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INTRODUCCIÓN Un generador de olas es un dispositivo diseñado para producir olas de manera controlada en un cuerpo de agua que puede ser un tanque o un canal. Estos dispositivos se utilizan en entornos de laboratorio, instalaciones de investigación o en proyectos de ingeniería costera para realizar pruebas experimentales a escala y estudiar el comportamiento de las olas en diferentes condiciones. Existen diferentes tipos de generadores de olas y su diseño puede variar según el propósito específico de la investigación o el experimento. Algunos generadores de olas utilizan dispositivos mecánicos, como pistones o palas oscilantes, para crear perturbaciones en la superficie libre del agua y generar olas. Otros pueden emplear sistemas neumáticos, eléctricos o magnéticos para lograr el mismo propósito. La capacidad de controlar parámetros como la altura de las olas, el periodo y la dirección de incidencia permite a los investigadores replicar y estudiar diferentes condiciones de oleaje de un sitio en específico. Estos generadores son aplicables en la investigación de procesos oceanográficos, el diseño de estructuras marítimas, la evaluación de la respuesta de embarcaciones ante el oleaje y en la simulación de eventos extremos como tsunamis, entre otras aplicaciones. Dentro de la modelación de la Hidráulica Marítima, la comprensión y reproducción de las olas se convierte en un desafío esencial para la investigación científica orientada a la ingeniería portuaria y costera (figura 1).
Figura 1 Modelación en tanque de olas con generadores de oleaje unidireccionales.
El oleaje unidireccional es el que se genera en un solo sentido y dirección de propagación ya sea en un tanque o canal de olas (figura 2a), mientras que el oleaje multidireccional es generado por múltiples generadores de olas y que puede dirigirse en una dirección o en varias, de acuerdo a la condición que se desee estudiar (figura 2b).
Funcionamiento En los laboratorios de hidráulica marítima la herramienta principal son los generadores de olas que reproducen con precisión la dinámica del oleaje en un entorno controlado. En estos laboratorios un tanque o canal con agua sirve como medio para la creación de condiciones marítimas simuladas a escala. Generalmente, el generador de olas cuenta con un motor que genera movimientos controlados y los transmite a través de un sistema mecánico que está en contacto con el agua haciendo que se genere oleaje desde un extremo del tanque o canal. Para regular la forma de las olas, el sistema de generación de oleaje cuenta con una interfaz que permite a los investigadores programar parámetros específicos que dependen de las condiciones oceanográficas a simular y son capaces de reproducir ondas del tipo cnoidal, senoidal y ondas solitarias. En estos modelos se construyen estructuras marinas a escala para estudiar su interacción con las olas y así, evaluar su estabilidad y comportamiento. Adicionalmente a los generadores, en estos laboratorios se utilizan instrumentos de medición que registran la variación del nivel del agua producido por los modos oscilantes del oleaje, con lo que se valida que se estén recreando las condiciones oceanográficas de manera adecuada. En conjunto, estos dispositivos permiten a los científicos e ingenieros explorar y comprender a fondo el comportamiento de las olas y su efecto en alguna zona de interés. Marco histórico El origen de los generadores de olas es debido a la necesidad de los investigadores aplicados a la ingeniería portuaria de comprender mejor el comportamiento de las olas en el océano y sus efectos en los puertos y zonas costeras. A medida que la investigación en este campo se desarrolló en el siglo XIX y principios del siglo XX, se hizo evidente la necesidad de estudiar las olas en un modelo físico por los efectos que produce en litoral como la erosión costera, por ejemplo, o bien, en estudios dedicados a la navegación y la seguridad en alta mar por tratarse del medio que utiliza el transporte marítimo. Estudiar las olas en el entorno oceánico real presentaba desafíos considerables por lo que se volvió evidente que se requería recrear olas controladas en laboratorios para estudiar su comportamiento. Las olas en el océano son generadas por el viento y al viajar hacia la costa son influenciadas por múltiples factores como la profundidad del agua, la topografía del fondo marino y la forma y pendiente de la playa. A lo largo del tiempo, los generadores de olas han experimentado un desarrollo significativo en términos de tecnología y diseño. Desde sus inicios modestos hasta las soluciones de vanguardia de hoy en día, los avances tecnológicos han desempeñado un papel crucial en la evolución de estos dispositivos. Los primeros generadores de olas se remontan a los primeros intentos de los científicos por simular y estudiar el comportamiento de las olas en entornos controlados. Los generadores en un inicio fueron bastante rudimentarios en comparación con las soluciones sofisticadas de hoy en día, pero marcaron el comienzo de la evolución de los generadores de olas (figura 3).
