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11/06/2015
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André Kouzmine 95
PNA-Side Force Single Screw
A força lateral produzida por um propulsor de um
navio de um único hélice pode ser dividida em 4
partes:
1) FOLLOWING WAKE EFFECT
2) INCLINATION EFFECT
3) HELICAL DISCHARGE
4) SHALLOW SUBMERGENCE EFFECT
**nem sempre as 4 atuam
André Kouzmine 96
PNA – Following Wake Effect Na posição vertical atrás do casco (blade A) a pá passa por uma região de grande following wake (~=80%). Isto resulta em um aumento do ângulo de ataque e maior impulso e torque quando a pá está nesta região. A reação deste efeito para um right-hand screw, é uma força tendendo a mover a popa para bomborbo (BB, port) quando indo para vante.
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André Kouzmine 97
PNA – Following Wake Effect Ao mesmo tempo, a pá passando através da parte inferior do disco irá experimentar uma reação oposta. Como a following wake nesta região é muito mais fraca e se extende por uma área muito menor, a ação da pá superior vai predominar. O following wake efect, então, irá produzir uma força resultante tendendo a mover a popa para bombordo e causando o navio guinar(veer) para a direita.
André Kouzmine 98
PNA – Following Wake Effect
11/06/2015
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André Kouzmine 99
PNA – Inclination Effect O eixo do propulsor está inclinado em relação ao eixo do fluxo da água passando pelo hélice devido ao movimento para dentro e para cima da água abaixo da popa. O movimento para dentro é simétrico dos dois bordos e pode ser desprezado.
Mas o movimento para cima, quando a pá está descendo para sua posição horizontal (Blade B),ela encontra a água se movendo para cima e para a ré. Isto é equivalente a aumentar a velocidade relativa e o ângulo de ataque ao mesmo tempo e consequentemente um aumento no impulso. No lado oposto (port side) ocorre uma diminuição no impulso.
O efeito resultante ao fluxo inclinado é, então, um torque tendendo a torcer(twist) o navio para a esquerda. (na verdade é um torque, e não uma side force)
André Kouzmine 100
PNA – Inclination Effect
11/06/2015
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André Kouzmine 101
PNA – Helical Discharge
A descarga helicoidal do propulsor de um single-screw ship
colide diretamente no leme. A parte da descarga acima do
hub do propulsor cria uma
força sobre o leme tendendo a
mover a popa para boreste
(BE, starboard), enquanto a
metade de baixo cria uma
força tendendo a mover a
popa para bombordo(BB,
port).
André Kouzmine 102
PNA – Helical Discharge
Por causa do aumento do angulo de ataque da pá no arco superior devido ao following wake effect, a corrente de descarga da parte superior do arco é mais forte. O efeito resultante é tender a girar o navio para a esquerda. (este efeito pode ser alterado ou aumentado por um leme assimétrico, especialmente se o leme não se extende por todo o disco. (Consequência indireta da following wake)
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André Kouzmine 103
PNA – Shallow Submergence Effect
André Kouzmine 104
PNA – Shallow Submergence Effect
Efeito de submersão raso ou superficial:
Se um navio estiver com um deslocamento leve, a hélice pode romper a superfície e causar uma diminuição da força no arco superior. Quando o navio tem pouco seguimento, o propulsor frequentemente puxa o ar da superfície quando uma força apreciável é aplicada, e testes tem mostrado que o efeito é o mesmo como se a pá rompesse a superfície. Em ambos os casos é como se a pá estivesse trabalhando em um meio menos denso. E efeito resultante é tender a mover a popa para boreste(BE, starboard) e causando o navio guinar (veer) para a esquerda.
Único que não depende da folowing Wake
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André Kouzmine 105
PNA – Side Effect
Resumo: AV
Following Wake - >
Inclination Effect- >
Helical Discharge- >
Shallow Submerg.- >
André Kouzmine 106
PNA – Side Effect
Resumindo, um sigle-screw ship (navio de um unico helice) com RHFPP, indo para vante, está sujeito a a uma série de diferentes ações, algumas opostas, e o comportamento real irá depender da magnitude relativa das forças. Entretanto, a maioria dos single-screw ships (navios de um hélice) tem a tendência de guinar para a esquerda (bombordo) quando indo para vante.
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André Kouzmine 107
PNA – Side Effect
Quando o navio está em repouso e apenas começando a se mover, a popa normalmente vai para boreste (BE). Isto ocorre pois o movimento para vante do casco e a esteira são negligenciáveis.
Apenas o efeito de submersão superficial é independente da esteira.
Getting under way
André Kouzmine 108
PNA – Side Effect
Se observarmos a água nas vizinhanças do propulsor quando o hélice é iniciado rapidamente, vamos notar uma agitação (churning action) como se o ar fosse atraído para o disco do propulsor mesmo se o propulsor estiver bem submerso. Este ar afeta a metade de cima do disco predominantemente, e o efeito é uma força resultante movendo a popa para boreste - BE.
