PROA BULBOSA
A seção arredondada do cutwater
e a forma bulbosa da parte inferior da proa foi característica inicialmente em
navios de guerra, mas desde 1929 são empregadas em navios de passageiros. A
experiência com o uso demonstra que, para grandes velocidades a proa bulbosa
proporciona uma notável redução da potência necessária. Existem duas
resistências hidrodinâmicas ao avanço do navio, a saber: resistência ao atrito
(é devido ao movimento do próprio casco do navio através de um fluido viscoso
como a água) e resistência à formação de ondas (causada pelo efeito
hidrodinâmico das ondas ao entrarem em contato com o casco do navio). O bulbo
de proa reduzirá a resistência devido à formação de ondas, fazendo com que seja
obtida uma maior performance propulsiva e, portanto, menor consumo. Como isso
se dá? Esta protuberância cria seu próprio trem de ondas, que em combinação com
o sistema de ondas do navio, faz com que a crista (ponto mais alto) de um trem
de ondas coincida com o seno (ponto mais baixo) do outro. Este sistema
resultante faz com que a resistência diminua consideravelmente, seguindo a lei
da sobreposição de efeitos.
Lembrando que, resistência ao movimento avante de um navio é de três tipos principais: fricção; produção de ondas; e separação ou formação de redemoinhos. A fricção ou resistência viscosa é causada pela aceleração das partículas líquidas em uma direção para frente enquanto o arco corre continuamente para uma região de líquido em repouso. A camada de partículas aceleradas, aumentada pelo movimento de vórtice e turbulência, torna-se progressivamente mais espessa à medida que se move para trás, formando o que é conhecido como camada limite . Os vórtices e distúrbios nesta camada são visíveis no cinturão de água “confusa” em torno de um navio em movimento na linha d'água. A energia nesta camada representa o trabalho feito pelo navio para superar a resistência viscosa. Eventualmente, é dissipado como calor e não é recuperado.
A resistência à formação de ondas é causada pela transferência de energia cinética no navio para energia no sistema de ondas de superfície ou de gravidade que o acompanha. Enquanto a configuração desse sistema perto do navio permanece fixa para uma determinada velocidade, as ondas são continuamente deixadas à ré e a energia nelas é perdida. Consequentemente, o aumento da pressão das grandes ondas na parte dianteira do navio é apenas parcialmente compensado pelo aumento da popa.
A separação é causada pela falta de pressão suficiente na água em uma determinada região para forçar essa água lateralmente para dentro e fazê-la fluir de perto ao longo de todas as partes do navio, especialmente na porção posterior afunilada ou romba. Na região conhecida como zona de separação, a água é arrastada pela popa para preencher a lacuna que ficaria porque o fluxo não fecha pelas laterais. A resistência é gerada pela aceleração para a frente da água que, de outra forma, fluiria para trás e seria deixada para trás. A massa confusa e turbulenta de água sendo arrastada na zona de separação atrás da popa quadrada do painel de popa de um navio é claramente visível em velocidades baixas e moderadas.
O arrasto adicionado devido à separação atrás da popa quadrada de um esquife, por exemplo, fica profundamente imerso pelos passageiros sentados na popa, e é muito real para o remador naquele esquife.
CÁLCULO DA RESISTÊNCIA AO ATRITO
A resistência ao atrito de um navio pode ser calculada a partir do conhecimento de sua área molhada e um valor de atrito por unidade de área derivado do reboque de pranchas planas ou planos de atrito de vários comprimentos em várias velocidades. Ao usar seções muito finas, pontiagudas nas extremidades, a formação de ondas e turbilhões são eliminadas. A partir das forças de reboque conhecidas e da área molhada da prancha ou avião, é derivado um conjunto de valores de atrito por unidade de área de superfície do avião, em termos de velocidade de reboque. Para calcular a resistência ao atrito de um navio a qualquer velocidade, geralmente assume-se que o valor do atrito para cada unidade de área de superfície molhada é igual ao de um plano de atrito com o mesmo comprimento do navio e rebocado à velocidade do navio. A área molhada do navio é calculada calculando a média da circunferência em uma série de estações igualmente espaçadas ao longo do comprimento e multiplicando pelo comprimento molhado. Os dados de fricção de placa plana não podem ser aplicados indiscriminadamente às superfícies curvas dos navios.
