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ENGENHARIA MECÂNICA NO
TRANSPORTE DE
MERCADORIAS Transporte Marítimo
Trabalho realizado por:
MIEM03_03
Bruna Fonseca [email protected]
Carlos Pereira [email protected]
Gonçalo Pereira [email protected]
João Soeiro [email protected]
Lourenço Alves [email protected]
Luísa Gonçalves [email protected]
Coordenadora: Teresa Duarte
Supervisor: José Ferreira Duarte
Monitor: Miguel Macieira
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Resumo
No presente relatório pretende-se explicitar a contribuição da engenharia
mecânica para o transporte de mercadorias por meio aquático. Assumimos
como objetivo apresentar a importância desta área da engenharia não só na
evolução dos meios de transporte marítimos ao longo da história, mas também
na logística e organização dos portos, pois ambos possuem uma relação
inquebrável que pretendemos acentuar. Ao longo deste trabalho procuramos
também encontrar os pontos positivos e negativos mais importantes deste tipo
de transporte de mercadorias, que apesar de ter sido, em parte, substituído por
outros meios de transporte, continua a ser o mais utilizado. Para complementar
este trabalho, recorremos a entrevistas a trabalhadores da APDL (Administração
dos Portos Douro e Leixões) de modo a enriquecê-lo e assim abordar o ponto de
vista de alguém experiente relativamente ao tema a retratar.
Em suma, este projeto pretende informar sobre o transporte de mercadorias
marítimo e mostrar a sua eficácia, mas também apresentar alguns dos aspetos
que podem ser melhorados de modo a otimizá-lo.
Palavras chave
Engenharia Mecânica; Transporte; Mercadoria; Lei de Arquimedes; Impulsão;
Materiais; Propulsão; Impacto ambiental.
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Agradecimentos
O presente relatório requereu a ajuda de vários profissionais e instituições que
forneceram um suporte indispensável a sua realização.
Entre outros, queríamos agradecer ao nosso monitor Miguel Maceira e ao
supervisor José Ferreira Duarte pelo acompanhamento ao longo das semanas e
pelos comentários essenciais à melhoria deste projeto.
Também a Faculdade de Engenharia Da Universidade do Porto nos
disponibilizou todos os equipamentos e fontes de informação necessárias.
Um agradecimento especial ao engenheiro Dantas da Rocha da APDL que
contribui com informação sobre o seu trabalho e sobre o transporte de
mercadorias no porto de Leixões.
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Índice
Resumo ......................................................................................................................................................... 1
Palavras chave .............................................................................................................................................. 1
Agradecimentos ........................................................................................................................................... 2
Glossário ....................................................................................................................................................... 5
Lista de abreviaturas .................................................................................................................................... 5
Introdução .................................................................................................................................................... 6
Conceito de engenharia mecânica ........................................................................................................... 6
Transportes marítimos ............................................................................................................................. 6
Outros meios de transporte ..................................................................................................................... 7
História ......................................................................................................................................................... 8
Como flutuam os barcos- Lei de Arquimedes ......................................................................................... 13
Processo de Flutuação ........................................................................................................................ 14
Contributo da engenharia mecânica .......................................................................................................... 15
Materiais Utilizados ................................................................................................................................ 15
Constituição de um navio ................................................................................................................... 15
Fibras .................................................................................................................................................. 16
Tipos de propulsão ................................................................................................................................. 17
Conceito de Propulsão........................................................................................................................ 17
Remo .................................................................................................................................................. 17
Vela náutica ........................................................................................................................................ 17
Motor a diesel .................................................................................................................................... 18
Vantagens e Desvantagens ......................................................................................................................... 19
Impacto ambiental ................................................................................................................................. 19
Estatísticas .................................................................................................................................................. 21
Porto de Leixões ..................................................................................................................................... 21
Tipos de navios ........................................................................................................................................... 23
Perspetivas futuristas ................................................................................................................................. 25
Conclusão ................................................................................................................................................... 27
Referências bibliográficas ........................................................................................................................... 28
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Lista de figuras
Figura 1- Transporte de Mercadorias via aquática ....................................................................................... 6 Figura 2- Canoa de tronco oco ..................................................................................................................... 8 Figura 3- Projeto de watt .............................................................................................................................. 9 Figura 4- Expulsão do vapor no barco a vapor ........................................................................................... 10 Figura 5- Remo antigo em madeira ............................................................................................................ 17 Figura 6- Constituição do motor a diesel .................................................................................................... 18 Figura 7- Comparação do Custo de cada transporte por unidade de volume por distância (K/m) ............ 19 Figura 8- Comparação da emissão de dióxido de carbono pelos vários transportes por km de carga
transportada ............................................................................................................................................... 20 Figura 9- Petroleiro ..................................................................................................................................... 23 Figura 10- Porto com contentores ............................................................................................................. 23 Figura 11- Projeto rolls-royce ..................................................................................................................... 25 Figura 12- Projeto vindskip ......................................................................................................................... 26 Figura 13- Vantagens do projeto ................................................................................................................ 26
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Glossário
Impulsão - força que um fluido exerce sobre um corpo, quando este está
parcial ou inteiramente imerso nele, e que é dirigida verticalmente de baixo
para cima (força exercida pela água sobre o barco).
