Introducción
El efecto de empuje lateral de la hélice es un fenómeno muy bien conocido por cualquiera que haya realizado maniobras con un barco en un puerto. Dando marcha atrás, por lo general, no solo tenemos un empuje de la hélice hacia atrás. También surge un efecto secundario que desplaza la popa hacia babor o estribor, según tengamos una hélice dextrógira o levógira. En general, es un efecto no deseado y molesto, aunque, si es bien conocido y controlado, puede volverse a nuestro favor.
El objetivo de este artículo es explicar las razones físicas de este empuje lateral, ya que hay un desconocimiento general de la verdadera causa de este fenómeno. A menudo habremos escuchado afirmar que el efecto se debe a la mayor densidad del agua en la parte baja de la hélice o también a la diferencia de presiones entre la parte baja y alta del propulsor.
Esta explicación esta fundada en el desconocimiento de la física de los fluidos y no es una interpretación correcta. Para demostrarlo, primero analizaremos el fenómeno desde un punto de vista teórico y luego evidenciaremos los resultados de las pruebas experimentales realizadas.
Analicemos la hélice de la figura de la imagen inferior, con particular referencia a la resistencia que la misma encuentra en su movimiento en la parte alta y parte baja.
Cómo podemos caracterizar el fluido "agua" en los puntos 1 y 2?
Seguramente podemos afirmar que la presión hidrostatica en 1 es inferior a la presión hidrostatica en 2. De hecho la diferencia de presión entre los dos puntos es ΔP = ρ g ( h1 - h2 ). Pero puede esto dar lugar a un incremento de la resistencia al movimiento rotatorio de la helice? Absolutamente no.
En la ecuación de la resistencia influyen varios parámetros. Sin embargo, estos parámetros no varían con la profundidad.
La densidad del agua ρ no varia, ya que el agua es un fluido incompresible, y por más que incrementemos la presión, su densidad permanece constante (en realidad hay una minúscula variación en el caso de grandísimas diferencias de profundidades, 46.4 partes por millón cada atmósfera de incremento de presión, que a 1 km de profundidad significa un incremento de densidad de 0.46% con respecto a la superficie).
CR, el coeficiente de resistencia, depende de varios factores entre éstos la forma de la hélice, pero no depende de la presión y consecuentemente de la profundidad. Sólo en presencia de fuerte cavitación de la hélice CR puede presentar una ligera diferencia entre las palas superiores e inferiores. Por este motivo también CR es fundamentalmente constante en 1 y 2.
Los otros parámetros son la superficie S de la hélice y las velocidades V en las extremidades, que claramente son las mismas en 1 y 2 (V es la misma en cualquier punto de la hélice a la misma distancia desde el eje de rotación).
Por todo lo expuesto, ninguna de las típicas explicaciones, que muchas veces se escuchan, es correcta.
Después de esta larga premisa, veamos a continuación la real causa del efecto evolutivo de la hélice.
Explicación de las causas del empuje lateral
La real causa del empuje lateral es en cierto modo muy sencilla y también explica porque este efecto es muy fuerte en marcha atrás y mucho más débil con hélices de tipo “sail drive”. Véase mi video en youtube que explica bien todos estos aspectos: https://youtu.be/_7wfOFqER2U
Como ejemplo para aclarar el fenomeno, analicemos una hélice dextrogira, es decir una hélice que en marcha adelante mirándola en sentido popa-proa gira en el sentido de las agujas del reloj. La misma hélice claramente en marcha atrás gira en sentido opuesto, en contra de las agujas del reloj.
Cómo se ve en la figura de abajo el chorro de agua expulsado por la hélice se dirige hacia el casco del barco, ensanchándose y rotando en el mismo sentido de giro de la hélice. Cuando el chorro golpea el casco lo hace con una componente tangencial que choca contra el lado de estribor del casco/bovedilla. No pasa lo mismo en el lado opuesto, donde la componente tangencial o es nula o está dirigida hacia abajo y lejos del casco.
La figura siguiente representa el resultado de una simulación numerica, luego comprobada con pruebas experimentales realizadas con un modelo real ("Lateral Force and Turning Moment on a Reversing Ship", authors Lucia Sileo and Sverre Steen, Second International Symposium on Marine Propulsors, Hamburg, Germany, June 2011).
Las zonas rojas son las zonas de mayor presión determinadas por el chorrro rotatorio de agua expulsado hacia el casco en marcha atrás. Como se ve claramente, para una hélice de tipo dextrógiro, y entonces levógira en marcha atrás, el flujo de agua que golpea el casco en el lado de estribor (SB: starboard) genera una amplia zona roja de sobrepresión, que es prácticamente ausente por el lado de babor (PT: port). Es esta sobrepresión la que hace que la popa tenga tendencia a ser empujada hacia babor (para hélices levógiras seria todo al revés y la popa seria empujada hacia estribor).
Con esta explicación, espero haber podido aclarar la verdadera naturaleza del fenómeno que causa el empuje lateral en marcha atrás, también denominado efecto evolutivo de la hélice.