Tsunamis a escala: canal de oleaje de la UNAM

Con el objetivo de estudiar la transformación del oleaje, su aprovechamiento para la generación de energía, su papel en el transporte de sedimentos en playas y su interacción con diversas estructuras, el Laboratorio de Ingeniería y Procesos Costeros (LIPC) del Instituto de Ingeniería (II) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) construyó el primer canal de oleaje en el sureste para modelado físico del oleaje y corrientes bajo condiciones controladas.

Alec Torres Freyermuth, quien es coordinador del LIPC y miembro nivel I del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), comentó que la idea de contar con la infraestructura de modelado físico está orientada a desarrollar investigación tanto fundamental como aplicada. Esta infraestructura es una herramienta complementaria al modelado numérico y mediciones de campo que permite estudiar la costa durante condiciones de oleaje extremo y escenarios de cambio climático.

«La principal dificultad de trabajar en el campo es que no controlamos las condiciones (oleaje, corrientes y viento), lo que hace muy complicado realizar mediciones durante las condiciones de mayor interés como es el caso de las tormentas, ya que representa un riesgo para el personal como para el equipo que se desea utilizar», señaló el coordinador.

El LIPC se creó en el 2010 gracias al apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), el gobierno del estado de Yucatán y la UNAM. El doctor Paulo Salles Afonso de Almeida lideró el proyecto de creación del LIPC a través del financiamiento de dos proyectos Fondo Mixto de Conacyt y el gobierno de Yucatán, con el objetivo de estudiar la erosión e inundación de la costa del estado y contribuyendo, a su vez, con un proceso de descentralización del Instituto de Ingeniería de la UNAM.

El crecimiento de este laboratorio se vio beneficiado en el 2014, cuando el doctor Ernesto Tonatiuh Mendoza Ponce obtuvo un proyecto de equipamiento e infraestructura Conacyt mediante el que se obtuvieron equipos para mediciones de campo, modelado físico y modelación numérica. Algunos de estos equipos fueron adquiridos con la intención de desarrollar sistemas de medición de los parámetros físicos de la costa (oleaje, corrientes, nivel del mar) en tiempo real.

Asimismo, Torres Freyermuth ha sido responsable en el transcurso del último año del proyecto Cátedras Conacyt, mediante el cual investigadores colaboran en estudios interdisciplinarios de la costa de Yucatán y para el estudio de su capacidad de resiliencia ante los efectos del cambio climático. Este proyecto ha permitido incrementar las capacidades del grupo de trabajo para realizar investigación interdisciplinaria.

En vista del crecimiento del grupo de investigación y de las demandas de la sociedad para la solución de problemas desde un punto de vista interdisciplinario, en mayo del presente año se firmó un convenio para formar el Laboratorio Nacional de Resiliencia Costera, siendo estos los proyectos Conacyt de mayor envergadura que sustentan las actividades desarrolladas en el LIPC, y entre los cuales el canal de oleaje constituye una herramienta importante para realizar estudios en el marco de estos proyectos.

Infraestructura y funcionamiento

El canal de oleaje es una estructura de concreto y vidrio de 40 metros de longitud y 0.8 metros de anchura. En uno de los extremos está el generador de oleaje, que consiste en un sistema mecánico que traduce el movimiento de la pala (pared móvil) en oleaje a través del desplazamiento de la masa de agua controlado por medio de una computadora. Torres Freyermuth señala que en el caso del instituto, como en la mayoría de los centros de investigación, lo ideal es aprovechar los desarrollos tecnológicos existentes para enfocarse en el estudio de los procesos físicos asociados con la transformación del oleaje.

El doctor José López González, técnico académico del laboratorio, explicó que las olas se caracterizan por su altura, longitud y periodo. La altura es la medida que va desde la parte más baja de la ola (conocida como valle) hasta la parte más alta (conocida como cresta). El tiempo que tarda una ola en pasar del punto determinado de una cresta, bajar y volver a pasar por otra cresta es lo que se denomina periodo y la distancia entre ambas es lo que se denomina longitud.

En el extremo opuesto del canal se construye el modelo físico de una playa, una estructura o bien, un dispositivo para generar energía. «Básicamente se puede instalar lo que se desee estudiar a escala en el laboratorio», comenta Torres Freyermuth.

El canal puede producir oleaje monocromático, oleaje irregular y ondas solitarias. El oleaje monocromático no representa correctamente lo que se observa en la naturaleza; sin embargo, es muy útil para docencia y para demostrar la validez de las teorías del oleaje desarrolladas hace más de 200 años.