Peso aparente - Peso que o corpo aparenta quando se encontra dentro de
um fluido.
Logística - relação entre contabilidade, organização e planeamento de
várias áreas como armazenamento, distribuição e manutenção de
produtos.
Porto - um local com instalações que permitam amarrar navios mercantes e
descarregar ou carregar mercadorias, bem como desembarcar ou
embarcar passageiros dos ou nos navios.
Propulsão- movimento criado a partir de uma força impulsora
Lista de abreviaturas
TEU (Twenty-foot Equivalent Unit)- unidade de medida equivalente a 20 pés
APDL- Administração dos Porto do Douro e Leixões
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Introdução
Neste relatório pretendemos demonstrar a importância da engenharia mecânica na sociedade atual, mais concretamente no transporte de mercadorias via marítima.
Conceito de engenharia mecânica
A engenharia mecânica atua sobre diversas áreas tais como construção, análise, operação e manutenção de sistemas mecânicos, desenvolvendo e projetando máquinas e sistemas, ou seja, ferramentas que visam facilitar e optimizar determinados setores da indústria. O engenheiro mecânico tem ainda a função de calcular a necessidade de matéria-prima e providenciar moldes de peças que serão fabricadas. Além disto, é ainda responsabilidade do engenheiro mecânico testar os produtos obtidos analisando a sua resistência, conferindo medidas, etc. Assim, esta área desempenha um papel fundamental para o funcionamento da maioria dos equipamentos do nosso quotidiano, constituindo-se numa área indispensável para o desenvolvimento tecnológico, científico e económico.
Transportes marítimos
O transporte de mercadorias pode ser efetuado
por diferentes meios (terrestre, aéreo e
aquático). Neste trabalho iremos explorar a
evolução e desenvolvimento do
transporte por meio aquático (figura 1),
tanto marítimo como fluvial. O
transporte marítimo é o que utiliza,
como o nome indica, como via de
circulação os mares abertos. O transporte
fluvial faz-se por rios e lagos. Como o
transporte aquático se faz na sua maioria por
mar, a denominação de transporte marítimo é usada correntemente como
sinónimo.
Neste contexto, iremos abordar vários aspetos, desde os primeiros barcos, às
FIGURA 1- TRANSPORTE DE MERCADORIAS VIA AQUÁTICA
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
mais recentes infra-estruturas e processos de logística, bem como as nossas perspetivas para o futuro nesta área promissora.
Desde os primórdios da humanidade que a raça humana teve a necessidade de transportar bens e mercadorias, tendo a engenharia desempenhado um papel imprescindível na evolução desses transportes essenciais para o desenvolvimento da humanidade, e de modo especialmente relevante no transporte marítimo já que este foi o primeiro modo eficiente de transporte de grandes quantidades de mercadoria. Atualmente, cerca de 80% de toda a mercadoria mundial (em volume) é transportada por mar e distribuída pelos portos de todo o mundo.
A mercadoria transportada e armazenada nos portos é muito variada, desde medicamentos e alimentos, a automóveis e líquidos derivados do petróleo. Na atualidade, os portos de maior destaque possuem uma moderna e grande infra-estrutura, que envolve máquinas e centros de armazenagem.
Outros meios de transporte
Para além do meio marítimo, as mercadorias podem ser transportadas por meio
aéreo ou terrestre. Os aviões e os comboios são, alguns exemplos dos
transportes referidos, que envolvem uma grande complexidade, também
derivada da Engenharia Mecânica, que foi crucial para todos estes meios
evoluírem.
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
História
A história do barco estende-se desde a
Idade da Pedra, quando o Homem
descobriu que um tronco é capaz de
flutuar. Ao longo da evolução foi-se
apercebendo que era possível moldar o tronco
de forma a torna-lo mais estável.
O primeiro meio de transporte marítimo foram as canoas contruídas com
troncos de árvores coníferas (figura 2), cerca de 8000 a.C., e mais tarde as
jangadas e barcos feitos de junco 5000 a.C..
Contudo, os primeiros navios que percorriam já maiores distâncias eram
movidos por velas. Pequenos, em contraste com grandes transatlânticos de hoje
e navios de carga, estes eram também dependentes do vento e do tempo em
geral, ainda que desempenhassem o seu papel no comércio e na exploração.
Por séculos o seu design permaneceu fundamentalmente inalterado. No
Império Romano dependia-se das galés que eram movidas a remos, mas os
povos germânicos já confiavam sobretudo nas velas.
Para navegar no Atlântico e levar carga, os vikings utilizavam um barco
chamado knarr. Os knarrs eram muito parecidos com os seus barcos longos,
mas eram mais fundos e mais largos e os conveses eram cobertos na proa e na
popa e abertos apenas a meia-nau. Era frequente os knarrs terem mais de
cinquenta pés de comprimento, com uma largura de cerca de quinze pés. Podia
navegar em águas pouco profundas, sendo, portanto, um bom barco de rio. Era
sobretudo um barco à vela, recorrendo aos remos só quando não havia vento.
