluso, en desplazamiento lateral, tienen gran maniobrabilidad. Asimismo, se puede usar para operaciones de empuje y de tiro ya que dispone de una gran tracción en todas direcciones. [17] Figura 12. Tobera [17] Capítulo 2. Barcos remolcadores 17 2.2.6.2 Con sistema azimutal en proa (tipo Schottel) Dispone de dos hélices pudiendo ser orientada cada una de forma independiente, aumentando la maniobrabilidad haciendo virar al buque sobre sí mismo. Generalmente, dispone de dos chigres de remolque tanto en proa como en popa. Debido a la disposición de los azimuts en la popa, está dotado de una gran velocidad en avante y atrás siendo adecuado para operaciones de tiro o empuje disponiendo de una gran fuerza de tracción en todas las direcciones. [17] Figura 14. Remolcador con sistema azimutal en popa [17] 2.2.6.3 Con sistema cicloidal (tipo Void-Scheider) Esta propulsión consta de unas palas verticales que giran sobre un eje vertical permitiendo el desplazamiento del buque en todas las direcciones. Permite regular el ángulo de ataque de las palas durante el funcionamiento comportándose, por lo tanto, como hélices de paso variable, se puede variar también, la dirección del empuje y así funciona también como elemento de gobierno eliminando el timón. Figura 13. Remolcador con sistema azimutal en proa [17] Capítulo 2. Barcos remolcadores 18 Es decir, al modificarse el paso de la pala y su excentricidad se consigue que la fuerza de empuje actúe en cualquier dirección logrando cambios de marcha de avante a atrás de forma muy rápida. Debido a la gran versatilidad y maniobrabilidad, el buque puede navegar en cualquier condición y rumbo, utilizados generalmente en canales y puertos. [17] Figura 15. Remolcador tipo Void-Scheider [17] 2.2.7 Elementos de remolque Una vez descritas las características y funciones de los barcos remolcadores, se debe conocer como las llevan a cabo y mediante qué elementos y equipos serán necesarios para la operativa de remolque. Dichos equipos deben ir en la cubierta como pueden ser el chigre de remolque, el gancho de remolque, las bitas, grilletes, etc. Por lo tanto, cada remolcador dispondrá de unos elementos u otros en función de la operativa a realizar. [15] A continuación, se detallarán una serie de equipos y/o elementos destinados a su uso para el remolcaje. 2.2.7.1 Chigre de remolque Consiste en una máquina hidráulica con uno o más tambores donde se enrolla el cable de remolque. El sistema automático de tensión o de longitud mantiene constante, en todo momento, la longitud y la tensión previamente programada de manera que recoge el cable cuando queda en banda y vira cuando se tensiona demasiado. También puede estar el sistema manual. El chigre de remolque se debe situar tan abajo como sea posible para que la estabilidad del buque no se vea afectada. [15] Capítulo 2. Barcos remolcadores 19 Figura 16. Chigre de remolque [15] 2.2.7.2 Gancho de remolque Gancho previsto con un mecanismo de cierre donde se le fija el cabo de remolque del buque remolcado. El mecanismo de obertura puede ser automático o manual. Figura 17. Gancho de remolque [15] Capítulo 2. Barcos remolcadores 20 2.2.7.3 Cable de remolque Es el cable o cabo empleado para las labores de remolcado. El cable se suele emplear para remolques largos, costeros y oceánicos donde se necesita mucha longitud y gran resistencia. Éste cable puede llegar a ser de 6 cm de diámetro. 2.2.7.4 Bitas Colocadas en cubierta. Son piezas robustas usadas para hacer firmes las estachas de amarre que se largan al muelle y también para hacer de guía a los cabos de remolque permitiendo que el tiro del remolque siempre sea en la misma dirección haciendo que los buques remolcado y remolcador no varíen el rumbo de manera imprevista por acción del viento o de las corrientes. [17] Figura 18. Cable de remolque [15] Capítulo 2. Barcos remolcadores 21 Figura 19. Bita [17] 2.2.7.5 Pie de gallo Es el conjunto de elementos que unen las estachas o cables fijados al buque remolcador con cable de remolque. En el buque remolcador se colocan dos estachas (una a cada banda) fijadas a un grillete donde se fija el cable de remolque para dividir la resistencia del cable y tener más ángulo de tiro. [1] Figura 20. Pie de gallo [17] 2.2.7.6 Rodillos horizontales Son elementos de seguridad usados para minimizar el desgaste del cable durante su arriado y/o virado. El rodillo se mueve con el cable evitando así que roce siempre en el mismo sitio haciendo que no roce tampoco en operaciones de remolque con movimientos laterales de babor a estribor. [18] Capítulo 2. Barcos remolcadores 22 Figura 21. Rodillos horizontales [19] 2.2.7.7 Pines Norman Son otro elemento de seguridad siendo la función principal la de limitar el arco de barrido sobre la cubierta. Figura 22. Pines Norman [19] 2.2.8 Operaciones de remolque En este apartado se hablará desde el remolque más sencillo que es un barco remolcador y un barco remolcado hasta el caso de un remolcador para dos o más remolcados. El remolque de buques se debe dar a través de un contrato comercial o el que se da sin una previa preparación realizado de urgencia y emergencia para salvaguardar la vida y/o embarcaciones. [9] Capítulo 2. Barcos remolcadores 23 2.2.8.1 Dos a más remolcadores para un solo remolque Utilizado cuando es necesario dar remolque a grandes buques o elementos que requieran de grandes potencias y un solo barco no es capaz de darlo. Hay dos posibles configuraciones de uso:  Un remolcador se une a otro mediante su propio cable de remolque y este segundo conectado al buque a remolcar. Es una maniobra un tanto peligrosa debido a que el segundo remolcador tiene una escasa maniobrabilidad aunque, como ventaja principal, se puede destacar que el primer remolcador se ocupa únicamente de dar movimiento al segundo y éste usa toda su potencia en remolcar el buque.  Ambos remolcadores se encuentran conectados al buque. Es un método más cómodo pero más peligroso debido a que si uno de los dos remolcadores se queda sin gobierno tiene la posibilidad de que sea abordado. [1] 2.2.8.2 Un remolcador para dos o más remolcados Por excelencia, este tipo de operación se usa en el remolque de gabarras 2 aunque en ocasiones muy puntuales puede darse en el transporte de embarcaciones en aguas muy tranquilas. Podemos encontrar: o Honolulu Tree: Donde cada remolque está conectado mediante un pennant a la línea. Servirá únicamente en navegación por aguas tranquilas. Figura 23. Honolulu Tree [1] o Tándem: El cable de remolque está conectado al primer remolque y en él irá conectado, por popa, el segundo remolque y así de forma sucesiva hasta completar con todos los remolques. Usado generalmente para el transporte de cabotaje o fluvial de gabarras. [1] 2 Una gabarra es una embarcación muy básica sin formas hidrodinámicas y generalmente sin sistema de gobierno ni lastrado. Capítulo 2. Barcos remolcadores 24 Figura 24. Tándem [1] o Christmas Tree: Consiste en unir en una línea recta mediante pennants unidos por triángulos dejando libres un vértice donde se amarran las gabarras. Entre triángulo y triángulo se incorporan cadenas para dar un poco de flexibilidad al sistema y para evitar que en alguna circunstancia, se levante la línea de unión. Ocupa menos espacio por lo que es un sistema muy utilizado en el transporte fluvial. [1] Figura 25. Christmas Tree [1] 2.2.8.3 Remolque de un buque sin timón Para remolcar un buque que se ha quedado sin timón se deberá tener en cuenta su velocidad de crucero ya que si ésta es menor a la del remolcador, éste dará remolque por popa. Si es mayor o se debe navegar por zonas de mucho tráfico, se remolcará usando el cable de remolque tirando de él a una determinada velocidad aunque, como el buque remolcado podrá dar máquina avante, la resistencia del remolque será muy pequeña por lo que sólo servirá de timón haciéndolo virar. [1] 2.2.8.4 Remolcador trabajando en flecha El remolcador tira del buque remolcado mediante un cabo. Así se evita el contacto directo entre ambas embarcaciones y se asegura que toda la potencia del remolcador se ejerce en la dirección del cabo. El principal inconveniente es que el espacio para la maniobra es mayor por lo que no podrá usarse si hay limitaciones de espacio. [17] Capítulo 3. Materiales compuestos 31 De esta forma, se puede decir que los materiales compuestos pueden mejorar las propiedades de los componentes que los forman pero siempre y cuando se utilicen de la forma adecuada y conociendo previamente los esfuerzos a los que estarán sometidos. [2] 3.3 Matrices Polímero viene del griego y significa muchas partes. Es decir, está formando por grandes moléculas que se forman por una secuencia de moléculas pequeñas enlazadas unas a otras por enlaces covalentes simples. Los matrices compuestos de matriz polimérica son las más utilizadas en la industria naval. [5] 3.3.1 Funciones de la matriz Juntamente con los elementos de refuerzo, constituyen los elementos básicos e indispensables en un material compuesto. Las funciones principales de las matrices son:  Transmitir los esfuerzos a las fibras de refuerzo.  