Getting under way
11/06/2015
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André Kouzmine 109
PNA – Side Effect
Getting under way
Following Wake - >
Inclination Effect- >
Helical Discharge- >
Shallow Submerg.- >
André Kouzmine 110
PNA – Side Effect
Backing => Girando o propulsor para ré com o navio
parado, as side forces são as mesmas quando para
vante, mas a direção da força é revertida.
A partir da hélice sozinho, então, a força na popa é
para bombordo.
Ao girar o propulsor para ré, com o navio parado
ou indo para ré, o propulsor age em águas não
perturbadas, então não há following wake effect.
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André Kouzmine 111
PNA – Side Effect
A descarga do propulsor a ré é
diretamente contra a popa do
navio, e a metade de cima da
descarga espiral tende a
depositar-se a BE da almeida
(counter) enquanto a metade de
baixo do espiral acerta a parte de
baixo da skeg e derrama abaixo
da quilha. O resultado é uma força
tendendo mover a popa para BB.
Backing
André Kouzmine 112
PNA – Side Effect
Como ambos os efeitos tendem a carregar a popa
para bombordo, um navio de um único hélice, com
passo à direita tem uma forte tendência de virar para
bombordo.
(Somente pelos efeitos de helical discharge na
almeida e do shallow submerge effect quando inicia
o deslocamento)
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André Kouzmine 113
PNA – Side Effect
A corrente de sucção por ser menos concentrada que
a de descarga, tem um efeito muito pequeno sobre o
leme de single-screw ship indo a ré.
Consequentemente, tal navio depende quase
totalmente de uma velocidade para ré para o leme ter
efetividade. Por esta razão, para este tipo de navio, é
necessário um apreciável movimento para ré para a
tendência de ir para bombordo possa ser superada pelo
uso do seu leme.
André Kouzmine 114
PNA – Side Effect
Backing
Following Wake - >
Inclination Effect- >
Helical Discharge- >
Shallow Submerg.- >
11/06/2015
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André Kouzmine 115
PNA – Side Force Single Screw
Ao operar com pouco seguimento ou a ré,
este é claramente o caso, Mas quando
proceder à vante, as forças conflitantes podem
reduzir muito essa força, ou até revertê-la.
Pode haver casos em que um navio de um
único propulsor tem uma tendência para virar
à direita quando à vante.
Em um single-screw ship normal, a força lateral (side force)
age na direção como se as pás tocassem no fundo, e a direção
da força depende apenas do sentido de rotação do propulsor.
André Kouzmine 116
PNA – Side Force Twin Screw
Na instalação de twin-screw normal, as hélices giram em
direções opostas quando para vante ou para ré, e as forças
laterias se cancelam.
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André Kouzmine 117
PNA – Side Force Twin Screw
Para aumentar a capacidade de manobra dos
navios de hélice duplo, tornou-se convenção para
permitir a força lateral aumentar o momento
resultante a partir dos eixos, deslocá-los a partir da
linha central. Assim, encontramos as hélices girando
de maneira que as pontas das pás se movem para
fora da popa durante a metade superior de sua
viagem quando navegando para vante.
André Kouzmine 118
PNA – Side Force Twin Screw
Para determinar a magnitude da side-force
esperada em twin-screw ship devemos considerar
as características do fluxo na vizinhança do
propulsor, entre eles o movimento para cima da
esteira abaixo da popa e o movimento helicoidal
proveniente da descarga do hélice.
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André Kouzmine 119
Twin Screw - Following Wake
Following wake effect A ponta da
pá, ao passar próximo do casco,
trabalha em uma following wake de
apenas 15% da velocidade do navio,
e na maior parte do disco não há
apreciável following wake.
Assim, o following wake effect é
considerado reduzido em projetos
com normal twin-screw.
André Kouzmine 120
Twin Screw – Inclination Effect Inclination effect A inclinação do eixo do propulsor em relação a
direção do fluxo é tão assinalado em twin-screw como em single-
screw. Além do movimento para cima da esteira, a inclinação do eixo
é para baixo (downward).
Como o motor está dentro do casco e o eixo tem que passar
através do fundo para alcançar o hélice em qualquer tipo de navio, o
efeito de inclinação está presente em todos os tipos de navios.
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André Kouzmine 121
Twin Screw – Helical Discharge
Helical discharge effect Se o navio tiver um só leme,
provavelmente não estará na região da helical discharge
current, e este efeito estará ausente neste navio.
André Kouzmine 122
Twin Screw – Helical Discharge
Em um twin-rudder ship, este efeito está presente e é
aumentado muito pela forma do leme. Normal twin-rudder
projetados para navios de guerra usam um spade rudder (mais
fino na base do que no topo
quando visto lateralmente), e
frequentemente o leme
estende-se apenas ligeiramente
abaixo do eixo do propulsor.