Com vento a favor o knarr podia atingir uma velocidade de oito nós. Já os barcos
longos conseguiam atingir, com remos, os quinze nós e tinham 35 metros de
comprimento. No século X apareceram os cogs também chamados de barcos
redondos, porque tinham cascos bastante largos em relação ao comprimento,
ao contrário do que acontecia em barcos anteriores. O barco redondo foi, sob
várias perspetivas, uma extensão do návio de transporte viking, o knarr. O cog
era um navio à vela com grande estabilidade e com maior espaço para carga e
apresentava a novidade de não ter remos, mas ser um verdadeiro barco
adaptado à navegação, capaz de fazer longas viagens e de transportar pesadas
mercadorias.
A descoberta do Novo Mundo intensificou a procura de maiores embarcações.
A construção naval tornou-se essencial às nações marítimas da Europa. O
FIGURA 2- CANOA DE TRONCO OCO
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
engenheiro naval bem-sucedido era suscetível de ser alvo de favores reais, e as
suas criações assumiam cada vez mais uma aparência ostensiva. Os grandes e
ricamente ornamentados navios da Armada Espanhola eram sugestivos de umas
fortalezas flutuantes. Mas os ingleses que muito aprenderam das suas viagens
de descoberta e de comércio a terras distantes, construíam menores, mais
velozes e manobráveis navios que provaram ser mais eficazes em ação. Pelo
século XIX as grandes embarcações à vela da era dos veleiros atingiram uma
perfeição quase sem precedentes para navios, resultado das pressões da
procura da velocidade das longas viagens de comércio de chá e especiarias
entre o Extremo Oriente e Inglaterra e América, e do crescente comércio entre
Europa e América do Norte. No entanto, enquanto os navios à vela atingiam o
seu mais alto desenvolvimento, as sementes da sua obsolescência eram
lançadas.
Nos anos seguintes ao desenvolvimento bem sucedido da máquina a vapor pelo
engenheiro mecânico James Watt (1736-1819) no final do século XVIII, os
primeiros barcos a vapor experimentais foram testados em canais da Escócia e
em rios em Nova Jérsia. Watt trabalhou na Universidade de Glasgow, na
Escócia, onde começou a interessar-se pela máquina a vapor de Newcomen, um
aparelho ainda primitivo e ineficaz, que
estava a ser utilizado para extrair água das
minas. A máquina de Newcomen era grande
e não tinha muita força, era de difícil
manutenção e perdia mais de 80% do vapor.
Baseando-se em princípios completamente
diferentes, Watt desenhou uma máquina
bastante superior em 1765 (figura 3).
Utilizar a máquina de Watt como fonte de
energia de um barco era o mais óbvio, uma
vez que não havia necessidade de carris nem era preciso que a máquina fosse
leve. Assim as tentativas de construir um barco a vapor começaram quase
imediatamente (na sequência de tentativas falhadas de utilizar a ineficaz
máquina de Newcomen como fonte de energia para pôr um barco em
movimento). Alguns dos primeiros barcos parecem ter desempenhado
adequadamente as suas funções, mas não tiveram continuação. E então
apareceu o Eng. Robert Fulton (1765-1815).
Fulton era americano, mas começou a sua ilustre carreira em França, onde
construiu o primeiro submarino de sucesso, o Nautilus, a pedido de Napoleão
FIGURA 3- PROJETO DE WATT
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Bonaparte. Construiu depois um grande barco a vapor, com 66 pés de
comprimento, e submeteu-o a testes no Rio Sena em 1803. O resultado foi bom
e o barco chegou mesmo a atingir uma velocidade de 3 a 4 milhas por hora
contra a corrente. Quando se preparava para regressar aos Estados Unidos,
Fulton encomendou o último modelo de máquina a vapor a Boulton, sócio de
Watt. Despachou-o para os Estados Unidos e utilizou-o em 1807 como fonte de
energia de um barco a vapor que veio a ser conhecido por Clermont. Na
máquina a vapor a água é aquecida utilizando madeira, carvão ou óleo
queimados numa caldeira, um recipiente fechado. Quando a água alcança os
212 graus Fahrenheit (100ºC),
começa a transformar-se em vapor,
aumentando assim bastante o
volume e fazendo pressão na
caldeira. Se esta continuasse
fechada, a pressão do vapor
acabaria por abrir com violência
essa mesma caldeira, que contém a
energia básica da máquina a vapor.
Mas em vez de deixar a caldeira
explodir, a máquina domina a
energia do vapor em plena expansão através de uma válvula que permite que o
vapor se escape da caldeira para um cilindro (figura 4). O cilindro contém um
pistão e o vapor que entra empurra o pistão até ao fim do cilindro e é nessa
altura que o vapor pode sair. Quando o vapor se solta, o pistão regressa à outra
extremidade do cilindro e nessa altura o cilindro permite uma nova explosão de
vapor e o ciclo energético repete-se. O pistão está ligado ao eixo de um came
que põe em movimento aquilo a que a máquina está a fornecer energia, não as
rodas de um comboio ou de uma máquina industrial com um tear mecânico,
mas sim as rodas de pás. O barco tinha 150 pés de comprimento e 16 de largura
e tinha uma roda de pás em cada lado e o seu modelo acabou por ser um
clássico dos barcos a vapor. O Clermont aguentava uma velocidade de cinco
milhas por hora e foi um êxito comercial imediato. O barco conseguia fazer uma
viagem de 241 km, no rio Hudson entre Nova Iorque e a capital do estado,
Albany em cerca de 30 horas, bastante mais rápido do que qualquer outro meio
de transporte. E era muito mais barato- transportar a mesma carga de
mercadorias numa carroça durante a mesma distância custava 100 vezes mais.
