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).