Figura 3 Primer diseño registrado del generador de olas de tipo tanque de descarga con piscina de planta regular Fuente: Modificada de Apparatus and method for producing waves (1969). En los primeros experimentos, los científicos utilizaban métodos manuales para generar pequeñas olas en tanques de agua. Esto podría involucrar agitar el agua con las manos o con herramientas simples. Aunque estos mecanismos eran básicos, permitían a los investigadores observar cómo se propagaban las ondas en el agua y comenzar a comprender algunos de los conceptos básicos del oleaje. Aunque estos dispositivos eran simples y carecían de la sofisticación que los generadores de olas modernos tienen. Estos primeros dispositivos desempeñaron un papel crucial en la exploración inicial de cómo las olas interactúan y se propagan en el agua. A medida que la investigación en ingeniería portuaria y costera se desarrollaba, los científicos comenzaron a diseñar dispositivos más elaborados para generar olas controladas. Estos dispositivos tempranos incluían palas o barras que se movían mecánicamente en el agua para crear ondulaciones. Aunque estos dispositivos eran más efectivos que la agitación manual, todavía tenían limitaciones en términos de control y precisión. Avances tecnológicos en hidráulica Los avances tecnológicos han permitido diseñar sistemas electromecánicos que brindan mayor precisión en la generación de olas. En la ingeniería marítima, esta precisión eleva la calidad en las investigaciones sobre la interacción entre olas y estructuras marinas. Además, las modelaciones físicas son complementarias de los modelos numéricos ya que contribuyen a su calibración y validación mediante la comparación de datos experimentales con predicciones modeladas, y es esencial para simular escenarios realistas en aplicaciones que van desde la evaluación de riesgos costeros hasta la investigación de energía de las olas. La precisión también juega un papel vital en el desarrollo de tecnologías de energía renovable, donde la capacidad de replicar condiciones medidas permite evaluar con precisión el rendimiento de dispositivos de captación de energía de las olas. Los avances en sensores y técnicas de medición mejoran aún más la calidad de los datos recopilados durante estos experimentos, consolidan la importancia fundamental de la precisión en la generación de olas en una variedad de disciplinas científicas y tecnológicas.
Figura 4 Ejemplo de modelación numérica para determinar la refracción del oleaje Los generadores de olas modernos pueden simular una mayor gama de condiciones, incluidas olas multidireccionales, variabilidad en la altura y frecuencia, y otras características que imitan de cerca la complejidad del oleaje real en mar abierto (figura 5). La reproducción de las condiciones medidas del mar no solo beneficia la investigación científica sino también aplicaciones prácticas como la planificación de infraestructuras costeras y el diseño de dispositivos para la transformar la energía de las olas y aprovecharla en el ámbito cotidiano.
Figura 5 Generadores de oleaje de última generación Este enfoque avanzado en hidráulica no solo proporciona una mayor comprensión del comportamiento del agua, sino que también es valioso para el diseño de estructuras, la gestión de recursos hídricos, la planificación costera y otras aplicaciones donde la precisión es esencial. Hidráulica marítima experimental La Hidráulica marítima experimental es una rama de la ingeniería que se enfoca en investigar y comprender detalladamente el comportamiento del agua a través de experimentos físicos realizados en laboratorios hidráulicos. Para ello, se emplean modelos físicos a escala, los cuales son representaciones reducidas de sistemas acuáticos del mundo real. Estos experimentos tienen como objetivo principal replicar condiciones específicas con una fidelidad tal que permita obtener datos precisos y relevantes para diversos propósitos, como el diseño de estructuras costeras, la gestión de recursos hídricos y la evaluación de impactos ambientales. Los modelos físicos a escala son construidos cuidadosamente para reproducir la topografía del fondo marino, la geometría de estructuras, y otras características del entorno acuático que se desea estudiar. La escala de estos modelos puede variar en función de la complejidad del sistema y los detalles que se pretenden analizar. Para realizar estas modelaciones se utilizan fluidos que semejan a escala las propiedades mecánicas del agua en la realidad y materiales que representen el contorno marino y terrestre para garantizar una representación precisa de las interacciones hidrodinámicas, con base en el principio de similitud hidráulica.