Mal o Clermont abriu o caminho, os barcos a vapor começaram a povoar as vias
fluviais americanas e os rios da Europa Ocidental não tardaram também a
encher-se desse tipo de barcos.
FIGURA 4- EXPULSÃO DO VAPOR NO BARCO A VAPOR
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Em 1819, uma similar máquina de vapor a lenha foi instalada para conduzir
rodas de pás no recém-construído Savannah, que foi do porto de Geórgia para
Liverpool em 25 dias. O Savannah foi anunciado como o primeiro barco a vapor
de oceano. No entanto, foi totalmente equipado com velas e podia usar o motor
apenas por períodos limitados devido à enorme taxa de consumo de
combustível.
Por esta altura, alguns cientistas ingleses proeminentes afirmavam que nenhum
navio poderia ser construído suficientemente grande para transportar o
combustível necessário para cruzar o oceano apenas com o poder do vapor.
Com a maquinaria à data, estavam, sem dúvida corretos. Após Savannah
regressar à América, a sua maquinaria foi removida e o seu tempo útil foi
completado apenas sob o poder da vela.
Apesar do sucesso limitado e de retrocessos desastrosos devido a explosões de
caldeiras, os defensores da energia a vapor para navios perseveraram. Veleiros
ainda eram favoritos de várias companhias de navegação e empreendedores
bem-sucedidos que operavam nas rotas comerciais do Atlântico Norte já em
1839. Nesse ano, Samuel Cunard, um engenheiro civil britânico nascido na Nova
Escócia, começou a mudança para energia a vapor. Cunard ganhou um contrato
do governo britânico para o transporte de correio para a América em navios
com máquinas a vapor como complemento das velas. Cunard acabou por fundar
uma grande empresa de navios a vapor. O seu primeiro navio tinha rodas de pás
de madeira, 207 pés de comprimento e foi contruído no rio Clyde na Escócia
chamando-se Britannia. Sua viagem inaugural, começando em 4 de Julho de
1840, de Liverpool a Boston levou 14 dias e 8 horas.
Em 1855, Cunard tinha completado mais de uma dúzia de barcos de madeira
movidos a vapor que lentamente estabeleceram o vapor como um sério
competidor aos veleiros. Em poucas décadas o vapor suplantava a vela.
Em 1856, o primeiro navio a vapor de Cunard com rodas de pás de ferro, o
Persia, foi construído. Alcançava os 14 nós (14 milhas náuticas por hora) sendo
considerado o mais rápido. A sabedoria do governo britânico ao apresentar suas
exigências que levaram ao estabelecimento da competitiva Cunard Steamship
Company, é justificada pela abordagem à Guerra da Crimeia. Assim suportes
militares e progressos no transporte de mercadorias correlacionavam-se. Em
emergência 14 navios de Cunard tornaram-se imediatamente disponíveis para o
governo enviar tropas e mantimentos.
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Com todo este desenvolvimento a arquitetura naval rapidamente se consolidou
como uma ciência. Os novos e maiores navios a vapor apresentavam problemas
na força e na estabilidade do casco. Havia também um problema com a
velocidade. Os motores a vapor apresentavam vantagens, mas o conhecimento
sobre como melhor os utilizar teve de esperar até novos tipos de barcos serem
realmente construídos. O desafio foi aceite com entusiasmo e energia por
muitas das mentes excecionais da Europa e América. O engenheiro inglês
Isambard Kingdom Brunel, auxiliado pelo arquiteto naval John Scott Russel, fez
um notável progresso na construção de grandes navios. O Great Western de
Brunel tornou-se no primeiro navio para fazer regulares viagens transatlânticas
bem sucedidas. Constrúido em 1838 em Bristol, Inglaterra, para a Great
Western Railway Company, era um navio a vapor de madeira com rodas de pás
de 1440 toneladas brutas e atravessava o Atlântico em 15 dias. Mais tarde,
Brunel desenhou o Great Britain para o mesmo proprietário e serviço entre
Bristol e Nova York. Em vez das rodas de pás o navio era impulsionado por
hélices propulsoras, e tinha um casco de ferro. Foi o maior navio da sua época e
o primeiro navio a vapor com hélices propulsoras a atravessar o Atlântico na sua
viagem inaugural, em 1845.
Brunel então concebeu um navio a vapor ainda maior para transporte de
mercadorias entre Inglaterra e Calcutá via Cabo da Boa Esperança chamado de
Great Eastern. A embarcação de ferro teria 692 pés de comprimento, seis
mastros de velas e cinco chaminés, um par de rodas de pás a meio, uma de cada
lado, e uma grande hélice na popa. Como planeado, o navio conseguia
transportar uma enorme quantidade de carvão não apenas como combustível
para as suas próprias viagens, mas também para o reabastecimento, ao longo
da rota, para a Índia de embarcações menores.
Depois de vários anos de construção o navio foi lançado no Tamisa em 1858.