Proteger a las fibras de esfuerzos de compresión.  Unir las fibras de refuerzo. Protegen a las fibras de ataques externos como la humedad, ataques químicos, etc. Asimismo, los materiales compuestos de matriz metálica se basan en la adición de refuerzos con fibras y/o partículas, donde la fabricación de estos compuestos se hace por presión y temperatura o bien mediante procesos metalúrgicos. Por coste, su utilidad es para uso aeroespacial. [2] Los materiales de matriz polimérica sí que tienen uso en el sector naval, siendo utilizadas las matrices termoplásticas y las termoestables. Los termoplásticos se utilizan generalmente para la construcción de piezas de tamaño reducido ya que necesitan de calor y alta presión para poder moldearse, en cambio, los termoestables no necesitan control de la presión ni temperatura haciendo la fabricación de piezas más sencilla y barata necesitando únicamente moldes fabricados, principalmente, con maderas o la misma fibra. [5] 3.3.2 Tipos de polímeros Existen diversas formas de clasificar los tipos de polímeros existentes. Se empezará con una clasificación en función de su procedencia, siendo: - Polímeros naturales: Como pueden ser la lana, seda, algodón, caucho natural, etc - Polímeros sintéticos: Siendo los plásticos, caucho sintético, pinturas, etc. Otra clasificación que se puede hacer es por el comportamiento térmico que poseen los polímeros, quedando: Capítulo 3. Materiales compuestos 32 - Termoplásticos: Son polímeros que cuando se calientan se convierten en fluidos. Como por ejemplo, los polietilenos, polipropilenos, policloruro de vinilo, etc - Elastómeros: Polímeros que poseen cadenas con mucha libertad de movimiento con gran flexibilidad. Son infusibles e insolubles. Como ejemplos, caucho natural, poliutadieno, etc - Termoestables: Son polímeros que no funden con la temperatura para ser moldeados. Suelen ser resinas de gran rigidez que sometidas a alta temperatura se descompone el polímero pero a temperatura ambiente son duros y frágiles. Como ejemplos se pueden encontrar las resinas de poliéster, viniléster, epoxi, etc. Para poder mejorar las características mecánicas se suelen mezclar con diferentes materiales de refuerzo como fibras de vidrio. [3] 3.3.3 Matrices termoestables Debido a la gran utilidad en el sector naval, como ya se ha comentado con posterioridad, en este apartado se hablará más de este tipo de matriz profundizando más concretamente sobre la resina de poliéster y la de epoxi, a pesar de que existan muchas otras, estas son las dos más usadas en el sector naval. Siendo el estado inicial un líquido viscoso, que mediante una reacción de endurecimiento asa por un estado de gel y se transforma en un sólido. Principales ventajas del uso de los termoestables: o Alta rigidez o Bajo peso o Alta estabilidad dimensional y térmica o Resistencia a la deformación bajo carga. o Buenas propiedades como aislante térmico y eléctrico Denominaremos curado al proceso por el cual la resina pasa del estado líquido al estado sólido y para que esto se produzca, es necesario añadirle a la resina un catalizador y un acelerador. Desde que se produce la mezcla se inicia el proceso de endurecimiento. [3][5] Capítulo 3. Materiales compuestos 33 Figura 33. Curva exotérmica [2] Se puede observar como en la primera parte de la gráfica no existe un incremento de la temperatura de la mezcla, aunque comienza a aumentar su viscosidad, hasta el punto que se transforma en un gel que hace imposible seguir impregnando la fibra: este es el punto que se conoce como punto de gel y determina los límites de tiempo de trabajo. A partir del punto de gel, comienza la fase de endurecimiento de la resina generando calor de forma exotérmica, se produce un aumento de la temperatura de la mezcla. El tiempo que dura esta etapa y la temperatura máxima que se alcanza depende de la cantidad de catalizador, activador, de la temperatura ambiente y del espesor del laminado.[2] Cuando se alcanza la temperatura máxima, comienza a descender lentamente hasta que se alcanza de nuevo la temperatura ambiente. Esta última etapa se conoce como curado final quedando la resina sólida. Una resina de poliéster necesita unas 24-48h a 20ºC para que se alcance un grado de curado del 90%. Sin embargo, el total del curado no se producirá hasta pasar varias semanas o meses. Siempre es conveniente laminar espesores reducidos ya que así se eliminan picos de alta temperatura. La mala conductividad térmica de las resinas no ayuda a disipar el calor generado y pueden perjudicar gravemente la pieza y los moldes.[4] Capítulo 3. Materiales compuestos 34 Figura 34. Comparativa espesores laminados [2] Es preferible realizar laminados en varias etapas para permitir que la superficie disipe calor evitando grietas y manchas. [2] Los factores a tener en cuenta durante el curado son: i. El tipo de resina utilizada ii. Temperatura de trabajo iii. Cantidad de catalizador y acelerador iv. Espesor a laminar v. Humedad del ambiente Si se habla de resistencia, el factor más influyente es la proporción empleada fibra de vidrio/resina. Los refuerzos tipo roving, la resistencia será muy grande en una dirección pero en las demás, será menor. Usando refuerzos tipo mat, la resistencia es más homogénea en todas las direcciones ya que las fibras no tienen una ordenación determinada. [3] Capítulo 3. Materiales compuestos 35 Tabla 1. Comparativa entre materiales (Fuente: NAFEMS Benchmark Composite Test) Material Vidrio (%) Peso específico Kg/dm3 Resistencia a la tensión Kg/cm3 Módulo de elasticidad Resistencia específica o relación resistencia/peso Poliéster/ Mechas de vidrio (roving) 70 1,9 8.456 4 x 104 63 Poliéster/ Tejido 55 1,7 3.171 2 x 104 26 Poliéster/ "mat" de vidrio 30 1,4 1.057 1 x 104 11 Duraluminio 2B - 2,8 4.862 10 x 104 23 Acero suave - 7,8 4.511 30 x 104 8 Pino de Oregón (Douglas Fir) - 0,5 704 1,4 x 104 20 Nogal americano (Hickory) - 0,8 1.408 2,3 x 104 25 Tablero de abedul - - - - - Tablero de caoba - - - - - En la tabla 1 se pueden ver valores de resistencias, por ejemplo, se observa que los materiales fabricados con poliéster y reforzados con roving son más resistentes que el acero en cuanto a resistencia a la tracción pero los reforzados con mat, no lo son. Una fabricación con mat deberá tener una sección cuatro veces mayor que el acero para tener la misma resistencia. [16] Además, para una misma resistencia, comparado con el acero, una pieza fabricada con resina de poliéster y reforzada con un mat, pesa menos que el acero, ya que su densidad es inferior. Es decir, se pueden llegar a obtener piezas más resistentes que el acero pero con menos peso sin que éstas se oxiden. 3.3.3.1 Resinas de poliéster Estas resinas son las más utilizadas a nivel industrial y naval, siendo su coste reducido. Las resinas de poliéster cuando se usan solas, tienen una gran resistencia a la compresión y a temperaturas elevadas pero son frágiles y con poca resistencia a la tracción y a la flexión. Por si solas, las resinas de poliéster tienen tendencia a polimerizarse y gelificarse, para evitarlo, se estabilizan con inhibidores. Estas resinas presentan una resistencia y rigidez no muy elevadas. Durante la fase de endurecimiento tienden a contraerse.