Áreas irregulares em superfícies molhadas de navios são causadas por chapeamento e tábuas irregulares; voltas, topos, pontos de rebite e cordões de solda; revestimentos anticorrosivos e anti-incrustantes de tintas plásticas e outros materiais; e incrustações devido a organismos marinhos. Todos eles aumentam a resistência ao atrito e a espessura da camada limite. Para cálculos de resistência, seus efeitos são agrupados em uma permissão de rugosidade geral, que é adicionada ao valor do atrito para uma determinada área de superfície lisa.
RESISTÊNCIA À FORMAÇÃO DAS ONDAS
As informações disponíveis para o arquiteto naval sobre as ondas de superfície geradas por um navio em movimento são derivadas originalmente das observações de John Scott Russell na década de 1840, do trabalho experimental de William Froude e Robert Edmund Froude nas décadas de 1870 e 1880 e dos estudos analíticos de Lord Kelvin na última década. Estes mostraram que: (1) Um sistema de ondas de gravidade é formado por uma perturbação de pressão em movimento. Por exemplo, passar o dedo pela superfície da água cria ondas. (2) Distúrbios de pressão existem onde há mudanças na curvatura em torno de um navio, como nas extremidades da proa e da popa e a meio-navio. (3) O sistema de onda progressiva ou avançada causada por cada distúrbio de pressão consiste em duas partes: (a ) um grupo divergente de ondas, com cristas e vales formando um pequeno ângulo em relação à direção do movimento da perturbação, e ( b ) um grupo transversal de ondas, com linhas de crista ligeiramente convexas para a frente, onde cruzam o caminho da onda perturbação em movimento. As ondas divergentes na proa são facilmente vistas em qualquer barco ou navio em movimento, assim como as ondas transversais atrás da popa em qualquer embarcação que esteja viajando rapidamente. As ondas transversais do sistema de de proa, modificadas pelo sistema de ombros dianteiros, também são indicadas pelas cristas e vales no perfil da onda ao longo do navio.
Além das ondas progressivas, cuja forma permanece a mesma para uma determinada velocidade, mas que se espalham para fora e para trás, há uma perturbação do nível da água que se move junto com o navio e cujas elevações na proa e na popa e a depressão no meio do navio não são irradiadas. como ondas de gravidade. Portanto, pode haver seis, oito ou mais conjuntos de mudanças no nível da água gerados pelo movimento de um navio. As mudanças de elevação devidas a cada uma são sobrepostas de modo que duas cristas coincidentes produzem uma espécie de crista dupla, enquanto uma crista e um vale coincidentes agem para se cancelarem.
Do ponto de vista da resistência, os sistemas de ondas progressivas mais importantes são gerados na proa e na popa. O comprimento de uma onda gravitacional depende de sua velocidade, e a velocidade de uma onda cuja crista se propaga junto com a proa deve corresponder à velocidade do navio. Segue-se, portanto, que a segunda, a terceira e as cristas seguintes da série transversal da proa movem-se para trás ao longo do navio à medida que a velocidade aumenta. Isso significa que, em certas velocidades do navio, uma crista transversal do sistema de proa é sobreposta ao sistema de popa de maneira a formar um monte de água em movimento na popa. A pressão hidrostática interna neste monte atua para empurrar o navio para a frente e, portanto, diminuir sua resistência à formação de ondas.
Em outras velocidades do navio, a superposição dos sistemas de ondas de proa e popa reduz o nível da água na popa, sem compensar a pressão hidrostática contra a qual a proa do navio deve resistir nessa velocidade. Como resultado, a resistência total de um navio flutua acima e abaixo do que é conhecido como sua resistência "natural" à medida que a velocidade aumenta e os vários sistemas de ondas progressivas se combinam para produzir efeitos benéficos ou prejudiciais.