Infelizmente o custo de construção excedeu as estimativas, e a empresa de
construção foi obrigada a fechar. O Great Eastern foi vendido para uso no
Atlântico Norte. Do ponto de vista da engenharia o Great Eastern foi um trunfo.
Mas não foi teve êxito financeiro ao serviço de transporte de mercadorias
devido a instalações inadequadas para a expedição de cargas em terminais
portuários. No entanto, oito anos mais tarde o navio fez um excelente serviço
na colocação do primeiro cabo telegráfico transatlântico.
Durante as décadas de 1840 e 1850 as opiniões diferiam fortemente acerca das
vantagens de rodas de pás e hélices propulsoras para navios a vapor. A linha de
Cunard e outros inclinaram-se para as hélices. Em 1845 o governo britânico
patriocinou um teste único: um cabo de guerra entre Rattler movido a hélice e
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
Alecto movido a rodas de pás. Cada navio tinha cerca de 800 toneladas. Num
dia calmo as embarcações foram dirigidas em sentidos opostos com cabos
grossos a anexar a popa de um com a do outro. A superioridade da hélice foi
demonstrada de forma convincente com Alecto a ser vergonhosamente
rebocado pelo Rattler.
Como flutuam os barcos- Lei de Arquimedes
Na sua obra Sobre os corpos flutuantes, o engenheiro e matemático grego Arquimedes (século III a.C.) assumiu que se corpos estão a flutuar ou suspensos em água, de forma que áreas iguais, na mesma profundidade, são pressionadas para baixo por diferentes pesos, então a água e os corpos deslocam-se até que todas essas áreas iguais, em determinada profundidade, sejam pressionadas para baixo pelo mesmo peso. A partir desse pressuposto, Arquimedes deduziu consequências gerais para corpos flutuantes e submersos.
Considere-se um navio, cujo peso é inferior ao peso de um mesmo volume de água. O navio flutua na superfície da água e desloca alguma quantidade de água. Se marcarmos uma extensão horizontal na água numa certa profundidade imediatamente por baixo do navio flutuante, e com uma área igual à do corpo na sua linha de flutuação, então o peso que pressiona essa superfície será o peso do navio mais o peso da água acima dessa extensão, não incluindo a água deslocada pelo corpo flutuante, que já não se encontra acima da extensão. Podemos compará-lo ao peso que pressiona para baixo uma extensão de mesma área e com igual profundidade, mas afastada do local da embarcação. Esse peso não inclui o peso do navio, mas inclui toda a água que preenche essa extensão até a superfície, já que não há deslocamento de água. Para que ambas as extensões sejam pressionadas para baixo pelo mesmo peso, o peso da água deslocada pelo corpo flutuante tem de ser igual ao peso do corpo flutuante. Daí que o peso de um navio seja geralmente referido como o seu “deslocamento”. A força de impulsão exercida sobre o corpo é numericamente igual ao peso da água deslocada. Considere-se agora um corpo cujo peso é maior que o de um igual volume de água. Esse corpo não irá flutuar, mas pode ser suspenso na água por um cabo. Se o cabo estiver ligado a um braço de balança, podemos medir o peso aparente (Pa) do corpo quando submerso. O peso que pressiona para baixo uma extensão horizontal na água, em alguma profundidade diretamente abaixo do corpo suspenso, será igual ao peso real (P) do corpo suspenso menos o peso aparente, que é cancelado pela tensão no cabo, mais o peso da água sobre a extensão, que obviamente não inclui a água deslocada pelo corpo. Podemos compará-lo ao peso que pressiona para baixo uma extensão de mesma área e com igual profundidade, que não inclua o corpo, mas
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
toda a água dessa extensão até a superfície. Para que ambas as extensões sejam pressionadas para baixo pelo mesmo peso, temos: P – Pa = Pd, em que Pd é o peso da água deslocada. Deste raciocínio e do facto de o mesmo ser aplicável a qualquer outro fluído deriva a chamada Lei de Arquimedes:
"Todo o corpo mergulhado num fluido em repouso fica sujeito a uma força vertical de baixo para cima cuja intensidade igual ao valor do peso do fluido deslocado pelo corpo".
O valor da impulsão I é igual a diferença entre os valores do peso do corpo e do seu peso aparente (Peso que o corpo aparenta quando se encontra dentro de um fluido): I=P-Pa.
Processo de Flutuação
Se densidade do corpo for menor do que a do fluido então o peso do corpo será menor do que a força impulsão e deste modo o corpo será empurrado para a superfície, aproximadamente, até que o peso de um volume de fluído correspondente ao volume submerso do corpo seja igual ao peso do corpo.
Num corpo em flutuação no líquido verificam-se as seguintes características:
1. Encontra-se em equilíbrio 2. Volume de líquido que ele desloca é menor do que o seu volume 3. A sua densidade é menor do que a densidade do líquido 4. Valor do peso aparente é nulo
Mas não é apenas a impulsão que permite o transporte aquático. A lei de Arquimedes aplica-se a outros líquidos, mas em muitos a sua viscosidade seria impeditiva. A água tem uma propriedade especial relacionada com a sua própria química que a torna à medida. Devido à sua polaridade, as moléculas de água tendem a ligar-se umas às outras por pontes de hidrogénio, que se estabelecem entre os átomos de hidrogénio de uma molécula e os átomos de oxigénio de moléculas próximas. Assim, as moléculas de água bloqueiam-se numa coesão muito forte que origina uma tensão superficial. Em vez de aderirem ao barco as moléculas de água aderem umas às outras. São como uma camada que permite que os navios deslizem enquanto flutuam.