[2] El cambio de estado entre líquido y sólido, como ya hemos dicho, se llama curado y este cambio de estado no se produce de manera aleatoria sino que, para facilitar la reacción de polimerización, es necesario añadir catalizadores y activadores (acelerador) en los porcentajes determinados. Capítulo 3. Materiales compuestos 36 El catalizador provoca el inicio de la reacción basado en peróxidos orgánicos, que se añaden a las resinas en forma de líquidos en porcentajes. El acelerador utilizado donde del catalizador. Los porcentajes de acelerador necesarios son mínimos (sobre el 0,1 y el 0,3%) y se encuentran ya dentro de la resina, siendo ésta una resina pre acelerada. Así se evitan accidentes ocasionados por la mezcla directa del catalizador y el acelerador. La tabla que sigue, muestra los diferentes tipos de catalizadores en función del acelerador utilizado. [2] Tabla 2. Catalizador y acelerador (Fuente: NAFEMS Benchmark Composite Test) Catalizador Acelerador Tiempo de gel Tiempo de endurecimiento Peróxido de benzoilo Dimetil-Anilina Largo De medio a rápido Peróxido de benzoilo Dietil-Anilina Largo Largo Peróxido de benzoilo Dimetil-p.toluidina Largo Muy largo Peróxido de metiletilcetona Naftalato de cobalto Corto Lento Peróxido de acetilacetona Naftalato de cobalto Medio Rápido Peróxido de ciclohexanona Naftalato de cobalto Medio Progresivo La temperatura de trabajo ideal se sitúa entre 17 y 22ºC y nunca debe laminarse por debajo de 10ºC ni por encima de 30ºC. Además del motivo anteriormente mencionado, se ponen inhibidores a las resinas para: o Conservar la resina o Controlar la reacción exotérmica Como medio de conservación, las resinas deben conservarse en su recipiente original, cerradas y en sitios oscuros para evitar la acción de la luz y temperatura. [2] Proporciones de catalizador Las proporciones recomendadas son, generalmente, entre el 1 y el 4%. La carencia de catalizador en la mezcla puede producir que la curación sea incompleta. Dado que el catalizador se encuentra en estado líquido o en pasta hay que realizar las correspondientes equiparaciones en peso o el líquido. Por ejemplo, si se tienen 60 gramos de resina se pondrá un 3% de catalizador, sabiendo que un 3% de catalizador equivale a 15 gotas cada 30 gramos de resina, para 60 gramos de resina se deberán utilizar 30 gotas de endurecedor. [3] Capítulo 3. Materiales compuestos 37 3.3.3.2 Resinas epoxi Son las resinas utilizadas en los materiales compuestos de alta calidad ya que tienen mejores propiedades físicas y mecánicas que las resinas de poliéster. La reacción se controla mediante el uso de catalizadores y aceleradores. Las resinas epoxi son una mezcla de resinas, agentes de curado, aceleradores, catalizadores y otros aditivos. El proceso de curado es similar al de las resinas de poliéster. El fabricante nos indica cuánto endurecedor se debe añadir siendo un porcentaje fijo, a diferencia de las resinas de poliéster, en las cuales había un margen de maniobra. Una falta de endurecedor producirá una reacción incompleta y un exceso provocará una reacción diferente con unas propiedades finales inferiores. Las resinas epoxi curan con la aportación de calor externo. Poseen las mejores propiedades mecánicas, una mayor resistencia térmica y una buena resistencia a la abrasión, baja contracción durante el proceso de curado, buenas propiedades térmicas y buena resistencia al ataque de agentes químicos. Las resinas epoxi son muy viscosas, se pueden utilizar diluyente para tal uso y disminuirla. Se utiliza en estructuras que requieren máxima resistencia con el mínimo de peso, en aplicaciones aeroespaciales, eléctricas, electrónicas, depósitos y tanques de almacenamiento, etc. [3] 3.3.4 Recubrimientos Se explicarán dos tipos de recubrimientos que se pueden utilizar, siendo el gelcoat y el topcoat. 2.3.4.1 Gelcoat Es la primera capa de resina que protege al lamiado del ataque químico y medioambiental. Es la primera capa que se aplica sobre el molde y constituye la superficie que estará en contacto con el exterior. A continuación, se enumerarán unos tipos de gelcoats en función de su finalidad, siendo: i. Para moldes: Poseen baja contracción y elevada flexibilidad. Son resistentes a la abrasión y al rayado superficial. ii. Industriales: Poseen buenas propiedades mecánicas pero no son adecuados en aplicaciones que requieran protección química o medioambiental. iii. Para usos alimenticios: Aptos para estar en contacto con alimentos líquidos. iv. Sanitarios: Tienen elevada resistencia al agua caliente. [3] Capítulo 3. Materiales compuestos 38 3.3.4.2 Topcoat Después de finalizar el laminado, la última capa de resina no tendrá un curado completo ya que se encuentra su superficie en contacto con la humedad del aire. Para evitarlo, se debe aplicar un recubrimiento que la mantenga alejada de la humedad y asegure un curado completo. El topcoat es parecido al gelcoat conteniendo una pequeña cantidad de parafina, donde en el proceso de curado, la parafina sale al exterior creando una capa fina impidiendo el contacto de la resina con la humedad presente en el ambiente. [5] 3.4 Fibras Las fibras, dentro de un material compuesto, son las que aportan la resistencia y comportamiento mecánico. Las fibras de refuerzo más utilizadas son las fibras de vidrio, aramídicas y las de carbono, explicadas con más detalle a continuación. [5] 3.4.1 Fibra de vidrio Las fibras de vidrio son las más usadas en la construcción de embarcaciones. Estas fibras están formadas, principalmente, por sílice combinado con diferentes óxidos como son la alúmina y alcalinos. Podemos encontrarlos varios tipos de fibras de vidrios, las cuales son: - A (alcalino): Buena resistencia al ataque químico, mala resistencia al agua. En desuso por el vidrio E. - B (boro): Buenas propiedades eléctricas y durabilidad. - C (chemical): Elevada resistencia química, utilizada en estructuras con atmosferas agresivas. - D (dieléctrico): Altas propiedades dieléctricas, utilizada para telecomunicaciones. - E (eléctrico): Usado para aplicaciones eléctricas, coste reducido. Usado en la construcción de barcos. - R o S (resistance o strength): Mayor resistencia. Se usa en el sector aeroespacial y militar. [3] La fibra de vidrio tiene una serie de características, las cuales se pueden enumerar, siendo: i. Buena resistencia mecánica. Resistencia a la tracción ii. Resistencia a la humedad iii. Resistencia al ataque de agentes químicos iv. Buen aislante eléctrico v. Buen aislante térmico Capítulo 3. Materiales compuestos 39 vi. Buena estabilidad dimensional vii. Buena adherencia a la matriz [5] La tabla 3 nos muestra los valores de las propiedades mecánicas de las fibras de vidrio. Tabla 3. Propiedades fibra de vidrio (Fuente: NAFEMS Benchmark Composite Test) Tipo Vidrio E Vidrio R/S Vidrio C Resistencia a la tracción (GPa) 3,4 - 3,5 3,4 - 4,6 3,1 Módulo elástico (GPa) 72 - 73 85 - 87 71 Densidad (Kg/m3) 2600 2500 - 2530 2450 Alargamiento a la rotura (%) 3,3 - 4,8 4,2 - 5,4 3,5 Resistencia específica (GPa * cm3/g) 1,3 - 1,35 1,7 - 1,85 1,3 Módulo E específico (GPa * cm3/g) 27,7 - 28,2 34 - 34,9 29 Chef. Transmisión térmica (10-6/ºK) 5 4 - 5,1 7,2 Diámetro del filamento (µm) 8 - 20 10 20 3.4.2 Fibra de carbono Combinadas con matrices con base epoxi son materiales compuestos que tienen gran resistencia y un elevado módulo de elasticidad siendo un material muy ligero. La fibra de carbono también dispone de varios tipos, pudiendo clasificarse en función de la temperatura del tratamiento, siendo: - Fibras de alta tenacidad (HT): Resistencia y tenacidad superior a las fibras de vidrio con un coste moderado, siendo adecuadas en un campo de aplicación amplio. - Fibras de alto módulo (HM): Alta rigidez de piezas para sector aeroespacial con un módulo de elasticidad muy alto. Coste elevado. - Fibras de módulo intermedio (IM): Se encuentran entre las fibras HT y HM mejorando su resistencia y rigidez. [5] Las fibras de carbono, además, poseen unas propiedades características, como: i. Elevada resistencia y rigidez ii. Resistencia elevada a las vibraciones iii. Resistencia a la fatiga iv. Buena conductividad química v. Buena