A velocidade das ondas de gravidade varia como a raiz quadrada do produto da aceleração da gravidade e o comprimento de onda. As velocidades de avanço das ondas transversais geradas por um navio correspondem à velocidade V do navio . Os efeitos de interferência descritos dependem de uma relação entre os comprimentos de onda L W e o comprimento L do navio . Assim, os sistemas de onda são geometricamente semelhantes se a razão de u para o produto
Raiz quadrada de√ gL permanece constante, onde g é a aceleração da gravidade. Essa razão é o número de Froude
RESISTÊNCIA DE SEPARAÇÃO
O arrasto devido à separação da camada limite da superfície do navio e ao turbilhão e retrocesso na zona de separação é uma forma de resistência à pressão. Isso significa que, como a resistência à formação de ondas e alguns tipos de resistência à rugosidade, é devido a forças exercidas em ângulos retos com a superfície do casco. Como essas resistências, varia como uma potência da velocidade do navio.
O conhecimento hidrodinâmico dos fenômenos de separação e das leis físicas que os regem não progrediu a ponto de prever com antecedência o início da separação e calcular a magnitude da resistência à separação. Sabe-se, no entanto, que a pressão em tal zona é menor que a atmosférica, de modo que a água literalmente suga para trás no navio. Se o ar puder ser conduzido para a zona para deslocar a água turbilhonante, a sucção é removida. Quando uma lancha com popa quadrada ou de popa se estendendo abaixo da água é acelerada até que a popa “limpe”, o retrocesso e o turbilhão desaparecem. Com a popa quadrada exposta à atmosfera, a resistência de separação também desaparece.
RESISTÊNCIA EM ÁGUAS RASAS E RESTRITAS
As forças em um navio que atravessa águas rasas são regidas pela presença de ondas solitárias causadas pelo movimento do navio e outras perturbações. Se a velocidade do navio for ligeiramente menor que a velocidade da onda solitária, o navio sobe na parte de trás dessa onda, de modo que sua resistência hidrodinâmica é aumentada pelo arrasto do talude. Se puder ser acelerada de modo a correr um pouco mais rápido que a onda, ela desliza para baixo na face da onda e sua resistência é reduzida abaixo de sua resistência em águas profundas. A velocidade das ondas progressivas de um determinado comprimento é menor em águas rasas do que em águas profundas. Se um rebocador, por exemplo, estiver navegando a uma velocidade em águas rasas em que tenha uma crista na proa e outra na popa, sua velocidade deve ser diminuída para que as duas cristas sejam mantidas nas posições vantajosas indicadas. Ao mesmo tempo, as cristas podem ser mais altas e o vale pode ser mais baixo porque as ondas se tornam mais íngremes à medida que entram em águas rasas. Uma embarcação rápida também se agacha mais profundamente na popa ao correr em águas rasas. Na verdade, esse aumento no agachamento pode ser suficiente para fazer com que a embarcação raspe o fundo, mesmo que haja bastante água sob ela quando em repouso.
Quando a folga entre o fundo do navio e o leito do corpo d'água é inicialmente pequena, a água que flui sob o navio é acelerada, com aumento da resistência ao atrito no navio. Quando os lados ou paredes do canal estão próximos ao navio, a constrição lateral acelera ainda mais esse fluxo. Estão disponíveis métodos para aproximar a resistência aumentada e a profundidade da água necessária para dar o equivalente à resistência em águas profundas.
Embarcações automotoras projetadas para operação eficiente em águas rasas e restritas devem ter: (1) provisões para fluxo adequado de água para as hélices; (2) blindagem adequada para evitar a extração de ar da superfície; e (3) lemes de área extragrande, geralmente um leme atrás de cada hélice, para superar as forças horizontais resultantes da proximidade de bancos adjacentes ou de outras embarcações encontrando-se em um canal.
FORMA DO NAVIO PARA RESISTÊNCIA MÍNIMA
É importante notar, no entanto, que o projeto de navio ideal para uma determinada missão pode não ser aquele que possui a forma de resistência mínima. No quadro econômico geral, ganhos com melhor estivagem de carga, por exemplo, podem compensar um modesto aumento no consumo de combustível . As formas de casco desenvolvíveis foram projetadas para pequenas embarcações que são mais baratas de construir e oferecem pouca ou nenhuma penalidade de resistência.