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Contributo da engenharia mecânica
A engenharia mecânica tem um papel indispensável em diversas áreas desde a projeção e desenvolvimento de novas ideias até à sua concessão, participando quer na automação de linhas de produção, sistemas de controlo, etc. quer na construção de equipamentos mecânicos e térmicos e na sua manutenção.
Especificando, no transporte marítimo de mercadorias, a engenharia mecânica foi não só indispensável na evolução dos navios ao longo dos séculos, mas é também essencial na escolha dos materiais a utilizar em cada tipo de embarcação tendo em conta o tipo de navegação pretendido: a sua massa, velocidade, etc., na manutenção dos seus equipamentos. Também na construção e funcionamento dos portos a engenharia mecânica tem um papel essencial.
Para a construção de um porto é necessária a contribuição de diversas áreas da engenharia tais como engenharia de solos (estudo dos movimentos de areias), engenharia civil (construção de infraestruturas), eletrotécnica, entre outras. A engenharia mecânica é a que se dedica não só ao estudo da carga a transportar em cada porto e projeta máquinas e equipamentos adequados ao tipo e quantidade de carga, mas tem também a função de fazer a sua manutenção (de gruas, empilhadoras, etc.) e no caso de avaria em algum equipamento agir rapidamente de forma a não haver prejuízo ou atraso no transporte. Além disto, está também ao cargo do engenheiro mecânico o cálculo e planeamento da distribuição da carga pelo navio para que este não afunde e também o cálculo das defensas necessárias para o navio não chocar contra o cais tendo em conta a velocidade e tamanho do navio, o vento, etc.
Materiais Utilizados
Para a construção de um navio é necessário ter em conta os materiais a utilizar
em cada parte específica, já que um navio é constituído pelas mais diversas
estruturas.
Constituição de um navio
o Casco (estrutura principal)
o Aprestamento - estruturas secundárias
o Máquinas
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ENGENHARIA MECÂNICA NO TRANSPORTE DE MERCADORIAS | Transporte Marítimo
o Tubagens, condutas e acessórios
o Instalações elétricas
o Isolamento e revestimento
A maioria dos materiais utilizados na construção de navios são materiais
metálicos, madeira e plásticos reforçados a fibra. A escolha do material mais
adequado a utilizar é feita com base nas propriedades de cada um: físicas,
mecânicas, resistência à corrosão e ao desgaste, o seu comportamento a
diferentes temperaturas, etc.
A produção de todos os aços utilizados para construção naval começa pela
fundição do minério de ferro composto por cerca de 92% a 97% de ferro (sendo
as restantes substâncias carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo).
Fibras
Fibras de poliamida e de poliéster são utilizadas em velas e cabos náuticos,
devido à sua elevada resistência, baixa absorção de água, resistência à luz solar
(UV).
Fibras de vidro são aplicadas em isolamentos térmico devido à sua baixa
condutividade térmica, proporciona a sua aplicação de diversas formas, redução
da reverberação.
As fibras de carbono, vidro e aramídea são aplicadas em materiais em cascos de
barcos e navios devido a características como elevada rigidez, baixo peso, boas
propriedades mecânicas. O objetivo na construção dos cascos dos navios é
obter uma maior resistência ao impacto com o menor peso possível.
Nas embarcações de competição, os compósitos de fibra de carbono são
também utilizados como forma de garantir a produção de componentes
extremamente finos e resistentes, garantindo a possibilidade de elevadas
velocidades.
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Tipos de propulsão
Conceito de Propulsão
Para o deslocamento das embarcações é necessária produção de energia
mecânica. Desta forma a propulsão naval é o modo utilizado para obtenção
dessa energia.
Os remos, a vela, o motor a vapor, o motor diesel e a turbina a gás são os
principais meios de propulsão naval e alguns deles são explicados de seguida.
Remo
O remo foi o primeiro meio de
produção de energia que surgiu,
tendo sofrido um processo de
evolução da sua complexidade.
Este inicialmente consistia num
bastão longo de madeira (figura
5) que ajudava no movimento das canoas (também de madeira que
anteriormente referimos), através do seu manuseamento.
O remo funciona como um prolongamento do braço pois funciona como uma
alavanca que impele a água para trás e faz mover a embarcação.
O remo foi evoluindo de forma a otimizar a sua função, passando por alterações
tais como no seu comprimento dependendo do tipo de barco, na sua
constituição (passou a utilizar-se fibra de carbono) e tornou-se a sua parte
superior arredondada (como uma pá).
Hoje em dia, o remo possui uma reduzida importância sendo mais utilizado com
intuito desportivo, pois para o transporte de mercadorias foi em grande parte
substituído por motores.
