Como Funciona os Navios

Como   Funciona os Navios

Durante milênios, as pessoas tem feito navios de madeira. Então, por volta de 1790, o primeiro navio de ferro foi construído. As pessoas achavam que o ferro afundaria, já que é mais denso do que a madeira. Mas a capacidade de flutuação depende da razão entre o peso e volume. Não importa qual o peso de um navio, ele flutuará se seu volume for grande o suficiente. Um bloco sólido de ferro não flutua, mas o mesmo bloco pode ser transformado em um navio flutuante de mesmo peso.

For millennia, people had been making ships of wood. Than, around 1790, the first iron ship was made. People thought iron would sink, as it is denser than the wood. But the floating capacity depends on the ratio between weight and volume. No matter the weight of a ship, it will float if its volume is large enough. A solid block of iron does not float, but the same block can be transformed into a floating ship of the same weight. 

Quando um objeto é colocado sobre a água, ele desloca certo volume de água. O objeto é mantido sobre a água por uma força ascendente a qual agirá sobre o objeto e é por isso que se percebe um decréscimo aparente do peso do objeto. Esta força de interação entre a água e o objeto obedece ao princípio de Arquimedes, assim enunciado:

"Todo corpo mergulhado num fluido (líquido ou gás) sofre, por parte do fluido, uma força vertical para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo."

Condições para um corpo flutuar em um líquido

Se um corpo está totalmente mergulhado em um líquido, seu peso é igual ao empuxo que ele está recebendo (E=P). Neste caso, será nula a resultante destas forças e o corpo ficará em repouso na posição em que foi abandonado. É isto que acontece com um submarino submerso, em repouso, a uma certa profundidade.

O valor do empuxo é menor do que o peso do corpo (E<P). Neste caso, a resultante destas forças estará dirigida para baixo e o corpo afundará, até atingir o fundo do recipiente. É isto o que acontece quando, por exemplo, abandonarmos uma pedra dentro d'água.

O valor do empuxo é maior do que o peso do corpo (E>P). Neste caso, a resultante destas forças estará dirigida para cima e o corpo sobe no interior do líquido. É isto o que acontece quando, por exemplo, abandonarmos uma bloco de madeira no interior de um líquido. O bloco de madeira ira submergir até que a resultante das forças se iguale, ou seja (E=P), assim, nesta posição é que o corpo flutuará, em equilíbrio.

Destas considerações podemos concluir que, quando uma navio está flutuando, em equilíbrio, na água, ele está recebendo um empuxo cujo valor é igual ao seu próprio peso, isto é, o peso do navio está sendo equilibrado pelo empuxo que ele recebe da água.

Assim, um objeto mergulhado irá experimentar uma força ascendente que cresce gradualmente, equivalente ao peso do volume de água deslocado. No caso de uma barra de ferro, a força ascendente sera muito fraca para sustentar o objeto, e a barra irá afundar. Por outro lado, com a mesma massa de fero, mas com uma forma volumétrica maior, o suficiente de água será deslocado fazendo com que o objeto flutue.

Se carregarmos o barco com uma pequena carga, esta irá empurrar o barco no sentido descendente até que o corpo do barco desloque o excedente de água suficiente para garantir a força ascendente necessária para sustentar a carga. O barco irá flutuar a um nível em que o peso da água deslocada corresponde ao peso total do corpo flutuante. Se a carga for muito pesada, o barco não chega a um ponto em que desloque água suficiente para sustentar o barco e ele irá afundar. 

Em um mar agitado, navios experimentam solicitações enormes. Isto porque a força ascendente em cada parte do navio depende da altura das ondas naquele ponto. Onde a  parte de trás da onda for encontrada, o deslocamento efetivo é o maior, e a força ascendente a mais elevada. A menor força ascendente atua na concavidade das ondas. Em mar agitado, a força ascendente varia ao longo do casco do navio modificam-se permanentemente; navios devem ser projetados para suportar tais forças.
A pior situação é quando o navio avança sobre ondas cuja distância entre os picos seja igual ao comprimento do navio. Se em cada extremo do navio for encontrado uma onda, e o centro sobrepor uma concavidade, as forças ascendentes nas extremidades serão muito maiores do que a meia nau, e o navio tende a ir para baixo. Se o meio do navio está sobre uma onda, e as extremidades estiverem sobre concavidades, os extremos tendem a irem para baixo. Em condições extremas, isto pode quebrar o navio ao meio.

A maioria dos navios são muito pequenos para serem afetados por estes problemas. Porém navios longos estão expostos, enquanto grandes navios de carga, como os petroleiros e os graneleiros, são largos o suficiente, de maneira que seu comprimento e largura têm proporções razoáveis.

Navios também estão sujeitos a pressão de água interna. A pressão aumenta com a profundidade e tem um efeito acentuado sobre navios grandes calados ( a distância entre a superfície da água e fundo do navio). O corpo de tais navios devem ser fortes o suficiente para suportar a pressão da água. Outras forças podem provocar a vibração na estrutura do navio, devido ao balanço e golpes repetitivos das ondas.