conductividad eléctrica vi. Baja dilatación térmica Capítulo 3. Materiales compuestos 40 vii. Resistentes a altas temperaturas [5] La desventaja principal de estas fibras es su elevado precio. En la tabla 4, se pueden ver una comparativas de propiedades de los diferentes tipos de fibras de carbono que hay. [3] Tabla 4. Propiedades fibras de carbono (Fuente: NAFEMS Benchmark Composite Test) Tipo Carbono HT Carbono HM Carbono IM Resistencia a la tracción (GPa) 2,6- 5 2,0 - 3,2 3,4 - 5,9 Módulo elástico (GPa) 228 - 238 350 - 490 280 - 400 Densidad (Kg/m3) 1740 - 1830 1790 - 1910 19730 - 1800 Alargamiento a la rotura (%) 1,2 - 2 0,4 - 0,4 1,1 - 1,9 Resistencia específica (GPa * cm3/g) 1,5 - 2 1,1 - 1,7 2,0 - 3,1 Módulo E específico (GPa * cm3/g) 127 - 134 190 - 260 160 - 200 Chef. Transmisión térmica (10-6/ºK) -0,1 a -0,7 -0,5 a -1,3 - Diámetro del filamento (µm) 7 - 8 6,5 - 8 5 - 7 3.4.3 Fibras aramídicas El kevlar está considerada como la fibra aramídica mas importante después del nylon. Su uso se emplea en campos donde se necesita alta resistencia a la tracción con peso reducido y una elevada resistencia al impacto, usado generalmente en la industria aeronáutica y la balística. Igual que las otras fibras anteriormente descritas, las fibras aramídicas también tienen varios tipos, siendo, - Kevlar 29: Posee alta resistencia y baja densidad. Fundamentalmente usado para protección balística. - Kevlar 49: Alta resistencia, alto módulo y baja densidad. Es la fibra mas adecuada para la creación e materiales compuestos. [2] Las propiedades de las fibras aramídicas son: i. Alta resistencia a la tracción ii. Alta resistencia al impacto. Gran capacidad de absorción de energía iii. Resistencia elevada a la corrosión iv. Buena resistencia a la fatiga v. Buenas propiedades dieléctricas vi. Resistencia a las llamas. Autoextinguible Capítulo 3. Materiales compuestos 47 La tabla 6 muestra un cuadro resumen de las diferentes aplicaciones con los tipos de desmoldeantes que hay. Tabla 6. Comparativa desmoldeantes (Fuente: Tecnología mecánica naval) Tipo Método de aplicación Moldes adecuados Desmoldeo Observaciones Ceras duras (ceras para abrillantar) Aplicar abundantemente y luego pulir VRP, plástico, tablero, madera, etc. Frotar con xileno u otro tipo de disolvente activo Deben extraerse antes las ceras a base de silicona. Se puede mejorar con una capa de PVA Emulsiones de cera Untar, dejar ceras y luego pulir Yeso, VRP, lámina de plástico, madera, etc. Frotar con xileno u otro tipo de disolvente activo Adecuado para tratamiento de una sola capa en toda clase de moldes Cera virgen (a la cera perdida) Extender Moldes pequeños Calentar hasta derretir Difícil de aplicar por igual Alcohol de polivinilo (PVA) Rociar (a pistola preferiblemente) o aplicar a esponja (más fácil) VRP y todo tipo de moldes con superficies lisas Lavar con agua caliente o si es posible arrancar Acetato de celulosa Preferiblemente pulverizar a pistola VRP, plástico, tablero, madera, etc. Disolvente de la celulosa Se recomienda un pulido final con cera Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 48 Capítulo 4. Sistemas de control y motorización Un sistema de control se puede definir como el conjunto de dispositivos encargados de administrar, dirigir, o regular el comportamiento de otro sistema para obtener unos resultados deseados conforme a unas necesidades. Es decir, los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener una salida en función de unas entradas dadas. 4.1 Arduino Arduino es una plataforma de código abierto basada en hardware y software libre. Esta plataforma permite crea diferentes tipos de microordenadores de una sola placa dándoles diferentes usos. El hardware libre son los dispositivos cuyas especificaciones y diagramas son de acceso público, de forma que cualquier usuario puede copiarlos haciendo que cualquier persona pueda crear sus propias placas con absoluta liberta. El software libre son los programas cuyo código es accesible por cualquier usuario para su uso o modificación. Arduino usa la IDE (Entorno de Desarrollo Integrado) siendo el entorno de programación para crear las placas dándole la utilidad deseada. Arduino es una placa basada en un microcontrolador ATMEL. Los microcontroladores son circuitos integrados donde se pueden grabar instrucciones mediante un lenguaje de programación usando Arduino IDE. Dispone de interfaces de entrada que son conexiones donde se puede conectar varios periféricos a la placa y de interfaces de salida que transfieren la información que ha procesado Arduino hacia los periféricos siendo pantallas, servos, motores, etc. [18] 4.2 Sistema de radio control Un sistema de radio control es un dispositivo electrónico a través del que se gobiernan objetos a distancia, tanto sea terrestre, aéreo o acuático. Consta de un transmisor, de un receptor y de unos servos o motores los cuales han de funcionar. 4.2.1 Emisor o transmisor Es el propio mando a distancia, por lo que es el elemento que se encarga de hacer de interface entre el usuario y los mandos de control del vehículo a controlar. Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 49 La función es la de interpretar los movimientos que hace el usuario sobre los joysticks, pulsadores o interruptores y convertirlos en una señal de radio que deberá ser emitida hacia el receptor instalado en el propio vehículo. La emisora se comunica mediante una antena con el receptor. [18] 4.2.2 Receptor Contiene los elementos electrónicos necesarios para recibir la señal del emisor y comunicarlos con los servos y/o motores o elementos de control. Es decir, se encarga de descodificar las señales que recibe el radio control y convertirla en impulsos eléctricos ya sea en el modulación en PPM o PWM. 4.3 Modulación de pulsos En la modulación de pulsos, se varía o bien su amplitud, duración o posición. Se distinguen dos grandes clases o tipos, siendo:  Modulación analógica de pulsos: La información se transmite en forma analógica pero la transmisión tiene lugar a intervalos discretos de tiempo. En este tipo de modulación, la señal no necesita de dos niveles sino que el nivel de la señal puede tener cualquier valor real, en el sentido de que se presenta a intervalos definidos de tiempo, con amplitudes, frecuencia o anchos de pulso variables.  Modulación digital de pulsos: La información es discreta, tanto en amplitud como en tiempo, permitiendo la transmisión digital como una secuencia de pulsos codificados, todos a la misma amplitud. En esta modulación, la información es un flujo binario compuesto por señales binarias. La modulación por pulsos incluye muchos métodos para convertir la información a forma de pulso para luego transferirla a una fuente de destino. Aquí, se verán con más detalle las modulación por ancho de pulso (PWM) y la modulación por posición de pulso (PPM). Cabe destacar que mediante el muestreo, una señal analógica continua en el tiempo se convierte en una secuencia de muestras discretas de la señal, a unos intervalos regulares. El teorema de muestreo dice que una señal continua, de energía finita y limitada en banda, sin componentes espectrales por encima de una frecuencia fmáx, queda descrita completamente especificando los valores de la señal a intervalos de 1/2 fmáx segundos. Y así, la señal muestreada puede recuperarse mediante un filtro pasa bajos. Se denomina frecuencia de Nyquist a la frecuencia 2fmáx.. [18] Así mismo, para que el proceso de muestreo sea útil, se debe poder recuperar la señal de la muestra, es decir, recuperar x(t) de la muestra xs(t). [18] Sabiendo que x(t) muestreada es xs(t) y definida por: Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 50 𝒙𝒔(𝒕)=𝒙(𝒕)𝒑(𝒕) (3) p(t) es la función de muestreo. Se considera como un tren de pulsos periódicos. Dado esto, la función se puede ver como una serie de Fourier quedando: 𝒑(𝒕)= ∑ 𝑪𝒏 ∞ 𝒏= −∞ 𝒆𝒋𝟐𝝅𝒏𝒇𝒔𝒕 (4) Donde, 𝑪𝒏= 𝟏 𝑻 ∫𝒑(𝒕)𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒏𝒇𝒔𝒕 𝒅𝒕 𝑻/𝟐 −𝑻/𝟐 (5) Durante el proceso de muestreo de una señal de energia finita en un tiempo continuo, produce un espectro periódico con un período igual a la frecuencia de muestreo. Figura 42. Muestreo de señal [18] La señal muestreada resulta, juntando las ecuaciones (4) y (5), como 𝑥𝑠(𝑡)= ∑𝐶𝑛 𝑥(𝑡)𝑒𝑗2𝜋𝑛𝑓𝑠𝑡 ∞ 𝑛=−∞ (6) Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 51 Aplicando la transformada de Fourier sobre xs(t), 𝑋𝑠(𝑓)=∫𝑥𝑠(𝑡)𝑒−𝑗2𝜋𝑡𝑓𝑑𝑡 ∞ −∞ (7) Añadiéndole la ecuación (6)¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., 𝑋𝑠(𝑓)=∫ ∑ 𝐶𝑛 𝑥(𝑡)𝑒𝑗2𝜋𝑡𝑛𝑓𝑠 ∞ 𝑛=−∞ ∞ −∞ 𝑒−𝑗2𝜋𝑡𝑓 𝑑𝑡 (8) Agrupando, 𝑋𝑠(𝑓)= ∑𝐶𝑛∫𝑥(𝑡) 𝑒−𝑗2𝜋𝑡(𝑓−𝑛𝑓𝑠) ∞ −∞ ∞ 𝑛=−∞ 𝑑𝑡 (9) 𝑋𝑠(𝑓)= ∑𝐶𝑛 𝑋(𝑓 −𝑛𝑓𝑠) ∞ 𝑛=−∞ (10) El pulso modulado varía en proporción directa a los valores de la muestra. Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 52 Figura 43. Modulación señal [18] La onda a de la Figura 43. Modulación señalcorresponde a la monda sin modular, f(t), la onda b corresponde a la señal de reloj, la onda c corresponde a la modulación en PWM y la onda d corresponde a la modulación PPM. [18] 4.3.1 Modulación PWM La modulación PWM es la modulación por ancho de pulso (Pulse Width Modulation), los pulsos so de amplitud constante pero lo que varía es su duración y es proporcional a los valores de la función f(t) en cada instante de muestreo. La modulación de ancho de pulso PWM se denomina también como modulación de duración de pulso, PDM. La señal se muestra en forma periódica a una tasa muy alta para poder cumplir los requisitos del teorema de muestreo. En cada instante de muestreo se genera un pulso de amplitud fija y ancho proporcional a los valores muestreados de la función f(t) pero con un ancho mínimo, τ0, el cual será el valor mínimo de la entrada. [14] Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 53 Figura 44. Modulación PWM [16] Se puede ver que cuando el valor de la suma entre la señal de entrada y la del generador de rampa bajan por debajo del valor Vref, la señal del comparador se vuelve 0. [16] Figura 45. Modulación PWM II [18] La señal f(t) se muestra por medio del S/H, siendo esta la etapa de muestreo, el cual está sincronizado con el generador de rampa por medio de una señal de reloj. Las señales de salida de la etapa de muestreo y del generador de rampa se suman de forma algebraica. Finalmente, pasa a través de un comparador que tiene un voltaje de referencia permitiendo variar su ancho de los pulsos de la modulación PWM a un valor adecuado.[16][18] Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 54 Figura 46. Modulación PWM III [18] 4.3.2 Modulación PPM La modulación PPM o modulación de posición de pulso consiste en desplazar los pulsos desde una posición de referencia hasta otra, en función del valor de la señal f(t). El desplazamiento mínimo de pulso se usa para poder designar el valor mínimo de f(t) y el cambio de posición es proporcional a la señal moduladora. Una forma de generar PPM es usando la señal PWM y, accionar un generador de pulsos de ancho constante en los flancos de bajada de la señal PWM. El generador de pulsos puede ser considerado como si fuera un monoestable el cual se dispara con el flanco de caída de la señal de PWM. El ancho del pulso generado se determina por el monoestable.[16] Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 55 Figura 47. Modulación PPM [18] 4.4 Motores Brushless Los motores brushless son motores eléctricos formados por una serie de imanes permanentes y un estator bobinado. Los imanes permanentes se encuentran en el rotor y ésta es la característica principal de este tipo de motores, debido a esta distribución se le llama sin escobillas o en inglés, brushless. Al tener un campo magnético constante creado por los imanes, no requiere de un bobinado y escobillas para transmitir la corriente al rotor. El estator es la pieza que permanece estática y se encuentra en el interior mientras que el rotor es la carcasa unida al eje y es móvil. El estator tiene 3 bobinados independientes los cuales forman las 3 fases del motor. [20] Figura 48. Motor brushless [20] Capítulo 4. Sistemas de control y motorización 56 Los motores brushless funcionan de forma similar al de motores eléctricos de imanes permanentes. Al energizar la bobina se crea un campo magnético en ella. El rotor tiene un campo magnético constante, detecta la variación y tiende a alinear el campo creado por el estator y el propio haciendo girar el rotor ya que es la parte móvil. Para lograr que el rotor siga girando, antes de que se alinee por completo la bobina energizada con el rotor, se energiza la bobina siguiente y se deja de alimentar a la anterior. Esto provoca que el campo magnético del rotor siga al campo magnético del estator haciendo que el rotor gire. [20] Figura 49. Secuencia cambio fases motor [22] En el arranque, se debe ir incrementando gradualmente la frecuencia de pulsos que alimentan al estator para no perder el sincronismo. La corriente en el arranque es muy alta debido a la baja impedancia de los bobinados y debe controlarse para evitar daños en el motor evitando que se queme. Con el motor ya en movimiento, los imanes permanentes del rotor generan una corriente en los bobinados que no se encuentran energizados debido a la variación de flujo magnético. Según la ley de Faraday-Lenz, la corriente en el bobinado generada crea una tensión directamente proporcional a la velocidad del motor mediante un coeficiente Kv. [22] Donde, aplicando esta ley, se obtiene, 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 [𝑟𝑝𝑚]= 𝐾𝑣· 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 [𝑉] (11) El coeficiente Kv es característico de cada motor e indica las unidades de revoluciones por minuto en por cada voltio. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 63 Figura 58. Casco y cubierta (Fuente: Propia) Solo faltan elementos auxiliares de cubierta como antenas, balsas, aros salvavidas, barandillas, máquina remolque, gancho, etc Figura 59. Barco final (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 64 Figura 60. Barco final II (Fuente: Propia) Y con esto, se tiene el diseño de la embarcación finalizada. 5.2 Realización del modelo Antes de comenzar con la construcción del modelo del barco, lo escalaremos para que el modelo tenga las siguientes medidas de casco: Eslora: 110 cm Manga: 32,7 cm Puntal: 27,7 cm Una vez escalado a estas medidas, que corresponden a la escala de 1:20, se deberán imprimir los planos de la maqueta a tamaño 1:1, es decir, se imprimirán los planos de la maqueta en su tamaño real. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 65 Antes de imprimirlos, se harán cortes transversales de 4 centímetros en todo el casco para, así, poder construirlo de manera más sencilla. Figura 61. Corte transversal (Fuente: Propia) EL corte que se ve en la figura 50 es la sección de proa pero de manera análoga, se hará lo mismo para todo el barco. Estos cortes obtenidos se importan a AutoCad para poder escalados y pasados a pdf para poder imprimirlos en el tamaño correspondiente. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 66 Figura 62. Sección en AutoCad (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 67 Como se puede ver, es la misma sección obtenida en Rhinoceros pero en pdf después de escalarla en AutoCad. Para la construcción del modelo se usará espuma de alta densidad pegando las vistas de los planos previamente recortados. Figura 63. Secciones con vistas (Fuente: Propia) Figura 64. Secciones con vistas II (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 68 Una vez pegado y secado el plano a la espuma, se recortará dándole una pre-forma sin ser esta la definitiva. Repitiendo el proceso con las 27 piezas que componen el modelo. Figura 65. Pre-forma piques (Fuente: Propia) Para el codaste de popa se hará de forma igual, teniendo en cuenta la forma y curvatura. Figura 66. Pre-forma codaste (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 69 Una vez se tienen todas las pre-formas hechas, se empezará a montar por secciones, ya que dado el tamaño del barco, será más fácil juntarlas que ir una por una. Figura 67. Pre-formas unidas (Fuente: Propia) Figura 68. Pre-formas unidas II (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 70 Figura 69. Pre-formas unidas III (Fuente: Propia) Con todas las piezas pegadas, la pre-forma del barco ya montada queda como se muestra en la figura siguiente. Figura 70. Pre-forma barco (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 71 Después de tener la pre-forma montada, se debe pulir hasta llegar a conseguir el modelo empezando por la proa y continuando por la popa dejando la sección 20 sin pulir ya que es en esta sección donde cambia la curvatura del casco. Figura 71. Pre-forma barco II (Fuente: Propia) De esta manera, la sección 20, se hace en función de las adyacentes para que se adecue a éstas de la mejor forma posible. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 72 Figura 72. Modelo inicial (Fuente: Propia) De esta forma, ya estaría acabado el modelo, pero dado que el molde va a ser una copia exacta pero en negativo, es importante que no queden imperfecciones y por eso se procederá al masillado con masilla de carpintero y pulido, quedando el casco sin imperfecciones. Figura 73. Modelo masillado (Fuente: Propia) Como se puede apreciar, al casco sólo le queda el tolón del codaste, haciéndolo de forma independiente y acoplarla posteriormente. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 79 Figura 84. Partes molde (Fuente: Propia) Una vez separadas las dos partes del molde, vemos que hay alguna pequeña deformidad que se deberá tapar ya que si no cuando se ponga fibra de vidrio, quedará la marca en ella. Para rellenar y tapar las deformidades o irregularidades de ambas partes del molde usaremos una vaselina industrial. Figura 85. Vaselina (Fuente: Propia) Posteriormente, se pondrá cera para desmoldeo en ambas partes ya que ahora se deberá preparar dichos moldes para poder trabajarlos con fibra de vidrio y resina de poliéster. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 80 Figura 86. Cera (Fuente: Propia) Previamente encordadas ambas partes, se deben dar 3 capas de cera ya que el molde es de nuevo uso, tapando también la línea de separación entre ambas piezas. Figura 87. Unión molde y encerado (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 81 Figura 88. Molde preparado para enfibrado (Fuente: Propia) Como se puede ver en la Figura 87. Unión molde y enceradoy Figura 88. Molde preparado para enfibrado, el tolón del codaste no se podrá enfibrar con esta disposición de los moldes por lo que, una vez desmoldada la pieza, se construirá. Por lo tanto, ya que se necesita tener el barco en fibra de vidrio, esta parte de la popa se explica en el apartado siguiente. 5.4 Realización de la pieza Tal y como se explica en el capítulo 2 de materiales compuestos, una resina necesita catalizador para que pueda polimerizar y así poder curarse. En el apartado de proporciones del catalizador del mismo capítulo 2, se obtienen los porcentajes siendo los utilizados para la construcción del casco del barco una proporción al 3%, usando 200 gotas de catalizador cada 400 gramos de resina de poliéster. Se unta el molde ya preparado con resina usando una brocha y se van poniendo capas de fibra de vidrio hasta hacer un espesor de unos 3 mm a lo largo de todo el molde reforzando algunas partes del casco como puede ser la quilla ya que es la zona que más esfuerzos soportará. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 82 Figura 89. Aplicación resina (Fuente: Propia) Es importante dejar un excedente de fibra por encima del molde. Figura 90. Casco enfibrado (Fuente: Propia) Una vez se haya enfibrado todo el casco, se deberá dejar curar la resina, como mínimo unas 24 horas para que no se tengan problemas cuando se vaya a desmoldar. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 83 Una vez transcurrido este tiempo, con la ayuda de unas rasquetas se desmolda la pieza de los moldes que, como estos han sido impregnados con cera, el desmoldeo no entrañará más complicaciones. Ahora, una vez se tiene la pieza desmoldada, se debe hacer el tolón del codaste y para ello se debe cortar el molde haciendo un molde independiente para su construcción. Para ello, con ambas partes del molde, se le debe separar la parte que conforma este tolón. Este corte se hará clavándole unas puntas para que así se separe no habiendo una falta de material si se quiere juntar después ya que si se hiciera con una sierra, se tendría una falta de material. Figura 91. Corte molde (Fuente: Propia) Se hará de manera igual en la otra parte del molde. Una vez hecho esto, se debe hacer un orificio y un corte para que entre resina en este nuevo molde y también, que se acople bien con el casco. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 84 Figura 93. Orificio (Fuente: Propia) Ambas partes del molde del tolón del codaste se encintan acoplándose en su posición en el casco ya que solo será de resina, necesita una buena sujeción. Figura 94. Molde del tolón del codaste (Fuente: Propia) La resina se echará por el orificio para que rellene el molde pero se debe hacer esto cuando la resina esté a punto de alcanzar su estado de gel ya que así evitaremos que nos chorree debido al aclose que hay entre molde y casco. Dejando pasar el tiempo conveniente, se sacará el molde quedando la pieza ya terminada. Figura 92. Corte (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 85 Figura 95. Tolón codaste en resina (Fuente: Propia) Figura 96. Pieza acabada (Fuente: Propia) Ahora ya se tiene el casco ya acabado pero se debe eliminar los excedentes de fibra de vidrio, la cera que se ha quedado pegada y si hay alguna imperfección, arreglarla. A partir de las medidas tomadas en el diseño en 3D, se cortan los excedentes y se pule dándole forma al tolón. Se observan pequeñas deformidades muy localizadas que se deben arreglar. Para ello se usará masilla de poliéster con una proporción de 30 gramos de masilla cada 0,9 gramos de catalizador. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 86 Figura 97. Arreglo imperfecciones (Fuente: Propia) Se le añade la pieza del conducto pegándola con masilla al casco ya que formará parte del conjunto durante todo el proceso, así como el agujero para la bocina y para el timón. Figura 98. Agujeros timón, bocina y conducto (Fuente: Propia) Cuando haya secado, se deberá pulir tanto la resina como el casco para que tenga un acabado fino y se dará una primera mano de pintura con base acrílica, usando un compresor, para ver posibles desperfectos o irregularidades que de otra forma no se verían. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 87 Figura 99. Casco pintado (Fuente: Propia) Una vez pintado, se ve con más claridad los pequeños defectos que hay, se pule para eliminar la pintura y se corrigen con masilla de poliéster. De nuevo, es necesario pulirla para su acabado. Figura 100. Masillado (Fuente: Propia) En este momento del proceso, se harán los imbornales, usando una fresa del diámetro determinado. Figura 101. Imbornales (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 88 Ahora sí que eliminadas todas las marcas, se pinta ya con los colores definitivos siendo el azul marino para la obra muerta y el rojo para la obra viva. Es importante separar la parte que no se va a pintar (ya que si no se manchará de nuevo) y marcar de forma clara la línea de flotación. Figura 102. Pintura obra muerta(Fuente: Propia) Figura 103. Casco pintado (Fuente: Propia) Una vez el casco listo, se preparará la cubierta, el puente y elementos de cubierta haciendo la pieza en espuma rígida tomando las medidas desde el software 3D y su correspondiente enfibrado posterior. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 95 Se monta la bocina, el motor, el acople del eje del motor a la bocina y la hélice dejando el sistema propulsivo listo para el conexionado eléctrico. Figura 116. Unión eje con motor. (Fuente: Propia) Figura 117. Montaje motor (Fuente: Propia) Se cierra la tapa de acceso al timón con gomas haciéndolo de tal manera que su acceso sea posible cada vez que se necesite y se procede, ahora, a poner las gomas de los costados y de la regala. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 96 Figura 118. Goma en costados y regala (Fuente: Propia) Con este paso, el casco ya está hecho. A partir de ahora se construirá la cabina y estructura de la misma así como el soporte del gancho. En primer lugar, se pulen y masillan ambos elementos para que, de esta manera, no tengan irregularidades ya que hasta este momento se tiene la pieza hecha únicamente en fibra de vidrio tal y como salió del molde. Figura 119. Cabina y soportes masillados y pulidos (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 97 Se une el soporte de la cabina a la cubierta central y se pinta el interior de la cabina ya que si se uniera también al soporte, dificultaría el proceso de pintado. Figura 120. Pintado interior cabina (Fuente: Propia) Unas vez pegadas las escaleras y barandillas al soporte de la cabina, se pegará el soporte del gancho a la cubierta central también poniendo papel film para que cuando pongamos masilla, se haga la curvatura que tiene la cubierta y así, cuando se ponga en su lugar, aclose bien. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 98 Figura 121. Colocación film en cubierta (Fuente: Propia) Se aplica masilla para unirlo y se le pone la tapa. Figura 122. Unión soporte gancho (Fuente: Propia) Y, posteriormente, se le da una mano de imprimación después de pegar la cabina a la estructura y pintado. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 99 Figura 123. Estructura, cabina y soporte pintado Se hacen barandillas, se pintan y se colocan dejándolo así finalizado. Figura 124. Barandillas (Fuente: Propia) Antes de colocarlo todo sobre la cubierta, la batería, el regulador ESC y el receptor haciendo las correspondientes conexiones para que quede todo debidamente montado y configurado. Capítulo 5. Construcción de la maqueta 100 Una vez hechas las conexiones, se pone la cubierta que faltaba en su posición y se cierra quedando el barco ya terminado. Figura 125. Barco terminado (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 101 5.6 Pruebas de mar El barco, una vez construido en su totalidad así como los elementos de control, se probará en agua para ver su comportamiento, su calado, escora y su navegación en diferentes estados de la mar. Primero se probará en guas tranquilas, luego en mar abierto con olas de través, seguido de olas de popa y de proa. Antes de estudiar y ver cómo se comporta el barco, cabe destacar que la velocidad del barco es de vital importancia ya que si el barco va muy lento las olas nos embarcarán por la popa y si va demasiado rápido, se adelantará a las olas aumentando la velocidad en las bajadas haciendo que la proa se clave en el seno de la ola. Hay dos formas de enfrentarse a un temporal o a olas de gran tamaño, capearlo que será enfrentarlo por proa o correrlo que será desde popa. Destacar también que, en el caso de oleaje considerable, se deben tomar las olas por las amuras y no por los costados ya que podría haber escoras peligrosas para la embarcación haciendo que no se recupere y zozobre. [6] Figura 126. Olas [24] Capítulo 5. Construcción de la maqueta 102 5.6.1 Comportamiento en aguas tranquilas En aguas tranquilas y profundas, el buque tiene el calado con el que se diseñó quedando sumergido todo el timón, además, se puede observar como la escora que tiene es nula. Su navegación y maniobrabilidad es del todo correcta con una velocidad de avante adecuada. Figura 127. Navegación aguas tranquilas (Fuente: Propia) 5.6.2 Comportamiento con olas de través Con olas de 20 cm de altura, el buque estático recibiendo las olas de través tiene una escora de unos 30º pero retorna fácilmente a la posición de equilibrio nuevamente. Figura 128. Olas de través (Fuente: Propia) Capítulo 5. Construcción de la maqueta 103 Con un movimiento de avante del barco, las olas de través le afectan de manera casi imperceptible haciendo que su escora sea mucho más reducida no viéndose afectada su velocidad de la que disponía al enfrentarse a este comportamiento de la mar. Figura 129. Navegación olas de través (Fuente: Propia) Figura 130. Navegación olas de través II (Fuente: Propia) 5.6.3 Comportamiento con olas de proa Con fuerte marejada o mar gruesa se deberá atacar las olas por las amuras pero más hacia proa ya que si se hace por las amuras dando la banda, el buque se queda expuesto a que las olas lo pongan de través pudiendo hacer zozobrar el barco. [24] Capítulo 5. Construcción de la maqueta 104 Figura 131. Olas de proa [24] Como ya se ha dicho, en esta navegación, un factor determinante es la velocidad del buque para evitar los pantocazos a la salida de la cresta de la ola y clavar la proa en el valle pudiendo causar graves daños en la estructura y casco del buque. [6] Este ensayo de navegación o de comportamiento con olas de proa se hace con olas de unos 20 cm de altura. Al capear, el barco remonta la ola, le damos máquina avante y cuando llega a la cresta, aminoramos o la paramos evitando así los problemas antes mencionados. El buque remonta bien las olas por proa, cortando la ola si ésta no es de gran tamaño (en relación con el buque) y clava bien la proa en el agua al bajar. Por lo tanto, su comportamiento es el adecuado y esperado. Capítulo 6. Sistema de control 111 Ahora, después de montar las piezas, se debe introducir el código en el Arduino Nano y dicho código tendrá la posibilidad de emisión en 7 canales. EL siguiente código es el utilizado dentro de la placa, #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> const uint64_t my_radio_pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; RF24 radio(9, 10); //pin CE y CSN struct Data_to_be_sent { byte ch1; byte ch2; byte ch3; byte ch4; byte ch5; byte ch6; byte ch7; }; Data_to_be_sent sent_data; void setup() { radio.begin(); radio.setAutoAck(false); radio.setDataRate(RF24_250KBPS); radio.openWritingPipe(my_radio_pipe); sent_data.ch1 = 127; sent_data.ch2 = 127; sent_data.ch3 = 127; sent_data.ch4 = 127; sent_data.ch5 = 0; sent_data.ch6 = 0; sent_data.ch7 = 0; } void loop() { Capítulo 6. Sistema de control 112 sent_data.ch1 = map( analogRead(A0), 0, 1024, 0, 255); sent_data.ch2 = map( analogRead(A1), 0, 1024, 0, 255); sent_data.ch3 = map( analogRead(A2), 0, 1024, 0, 255); sent_data.ch4 = map( analogRead(A3), 0, 1024, 0, 255); sent_data.ch5 = digitalRead(2); sent_data.ch6 = digitalRead(3); sent_data.ch7 = map( analogRead(A4), 0, 1024, 0, 255); radio.write(&sent_data, sizeof(Data_to_be_sent)); } 6.2 Receptor De forma análoga al mando, se necesita el esquema eléctrico para empezar a construirlo, usando el método PWM para la recepción de la señal. Figura 141. Esquema receptor (Fuente: Propia) Capítulo 6. Sistema de control 113 En el receptor, también se le añade un condensador de 10 µF entre los 3,3V y la masa de la antena receptora. Con una placa PCB y con los componentes del esquema, se montará el mando soldando los cables y elementos necesarios. Figura 143. Parte trasera receptor (Fuente: Propia) Ahora, después de montar las piezas, se debe introducir el código en el Arduino Nano y dicho código tendrá la posibilidad de recepción en 7 canales ya que el mando puede emitir en 7 canales también se debe poder recibir en tantos canales como se puede emitir. Figura 142. Paete delantera receptor (Fuente: Propia) Capítulo 6. Sistema de control 114 El siguiente código es el utilizado dentro de la placa, #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> #include <Servo.h> const uint64_t pipeIn = 0xE8E8F0F0E1LL; RF24 radio(9, 10); struct Received_data { byte ch1; byte ch2; byte ch3; byte ch4; byte ch5; byte ch6; byte ch7; }; Received_data received_data; Servo channel_1; Servo channel_2; Servo channel_3; Servo channel_4; Servo channel_5; Servo channel_6; Servo channel_7; int ch1_value = 0; int ch2_value = 0; int ch3_value = 0; int ch4_value = 0; int ch5_value = 0; int ch6_value = 0; int ch7_value = 0; void reset_the_Data() { received_data.ch1 = 0; Capítulo 6. Sistema de control 115 received_data.ch2 = 127; received_data.ch3 = 127; received_data.ch4 = 127; received_data.ch5 = 0; received_data.ch6 = 0; received_data.ch7 = 0; } void setup() { channel_1.attach(2); channel_2.attach(3); channel_3.attach(4); channel_4.attach(5); channel_5.attach(6); channel_6.attach(7); channel_7.attach(8); reset_the_Data(); radio.begin(); radio.setAutoAck(false); radio.setDataRate(RF24_250KBPS); radio.openReadingPipe(1,pipeIn); radio.startListening(); } unsigned