Vela náutica
A vela é um tipo de propulsão muito utilizado pois não necessita de motor, o
seu trabalho é gerado quando exposta ao vento. As velas dividem-se em três
FIGURA 5- REMO ANTIGO EM MADEIRA
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grupos segundo o seu formato: quadrada ou redonda, áurica (quadrangular não
simétrica) e a latina (triangular que permite navegar contra o vento).
O seu funcionamento gera propulsão de duas diferentes formas
o aproveitando o vento e deslocando-se no mesmo sentido que este;
funcionamento semelhante a um para-quedas
o a vela posiciona-se transversalmente ao vento levando este a percorrer
uma trajetória maior do lado côncavo da vela no mesmo intervalo de
tempo levando a uma diferença de pressão entre os lados que força a
vela.
Motor a diesel
É um motor (figura 6) em que a
combustão é feita pelo aumento da
temperatura resultante da compressão
do ar. Este motor funciona a 4 tempos:
admissão, compressão, combustão e
escape.
Durante o processo, o ar aquecido pela compressão inflama o óleo diesel (na camara de compressão). O óleo diesel é bombeado para cada injetor.
Este tipo de motor tem desvantagens, entre as quais, o elevado custo, cheiro e intenso a combustível queimado, ruído, grande peso, vibração que leva a baixa rotação, entre outras.
FIGURA 6- CONSTITUIÇÃO DO MOTOR A DIESEL
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Vantagens e Desvantagens
Apesar dos importantes contributos da engenharia mecânica nos transportes de
mercadorias por meio marítimo terem trazido inúmeras vantagens, existem
também desvantagens associadas a este tipo de transporte.
Vantagens: aumento do tamanho e quantidade de carga possível de ser transportada, para deslocações intercontinentais, poucos custos de deslocação (em comparação com outros tipos de transporte- figura 7); descongestionamento da via terrestre.
Desvantagens: baixa velocidade de transporte, maior tempo de descarga devido à necessidade dos produtos passarem por portos/alfândegas, longa distância dos portos aos centros de produção, estragos ou perdas de mercadorias, poluição.
Impacto ambiental
O transporte marítimo é responsável na atualidade por cerca de 4% da emissão de gases poluentes e causadores do efeito de estufa a nível mundial. Em 2007 a frota de mercadoria mundial emitiu cerca de 1,2 biliões de toneladas de dióxido de carbono o que representou 4,5% da quantidade de gases poluentes em todo o mundo.
Estes gases, tais como dióxido de carbono (CO2), óxidos de azoto (NOx) e óxidos de enxofre (SOx) são os principais responsáveis pela poluição atmosférica o que pode causar impacto a nível ambiental e também na saúde humana, através da contaminação (por gases, partículas sólidas, líquidos em suspensão ou material biológico).
De acordo com estudos científicos recentes, a poluição atmosférica devida ao transporte marítimo, é causadora de cerca de 50 mil mortes prematuras por
FIGURA 7- COMPARAÇÃO DO CUSTO DE CADA TRANSPORTE
POR UNIDADE DE VOLUME POR DISTÂNCIA (K/M)
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ano na Europa.
Contudo, para efeitos de comparação com outros meios de transporte é necessário calcular a razão entre a quantidade de gases poluente e a quantidade de carga transportada pois apesar destes valores, é o transporte por meio marítimo que apresenta o mais baixo valor de emissão de CO2 por tonelada transportada (figura 8).
FIGURA 8-COMPARAÇÃO DA EMISSÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO PELOS VÁRIOS TRANSPORTES POR KM DE CARGA
TRANSPORTADA
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Estatísticas
Porto de Leixões
Inicialmente, as cargas e descargas de mercadorias decorriam no rio Douro, o
qual tinha condições desfavoráveis para o fazer: baixa profundidade,
instabilidade da barra do rio, entre outras. Assim, houve necessidade de criar
um porto mais adequado. Com isto, as obras do Porto de Leixões iniciaram-se
em 13 de Julho de 1884 e este veio-se a tornar dos mais importantes portos do
país onde se registaram em 2015 os seguintes dados:
o 18,7 milhões de toneladas de carga transportada, das quais 5,8 milhões
exportadas
o 624 mil TEU´s
o 2712 navios
o 12 concessionários
o 60 agentes de navegação
o Exportação para 184 países
Apresentam-se ainda as estatísticas do movimento anual de carga.
Ano
Carga
Geral
Fracionada
Carga
contentorizada
RO-
RO
Granéis
Sólidos
Granéis
Líquidos Total
2015 1 146 5 988 705 2 568 8 353 18 760
2014 1 021 6 512 407 2 323 7 828 18 091
2013 895 6 296 75 2 095 7 825 17 186
2012 917 6 458 18 2 174 7 048 16 615
2011 935 5 409 10 2 503 7 506 16 363
2010 596 4 992 23 2 229 6 730 14 570
Tabela 1- Estatísticas porto de Leixões de 2003 a 2015
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2009 346 4 546 67 2 086 7 094 14 139
2008 647 4 633 22 2 191 8 142 15 635
2007 740 4 426 33 2 106 7 643 14 948
2006 570 3 866 26 2 150 7 404 14 016
2005 487 3 539 9 2 302 7 713 14 050
2004 467 3 549 11 2 378 7 298 13 703
2003 546 3 185 10 2 237 7 471 13 450
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Tipos de navios
Existem três grandes categorias de navio: de transporte, de pesca e auxiliares.