Para generar oleaje más apegado a la realidad se utiliza el oleaje irregular que consiste en la suma de varias olas con periodos y alturas distintos, que se asemeja a lo que se observa en el mar. Asimismo, el sistema de generación también permite generar olas tipo tsunami (onda solitaria), cuya capacidad de inundación y destrucción es mucho mayor debido a su larga longitud.

«A veces pensamos que el poder de destrucción o inundación del tsunami solo depende de la altura, pero la diferencia entre las olas es su longitud, y es debido a ello que este tipo de ondas puede inundar grandes extensiones de la zona costera», comentó López González.

La importancia de las escalas

«Todo depende de las escalas, una ola de 20 centímetros en el laboratorio puede representar en la realidad una ola de 10 metros durante un evento de huracán, pero para eso tenemos que garantizar las características del oleaje y que la playa se vea reducida de manera equivalente de acuerdo con la teoría», comenta Torres Freyermuth.

El coordinador señaló también que las estructuras se pueden reducir fácilmente, pero cuando se trata de reducir sedimento sus propiedades cambian. “Modelar correctamente el transporte de sedimentos a escala pequeña es uno de los mayores retos debido a que el comportamiento del sedimento cambia de ser no cohesivo (por ejemplo, arenas) a cohesivo (por ejemplo, lodos) al disminuir el tamaño de grano”.

Los modelos numéricos simulan con bastante precisión la generación de la ola desde la pala hasta antes de la rotura. La razón se debe a que durante el proceso de rotura el flujo es altamente turbulento y por lo tanto el tiempo de cómputo se incrementa de manera significativa. Es en esta zona donde los modelos físicos son de gran utilidad.

Sensores

Existen distintos tipos de sensores que se colocan en el canal para obtener mediciones particulares. Hay sensores que miden el nivel del agua, la velocidad del fluido, la concentración del sedimento y los cambios en la playa. A partir de ellos se puede relacionar el oleaje con las corrientes (hidrodinámica) y el transporte de sedimentos.

Los dos tipos de sensores principales son los intrusivos y los no intrusivos. Los primeros implican la interferencia del sensor con el flujo y por lo tanto pueden modificar sus propiedades. Entre las técnicas para la medición de la velocidad del fluido una de las más utilizadas es a través de los sensores acústicos. Por ejemplo, estos pueden emitir un pulso de sonido que va a la superficie del agua y regresa, con lo que conociendo la velocidad del pulso y el tiempo en que el sonido regresa se pueden estimar las distancias. Otros sensores estiman estos cambios a través de las variaciones del voltaje conforme se mueve la superficie del agua con la desventaja de alterar el flujo.

Los sensores de presiones son utilizados frecuentemente para medir el impacto que tiene una ola en una estructura y a partir de ello se obtiene la fuerza que se ejerce para que sea considerada en el diseño. Otras técnicas de medición no intrusivas utilizan cámaras de alta velocidad para estimar el campo de velocidad a través del movimiento de partículas en el fluido que funcionan como trazadores.

Principales aplicaciones

López González señaló que son tres los aspectos principales que se abordan con el canal de oleaje. Por una parte se trata de enseñar el fenómeno del oleaje, comprender sus características físicas y que los alumnos entiendan bien los conceptos empleados; por otra parte están los estudios enfocados en mejorar el conocimiento de la transformación del oleaje en relación con la hidrodinámica y sus implicaciones; y finalmente, está el uso de esta herramienta para el diseño de obras costeras en las que el oleaje es un elemento fundamental.

Entre las aplicaciones comunes del canal de oleaje se encuentra el estudio de inundación de playas, erosión costera e interacción oleaje-estructura. El tema de las energías renovables ha propiciado el desarrollo de tecnología para extraer energía del oleaje y de las corrientes, por lo que el canal contará también con un sistema de corrientes que se instalará a finales de año. Además de sus aplicaciones en las pruebas de dispositivos de generación de energía, el sistema de corrientes también será usado para proyectos de investigación que tienen como fin conocer el mecanismo de nado de algunos organismos.

«En pocas palabras, es una herramienta que se puede extender para realizar estudios de distinta naturaleza y estará enfocado en la formación de recursos humanos, investigación y resolución de problemas», apuntó Torres Freyermuth.

(Marytere Narváez/CONACYT)