Ação dos dispositivos de propulsão
Empurrado por um navio dispositivo de propulsão que atua na água (ou no ar) é produzido conferindo aceleração de popa a uma massa dessa água ou ar. O impulso para a frente é proporcional ao produto da massa de fluido sobre a qual atua e a taxa de aceleração. Para uma propulsão mais eficiente, a massa deve ser grande e a aceleração pequena. Em uma hélice de parafuso, isso requer um grande diâmetro e um pequeno aumento na velocidade relativa para trás quando a água está passando pela hélice.
O empuxo por pá de um dispositivo de propulsão é medido pela redução da pressão na parte de trás ou no lado de avanço da pá e o aumento da pressão na face ou no lado posterior. Como regra, o primeiro é muito maior do que o último, de modo que a lâmina puxa ou puxa em vez de se empurrar através do fluido em que trabalha.
Os métodos modernos de propulsão para barcos e navios incluem remos, velas, trilhos de remo, rodas de remo, jatos hidráulicos e de bomba, hélices de ar, hélices de pá rotativa e hélices de parafuso. Os parafusos geralmente são executados a céu aberto, mas para produzir altos impulsos em baixas velocidades do navio, como no reboque, eles podem ser cercados por uma cobertura fixa , como o bocal Kort. As hélices de eixo vertical com pás ajustáveis oferecem a grande vantagem de que a magnitude e a direção do empuxo podem variar à vontade, tornando-as muito mais versáteis do que qualquer combinação conhecida de hélice helicoidal e leme, e dando à embarcação uma manobrabilidade excepcional. Um rebocador equipado com uma ou mais dessas hélices pode exercer uma tração igualmente bem em qualquer direção. O número de dispositivos de propulsão depende da potência disponível em cada motor, da necessidade de confiabilidade ou manobrabilidade, do calado limitador e de muitos outros fatores.
INTERAÇÕES ENTRE HÉLICE E NAVIO
A operação de uma hélice helicoidal envolve uma série de interações que não são totalmente compreendidas. Parte da água através da qual a hélice se move é a camada limite que se move para trás do casco, com uma velocidade relativa menor que a velocidade do navio. Outra parte fica dentro da crista da onda (ou vale) que corre acima da hélice. Devido a esses e outros efeitos, a água se move em diferentes velocidades e em diferentes direções em diferentes partes do disco da hélice. Em geral, o navio arrasta a água consigo até certo ponto, de modo que sua velocidade média V a passando pela hélice é menor que a velocidade do navio V . A diferença V − V aé a velocidade da esteira, e a razão entre essa velocidade e a velocidade do navio é a fração da esteira w = V−V a / V .
Existem pressões reduzidas na região à frente da hélice, resultantes de pressões correspondentes nos lados dianteiros das pás. Estes agem para aumentar a resistência do casco R e requerem um impulso maior T para superá-lo. Este aumento de resistência ou perda de empuxo é T − R e a fração de dedução de empuxo t = T−R / T .
Eficiência de propulsão
A eficiência com a qual qualquer dispositivo de propulsão mecânica impulsiona um navio é um produto de três proporções distintas. A primeira é a eficiência da hélice, a proporção de entrada para saída quando o dispositivo está funcionando sozinho em águas abertas, como quando um modelo é testado em uma bacia modelo. A segunda, conhecida como eficiência do casco, é a razão 1− t / 1− w , indicando o efeito médio da interação casco-hélice. A terceira, conhecida como eficiência rotativa relativa, é a relação entre a eficiência da hélice quando o dispositivo está funcionando em águas abertas e a eficiência da hélice operando na esteira irregular do navio.
Para navios com hélices helicoidais, a eficiência da propulsão diminui à medida que mais hélices são adicionadas. Varia de 0,76 a 0,80 ou mais para uma rosca única bem posicionada e bem projetada, de 0,65 a 0,72 para roscas duplas e de 0,60 a 0,64 para roscas quádruplas, como as transportadas por grandes navios de linha e de guerra.
Na prática, a eficiência em águas abertas para um determinado tamanho de dispositivo de propulsão varia de maneira quase previsível com o coeficiente de carga de empuxo, T / V a 2 . A partir desse fator, é possível estimar a potência de eixo necessária para conduzir um navio com resistência conhecida a qualquer velocidade.