Dentro dos navios que transportam mercadorias, existem vários tipos
dependendo do tamanho e forma e principalmente da carga que transportam.
São estes alguns deles:
1. Navio-Tanque: transporte de
líquidos (petróleo e derivados,
gás liquefeito, água, vinho,
etc.), cereais, entre outras
cargas. Os mais famosos
navios-tanque são os
petroleiros (figura 9), podem
transportar milhares de
toneladas, contudo podem
trazer severos problemas
ambientais, devido a possíveis
derrames.
2. Navio Frigorífico: transporta cargas que necessitem refrigeração tais
como medicamentos, alimentos, entre outros. Devido à necessidade de
fornecer energia elétrica a todos os contentores a bordo, o consumo de
combustível bastante elevado comparativamente com outro navio de
transporte.
3. Navio porta-contentores:
transportam a sua carga em
contentores com medidas
padronizadas e empilhados
(figura 10) segundo uma
técnica conhecida como
conteinarização. São estes os
que transportam a maioria
FIGURA 9- PETROLEIRO
FIGURA 10- PORTO COM CONTENTORES
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da carga mundial pois podem transportar quase todo o tipo de
mercadoria. Existem diferentes tipos de contentores para o tipo de carga
(carga seca, pesada, necessidade de refrigeração).
4. Navio roll on roll off: mais conhecidos por (RO RO) são os navios mais
indicados para transporte de automóveis. Contém conveses amplos,
transportam diversas viaturas e as rampas de acesso permitem estas
entrarem por si mesmas (daí o seu nome). Outras mercadorias podem
também entrar mais facilmente no navio devido às rampas.
5. Navio Semi-submersível: utilizado para transporte de cargas de grande
porte tais como submarinos, plataformas-petrolíferas entre outros.
Contém bombas de água que injetam a água para dentro dos tanques de
forma a o navio se afundar para permitir a entrada e saída da carga a
transportar.
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Perspetivas futuristas
No que toca ao futuro do transporte de mercadorias destacam-se dois projetos
muito inovadores, diretamente relacionados com a modernização do cargueiro:
1. O primeiro (e mais polémico)
projeto (figura 1) é nos trazido
pela empresa Rolls-Royce que
apresentou planos para um navio
telecomandado e sem a
necessidade de uma tripulação a
bordo. Tal navio irá tornar o
transporte de carga num
processo praticamente
autónomo que se espera que
cruze os mares num futuro mais
ou menos próximo.
A empresa mais conhecida pelo fabrico de carros de luxo e motores a
jato publicou um artigo a apresentar a visão que esta última possui do
“barco de carga moderno”. Este poderá ser monitorizado por um
"capitão" que se encontrará numa estação de controlo remoto.
A Rolls-Royce afirma que o conceito de um navio autónomo será superior
a nível económico, de segurança e de espaço (destinado a carga). A
empresa garante também que é apenas uma questão de tempo até a
visão se tornar uma realidade.
Contudo, o projeto futurista apresenta algumas desvantagens,
nomeadamente a possibilidade do sistema operativo de comando vir a
ser vitima de "hacking" ou até mesmo o próprio navio ser salteado.
2. Em relação ao segundo projeto, o Vindskip, apresentado pela empresa
norueguesa LadeAs, é um inovador cargueiro que visa a usufruir do casco
do navio como uma vela.
FIGURA 11- PROJETO ROLLS-ROYCE
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Inspirado pelos barcos à vela e pela engenharia aeroespacial, o navio
com o seu casco em formato de aerofólio simétrico irá ser concebido de
forma a usar a propulsão do vento para gerar sustentação e propulsão na
direção pretendida.
O Vindskip virá equipado com um programa computacional destinado a
analisar as condições meteorológicas e a calcular a melhor rota com base
na energia potencial eólica. Desta forma, foi estimado que o navio será
capaz de produzir uma poupança no seu consumo de combustível até
60%, juntamente com uma redução na emissão de CO2 até 80% em
comparação com um cargueiro tradicional.
No entanto, apesar do investimento por parte de terceiros, o projeto
apresenta um custo de produção bastante elevado para a indústria naval.
FIGURA 13-VANTAGENS DO PROJETO
FIGURA 12- PROJETO VINDSKIP
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Conclusão
Concluímos assim que o transporte de mercadorias por meio marítimo é o meio
mais eficaz para, principalmente, transportes de longas distâncias quer a nível
ambiental quer a nível económico e que o seu desenvolvimento tecnológico
terá um grande impacto no futuro.
Pudemos também concluir, que sem a engenharia mecânica não seria possível
nem a evolução nem a criação de barcos para o transporte de carga com tanta
eficácia e de uma forma tão inovadora quanto realmente foi.
De referir que ao longo deste trabalho desenvolvemos competências de
trabalho em equipa alargámos o nosso espirito critico e a capacidade de gestão
do tempo para realizar as tarefas que eram pedidas. Acima de tudo, foi o
trabalhar em equipa o mais importante devido à divergência de opiniões e à
forma de como devemos coexistir enquanto equipa. À semelhança do que será
no futuro no mercado de trabalho.
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