Figura 6 Sensores de resistencia de alta tecnología Fuente: HR Wallingford (2021). Estudios de interacción con estructuras marinas La hidráulica avanzada ha facilitado la realización de estudios más detallados sobre cómo las olas interactúan con estructuras marinas, como plataformas fuera de costa (offshore), diques y estructuras costeras. Esto es vital para el diseño y la evaluación de infraestructuras marítimas, así como para comprender los riesgos y la seguridad en entornos oceánicos antes de ser construida la infraestructura o para mejorar la existente. Dentro de la Ingeniería Marítima, los puertos contienen infraestructura específica como lo son canales de acceso, rompeolas, muelles y patios de maniobras que desempeñan un papel central en la facilitación del transporte marítimo y la conectividad global. Estas instalaciones son puntos estratégicos para el comercio internacional, la logística y la actividad económica en regiones costeras. Su función principal radica en proporcionar áreas seguras y estructuras de atraque para embarcaciones de diversos tamaños con el fin de que realicen las operaciones de carga y descarga de mercancías y pasajeros de forma eficiente. Estos complejos marítimos ofrecen servicios integrales que van más allá del simple atraque de barcos. Incluyen instalaciones para el almacenamiento temporal de mercancías, con almacenes y patios destinados a mantener y manipular la carga de manera eficaz. Además, cuentan con una variedad de equipos y maquinaria especializada, como grúas y montacargas, para facilitar las operaciones de carga y descarga, que permiten optimizar el flujo de mercancías. La construcción de rompeolas involucra consideraciones detalladas sobre la hidrodinámica local, la dirección y la frecuencia de las olas, así como la profundidad del agua. Además de su función protectora, los rompeolas también pueden servir como muelles, paseos marítimos o plataformas de observación. Su diseño y construcción requieren un enfoque cuidadoso para garantizar su resistencia a las condiciones ambientales adversas y su capacidad para cumplir con los objetivos de mitigación del oleaje y la erosión costera. Estas estructuras desempeñan un papel esencial en la planificación costera y en la gestión de riesgos asociados a eventos climáticos, lo que a su vez contribuye a la seguridad y estabilidad de las zonas costeras y los puertos. La construcción a escala de los rompeolas dentro del laboratorio de Hidráulica Marítima en el Instituto Mexicano del Transporte se realiza para el análisis del comportamiento de estas estructuras en modelos hidráulicos y conocer su resistencia a las fuerzas de oleaje, así como su durabilidad con el paso del tiempo (figura 7).
Figura 7 Ejemplo de construcción de un rompeolas a escala en laboratorio de Hidráulica Marítima del Instituto Mexicano del Transporte
Aplicación de nueva tecnología en ingeniería marítima Las aplicaciones en ingeniería marítima han experimentado una transformación significativa a lo largo de la historia, adaptándose a las crecientes demandas y desafíos que enfrenta la interacción humana con los océanos. En la actualidad la correlación tecnología medios de comunicación se han integrado para crear puertos inteligentes que se relacionan a través de las redes de inteligencia artificial y el uso del internet (figura 8).
Figura 8 Puertos inteligentes a través de tecnologías de la información y digitalización Fuente: eSMARTCITY (2022). Propuesta del prototipo de generador de oleaje El avance tecnológico en la actualidad ha propiciado la necesidad de implementar nuevos sistemas de generación de oleaje capaces de replicar las condiciones marinas mas acordes a la realidad, ya que el oleaje que se ha venido generando desde la creación del Laboratorio de Hidráulica Marítima ha sido con generadores unidireccionales (figura 9) que datan de mediados del siglo XX, el cual reproduce oleaje en una sola dirección.
Figura 9 Generador de oleaje unidireccional En años más recientes se han desarrollado generadores de oleaje multidireccionales, los cuales hacen la reproducción del oleaje más acorde al medido en las costas. Para actualizar el equipo de generación de oleaje del laboratorio de Hidráulica Marítima del Instituto Mexicano del Transporte se desarrolló en el año 2023 y parte del 2024 un proyecto de investigación interna para construir el prototipo de un sistema capaz de generar oleaje de acuerdo a las necesidades de la actualidad. El diseño propuesto para la construcción del prototipo del generador de oleaje (figura 10), fue acoplado en un canal de olas miniatura del Laboratorio de Hidráulica Marítima del Instituto Mexicano del Transporte.