Enquanto o navio sobe e desce em mar agitado, a proa (parte dianteira) experimenta grandes variações de pressão de água. Ao descer, a estrutura é empurrada para dentro. Quando a proa sobe, a pressão para. O movimento resultante provoca vibração, devido ao equilíbrio. Ocorre em toda a estrutura do navio, mas é mais forte na proa. É por isso que a estrutura do navio é reforçada na proa.

Em mar agitado, a proa também recebe golpes de ondas repetidas. A proa levanta e colide com a água repetidamente. Navios expostos a golpes repetidos das ondas são geralmente reforçados a cerca de um terço do comprimento da proa para trás.

Quando um navio recebe ondas de um lado, a profundidade da água em ambos os lados se alteram continuamente. As forças diferentes produzidas ao longo da estrutura do navio tendem a deformá-lo. Para contrariar este efeito, chamado impulso, a estrutura interna do navio é reforçada nos pontos onde as travessas ao longo da estrutura do navio se juntam os lados. 

A estabilidade relativa do navio é dada pela posição relativa de três pontos imaginárias: centro de gravidade, centro de flutuação e metacentro (também denominado centro de carena ou centro de impulsão). O peso do navio iria empurrar para baixo a partir do ponto chamado centro de gravidade. Flutuação seria uma força que atua para cima a partir de um ponto chamado centro de flutuação. Quando o navio está acertado (sem inclinações), o centro de flutuação localiza-se bem abaixo do centro de gravidade em uma linha mediana.

Não importa se os ventos ou ondas inclinam o navio, o centro de gravidade permanece inalterado. Mas o centro de flutuação se move  ao longo da linha mediana para a parte mais inferior do navio. A força peso na direção de baixo e a força flutuação agindo na direção contrária traz o navio para a posição correta. Se o navio se inclina transversalmente, a linha vertical que age na flutuação encontra a linha mediana em um ponto chamado metacentro. Quanto mais estiver sobre o centro de gravidade, o navio permanece estável e retorna para sua posição correta depois que a força que provocou o adernamento desapareça. Se os dois pontos coincidem, a flutuação e peso iram contra-agir entre si. Não haverá forças para reposicionar o navio, que ficará adernado.

Se o metacentro estiver abaixo do centro de gravidade,  o navio ficará instável. Uma vez que comece a adernar, a ação do peso e flutuação irão adernar ainda mais o navio, emborcando-o. condições incomuns, como sobrecarga, podem produzir instabilidade. A maioria dos navios aguardam pela passagem de tempestades ou mudam a rota. Barcos salva-vidas são projetados para se redirecionarem quando emborcam acidentalmente.

Roll (jogo) é uma ação do navio balançar de um lado para outro, provocado pelo vento ou ondas.  Além de induzirem tensões na estrutura, o balanço é indesejável para a tripulação. O jogo é mais evidente em navios muito estáveis, projetados para resistirem a emborcamento, já que forças de potência agem para corrigir  qualquer adernamento. Para reduzir o balanço, estabilizadores são montados no mesmo.

Pitch (arfagem) é um movimento oscilatório do navio no plano longitudinal, efetuado ao longo de seu eixo transversal. Cada navio tem um período de arfagem natural, dependendo de seu tamanho, forma e peso. O pitch geral é o resultado de pitch natural, comprimento de onda e velocidade do navio.

Se o navio avança com uma dada velocidade sobre ondas de um certo comprimento, encontrará ondas em intervalos similar ao seu período de arfagem. Assim como o berço de um bebê é suavemente empurrado em intervalos iguais, da mesma forma o navio irá oscilar violentamente para frente e para trás. Este efeito é chamado ressonância, e os impulsos mais suaves podem provocar um efeito dramático se houver um certo intervalo entre impulsos sucessivos. Para minimizar o efeito pitch, construtores fazem teste com ondas em modelos de navio em escala reduzida. Se necessário, o construtor modificará a estrutura do navio para ter certeza que o pitch seja mantido em nível tolerável.

Para avançar sobre a água, o navio deve enfrentar forças de resistência devido a fricção, ondas, formas,  redemoinhos e acessórios (como o leme e propulsor). Resistência devido à fricção é provocado pelo efeito leme entre o corpo do navio e a água. A resistência da água é provocada pelo fato de que o navio gera ondas enquanto avança. Resistência devido à forma é uma força orientada em sentido contrário, provocada pela zona de baixa pressão criada na água na traseira do navio durante seu avanço. Resistência devido a redemoinhos é provocado pelo corpo do navio que gera correntes circular na água.

A resistência total do navio é estimada por seus construtores em um modelo em escala. Ainda assim, a potência do motor deve superar o valor calculado, já que nenhum sistema de propulsão é 100% eficiente. Há perdas de potência do motor e do propulsor. Propulsores anelados diminuem o consumo de combustível, sendo mais eficientes.  Proas do tipo BUMPED podem reduzir o fluxo de água e de resistência (e do consumo de combustível).