long lastRecvTime = 0; void receive_the_data() { while ( radio.available() ) { radio.read(&received_data, sizeof(Received_data)); lastRecvTime = millis(); //Here we receive the data } } void loop() { receive_the_data(); Capítulo 6. Sistema de control 116 unsigned long now = millis(); if ( now - lastRecvTime > 1000 ) { reset_the_Data(); } ch1_value = map(received_data.ch1,0,255,1000,2000); ch2_value = map(received_data.ch2,0,255,1000,2000); ch3_value = map(received_data.ch3,0,255,1000,2000); ch4_value = map(received_data.ch4,0,255,1000,2000); ch5_value = map(received_data.ch5,0,1,1000,2000); ch6_value = map(received_data.ch6,0,1,1000,2000); ch7_value = map(received_data.ch7,0,255,1000,2000); channel_1.writeMicroseconds(ch1_value); channel_2.writeMicroseconds(ch2_value); channel_3.writeMicroseconds(ch3_value); channel_4.writeMicroseconds(ch4_value); channel_5.writeMicroseconds(ch5_value); channel_6.writeMicroseconds(ch6_value); channel_7.writeMicroseconds(ch7_value); } Capítulo 7. Presupuesto y herramientas 117 Capítulo 7. Presupuesto y herramientas En este apartado se van a enumerar y hacer un presupuesto del coste de la fabricación y construcción del barco así como las herramientas necesarias y utilizadas durante todo el proceso de construcción, desde el inicio hasta el final. Item Precio unidad Cantidad Total Espuma rígida de poliestireno extrusionado 15,00 € 5 75,00 € Masilla de poliéster 11,50 € 3 34,50 € Masilla carpintero 7,00 € 1 7,00 € Pintura acrílica 30,00 € 1 30,00 € Tornillería 5,00 € 1 5,00 € Arandelas 5,00 € 1 5,00 € Tuercas 5,00 € 1 5,00 € Escuadra 2,5cm x 2,5cm 0,95 € 6 5,70 € Cable eléctrico H07V-K 3,00 € 1 3,00 € Escuadra 5cm x 5cm 1,25 € 2 2,50 € Soporte 7cm x 3cm 2,95 € 1 2,95 € Pegamento Pattex plástico 1,95 € 2 3,90 € Imprimación pintura vidrio 9,25 € 1 9,25 € Barra redonda hierro 4,19 € 1 4,19 € Perfil goma redondo 15mm 4,35 € 1 4,35 € Perfil goma rectangular 40 x 5mm 3,10 € 1 3,10 € Tubo PVC 5 x 8mm 0,55 € 1 0,55 € Barra poliéster 2mm 0,85 € 2 1,70 € Barra poliéster 5mm 1,40 € 1 1,40 € Varilla madera 0,90 € 1 0,90 € Desmoldante 34D 15,00 € 1 15,00 € Desmoldante en pasta 2,20 € 1 2,20 € Resina de poliéster 5Kg 42,13 € 1 42,13 € Variador Bruussles Avante - atrás 60,00 € 1 60,00 € Módulo NRF24L01P 12,00 € 1 12,00 € Módulo NRF24L01P RFM04 3,25 € 1 3,25 € Joystick Module 3,20 € 2 6,40 € Placas, interruptores, fastoms, condensadores 28,66 € 1 28,66 € Motor BRUSHLESS N2826/12 1350Kv 18,12 € 1 18,12 € SERVO C231 12,62 € 1 12,62 € EJE para Barco 4 x 170 19,42 € 1 19,42 € EMPALME Motor y EJE FLE x IBLE 4,0 / 4,0 mm 8,73 € 1 8,73 € Fibra de vidrio MAT 300 51,75 € 1 51,75 € Hélice 4 Palas Tipo C 70 mm 31,84 € 1 31,84 € TOTAL 517,11 € Capítulo 7. Presupuesto y herramientas 118 El listado de herramientas utilizadas es el que sigue a continuación, Tabla 7. Listado herramientas (Fuente: Propia) Sierra Pinceles Rodillos Papeles de lija Elementos de medida Destornilladores Tijeras Pinzas Cúteres Téster Máquina de corte Marcador Vaso medidor Protoboard Taladro Balanza Mordazas Alicates corte Brocas Soldador Espátulas Alicates presión Fresas Pistola silicona Brochas Martillo Pulidora Cinta carpintero Capítulo 8. Conclusiones 119 Capítulo 8. Conclusiones La historia de las embarcaciones es inmemorial y ha acompañado la existencia del ser humano prácticamente desde sus orígenes. Desde las grandes batallas de ultramar para apropiarse de barcos hasta los grandes puertos mercantes para descargar la mercancía transportada, la necesidad del cambio o adaptación al mercado ha sido el factor clave para la aparición de nuevos barcos, como fueron los barcos remolcadores. El diseño y la construcción de cada una de las embarcaciones están marcados por el momento histórico en que se inscribe su producción y por las características de la cultura que las materializa. Diseños, materiales y funciones se unen en cada ocasión con el propósito de mejorar cada construcción y hacerla mejor que sus predecesoras. Este trabajo nace de la reflexión sobre la actual formación universitaria que se realiza en el Grado de Ingeniera Marina y su papel como conectora entre el pasado y el futuro de la navegación mundial. Si bien la formación del Grado permite conocer el pasado de la navegación y su actualidad -en lo referente a técnicas, procedimientos, materiales, desarrollos, sistemas de navegación, maquinaria y equipos, etctambién nos hace conscientes de que la navegación está en constante transformación y nos alerta que la actualización de conocimientos será una parte importante de nuestro futuro como ingenieros y/u oficiales. Para empezar, destacar que se ha construido un barco usando técnicas profesiones a partir de unos planos de líneas de agua de un remolcador de tamaño real, haciéndolo completamente funcional con una buena flotabilidad y estabilidad, con un sistema de control de construcción propia con un alcance de casi 700 metros haciendo que navegue de forma óptima en diferentes condiciones de la mar pudiendo, con una flota de más barcos, simular y estudiar el remolcaje de embarcaciones y atraque. En referencia a los objetivos marcados a priori, el primer objetivo planteado fue el uso de programas de diseño asistido por ordenador. El diseño asistido permite abandonar el ensayo error manual y pasar a elaborar modelos sobre los que realizar todo tipo de pruebas. Para ello me he formado en el uso de algunos programas de este tipo como el software 3D Rhinoceros o la plataforma de Arduino con la intención de explorar las posibilidades que le brindan a esta ingeniería. El segundo objetivo planteado fue generar un espacio, es decir, un barco donde se diera la oportunidad de poner a prueba buena parte de los conocimientos adquiridos en el grado. Si bien los ingenieros acabamos teniendo una fe ciega en los números, no nos pasa lo mismo con los materiales que no conocemos. En una situación real se necesita tener confianza y seguridad en los equipos y materiales para hacer eficiente el trabajo realizado y que mejor manera que poner a prueba realizando unos ensayos en la mar, los materiales, el proceso de construcción, la elaboración y estructura del barco. Es necesario trabajar en un espacio donde se tiene plena confianza en los materiales para poder actuar sin dudas y eficientemente. Capítulo 8. Conclusiones 120 Los últimos objetivos se basaron en una recopilación de todos los recursos que la universidad ha puesto a mi disposición, tanto en forma de materiales como gracias a la voluntad de mis profesores de conectarme con la tradición a través de su experiencia. Este deseo ha guiado la forma que ha adoptado el TFG, consistente en la elaboración de una maqueta y una serie de documentos de soporte, para que los estudiantes que vienen detrás puedan tener un ejemplo real, materializado, de muchos de los conocimientos que recibimos en la facultad. El Capítulo 5 se ha redactado pensando en que pueda ser un manual de construcción para futuros estudiantes para poder replicar el remolcador, por esto, se ha detallado todos los procedimientos al detalle, fases de construcción y materiales utilizados en todo momento. Cabe detallar que, a pesar de ser una maqueta, el procedimiento seguido es de ámbito profesional dado que así es como se construye una embarcación de fibra de vidrio actual empezando por el diseño en ordenador, siguiendo de un modelo, un molde y su posterior construcción. Mirándolo desde una perspectiva de futuro, trabajos así pueden servir de ayuda y de propuesta para posibles fines didácticos e incluso adaptando pruebas y ensayos a realizar de forma más práctica pudiendo ver de manera directa los logros obtenidos. Pero siguiendo por ese mismo camino, la línea futura natural es estudiar, construir y validad la maquinilla de remolque y hacer pruebas de remolcado tanto sea a otras maquetas o pruebas de tracción para determinar la potencia de tiro, asimismo, también se debería mejorar los elementos o sistemas que, a pesar de ir bien, se pudieran mejorar ya que después de haberlo probado, sería adecuado ponerle una hélice de proa para que la maniobrabilidad a poca velocidad sea mucho mejor, mejorando así sus prestaciones.