Figura 10 Propuesta de diseño
En la figura 10 se observa la propuesta de mecanismo que se implementó para tener un mejor control de movimiento con la paleta generadora de oleaje, sus componentes mecánicos, eléctricos y de control para el funcionamiento óptimo del sistema. En las siguientes imágenes se muestran los componentes del sistema.
Figura 11 Motor NEMA 34 de 8 Nm marca CW Motor
Figura 12 Driver 2DM860 utilizado en el prototipo
Figura 13 Fuente de alimentación de 48V y 10ª
Figura 14 Cople de unión mecánica utilizado para el prototipo
Figura 15 Placa Arduino NANO
Figura 16 Manivela de plástico Todos estos componentes se ensamblaron en un canal de olas con dimensiones de 3.02x1.08x0.2 m (figura 17).
Figura 17 Elementos y componentes conectados en canal de olas
Finalmente se ensambló y verificó el funcionamiento de todo el sistema (figura 18).
Figura 18 Funcionamiento de prototipo de generador de olas
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La innovación tecnológica aplicada al diseño y desarrollo de generadores de olas para estudios en modelos hidráulicos dentro de laboratorios representa un avance significativo en el campo de la ingeniería costera y la hidráulica marítima en nuestro país. Este sistema de generación de oleaje marca la línea de partida para que en futuras etapas se modernicen los generadores de olas actuales del Laboratorio de Hidráulica Marítima (LHM ) del IMT, y también instrumenten los tanques y canales de la segunda etapa del LHM. Este desarrollo permitirá contar con generadores de olas multidireccionales ya que los actuales solo generan oleaje unidireccional. El sistema propuesto brinda la capacidad de ajustar con precisión parámetros como la altura y periodo de diversos tipos de ondas (oleaje local y distante o tsunamis), a través de sistemas de control automatizados y software especializado, para que los investigadores mejoren su capacidad de replicar de manera precisa las condiciones reales del mar. Esto no solo mejora la calidad de los datos recopilados durante los estudios, sino que también permite la realización de experimentos bajo una amplia gama de escenarios, lo que facilita la exploración de diferentes variables y la evaluación de múltiples soluciones en un entorno controlado. En etapas futuras se integrarán al sistema, tecnologías de monitoreo y análisis de datos en los generadores de olas modernos que proporcionarán una retroalimentación en tiempo real sobre el comportamiento del oleaje y su interacción con las estructuras costeras. Esta capacidad de monitoreo continuo y análisis en tiempo real facilita una toma de decisiones más informada y ágil durante el desarrollo de proyectos de ingeniería costera, lo que a su vez contribuye a la reducción de riesgos y costos asociados con la construcción y mantenimiento de infraestructuras en zonas costeras. Al aprovechar estas herramientas innovadoras, los investigadores y profesionales del campo de la ingeniería portuaria y costera pueden ofrecer soluciones más efectivas y sostenibles para proteger y preservar nuestras costas y mares para las generaciones futuras. Cabe mencionar que, al tratarse de un avance tecnológico aplicado a la investigación y desarrollo de infraestructura marítimo-portuaria nacional, los detalles del software y conformación del prototipo a detalle se omite debido a que esta innovación tecnológica se desarrolla en colaboración y bajo un acuerdo de confidencialidad con la Unidad de Alta Tecnología de la UNAM Campus Juriquilla.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Dexter, P. y United States Patent Office (1969). Apparatus and method for producing waves. [Consulta en línea]. https://patentimages.storage.googleapis.com/95/e3/89/b953a32c4d36a8/US3473334.pdf. HR Wallingford (2021). Wave gauge system. [Consulta em línea]. https://equipit.hrwallingford.com/hydraulic-lab-equipment/wave-gauge-system eSMARTCITY (2022). Las soluciones de SISTEM apoyan la digitalización de los procesos portuarios. [Consulta en línea]. https://www.esmartcity.es/2022/03/29/soluciones-sistem-apoyan-digitalizacion-procesos-portuarios
FLORES Juan Esteban LOPEZ Lineth Esmeralda ZEA Hugo “Las opiniones expresadas en esta publicación son de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista del Instituto Mexicano del Transporte”
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