Assim, tal leme sente a metade de cima da corrente de descarga muito
mais do que a metade de baixo, e o helical discharge effect é muito grande.
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André Kouzmine 123
Twin Screw-Shallow Submergence
Shallow submergence effect
Este efeito é menos comum
em projetos de hélice-duplo,
especialmente em navios de
guerra, desde que é menos
usual a ponta do propulsor
romper a superfície.
A agitação (churning) e a sucção de ar estão presentes no
entanto, de modo que este é ainda considerado.
André Kouzmine 124
Twin Screw - Resumo
Uma vez que o único efeito oposto – folowing wake
effect- foi diminuído em projetos de twin-screw, a força
lateral de um right-hand screw turning ahead é
definitivamente para boreste, e a força lateral de um
left-hand screw turning ahead é definitivamente
para bombordo.
A direção das forças obviamente é revertida quando
a direção de rotação é revertida.
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André Kouzmine 125
Twin Screw - Resumo
Em hélices duplos, então, as side forces são
maiores e são uniformes na direção indicada pela
direção de rotação do propulsor. Quando se movendo
firmemente à vante, a forca para boreste e um
righthand screw não é apreciavelmente reduzida pelo
folowing wake effect, então podemos esperar fortes
side forces presentes embora normalmente
canceladas pela força lateral do propulsor oposto.
André Kouzmine 126
Twin Screw - Resumo
Quando o navio está parado, as side-forces
encontradas pelos propulsores sozinhos são da
mesma magnitude daquelas encontradas em single-
screw ship.
Quando a ré, as side forces de uma instalação de
um twin-screw são geralmente um pouco menor do
que um navio single-screw convencional porque a
estrutura na qual a helical discharge é direcionada é
menos extensa.
11/06/2015
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André Kouzmine 127
Side Force - Resumo
Em todos os tipos de navios convencionais, uma força
lateral é experimentada sempre que as hélices são giradas.
Embora a magnitude da força possa variar com o tipo de
navio, a direção é quase sempre que indicado pelo sentido de
rotação das hélices (como se as lâminas estivessem batendo
contra uma camada mais sólida durante a parte inferior da sua
viagem).
Se considerarmos a origem destas forças,
saberemos qual reação esperar sob um dado
conjunto de condições.
André Kouzmine 128
PNA - Revisão
Sin
gle
Scre
w
• Following Wake
• Inclination Effect
• Helical Discharge
• Shallow Submergence
Tw
in S
cre
w
• Following Wake
• Inclination Effect
• Helical Discharge
• Shallow Submergence
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11/06/2015
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André Kouzmine 129
PNA - Exercício
II) Em um navio com dois eixos propulsores instalados, com propulsores idênticos girando em sentidos opostos para movimentar o navio adiante ou a ré, a força lateral exercida sobre o navio devido à ação dos propulsores é o dobro da força lateral que ocorreria caso o navio fosse dotado com apenas um desses propulsores.
46/2012
André Kouzmine 130
PNA - Resistance and Power
Ao estudarmos as forças que agem em um navio, devemos examinar também a força necessária para conduzí-lo através d’água. Se por um lado um motor relativamente fraco é suficiente para impulsionar um navio grande a velocidades moderadas, uma grande quantidade de força é necessária para deslocar até mesmo pequenos navios a 30 nós ou mais. Há um aumento repentino na resistência quando o navio se aproxima da alta velocidade.
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André Kouzmine 131
PNA - Resistance and Power
Destroyer com 60.000 Shaft HP => 35 Knots
Cruiser 6x deslocamento do Destroyer atinge a mesma velocidade com apenas o dobro de força.
Battleship 3.7 HP/Ton
Cruiser 6.5 HP/Ton
Destroyer 19 HP/Ton
Aproximadamente mesma
velocidade máxima
André Kouzmine 132
PNA - Resistance and Power
Embora uma grande quantidade de cavalos de força por tonelada garanta uma habilidade para acelerar mais rapidamente à baixa velocidade, não parece haver um acréscimo significante na velocidade máxima. No texto autor cita que a forma dos cascos dos navios de guerra velozes são muito similares e faz duas indagações: Se existe um fator que dependa simplesmente do peso? Por que obtemos melhores resultados com navios maiores?
11/06/2015
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André Kouzmine 133
PNA - Resistance and Power
Toda a resistência dos fluido é resultado de movimento e aumenta como uma potência da velocidade do movimento.
Não existe static friction (atrito estático) no mar. Se aplicarmos uma força no navio, independente de quanto tempo, ele se moverá e continuará a acelerar até que um resistência de equilíbrio seja criada pelo movimento do navio.
André Kouzmine 134
PNA - Resistance and Power
A resistência também depende da forma do casco. É a característica do corpo submerso que determina a magnitude da força de retardamento, por isto um corpo abaixo da água deve ter uma forma hidrodinâmica adequada.
Na realidade, a medida que um corpo hidrodinâmico perfeito se move através da água, nenhuma força é requerida simplesmente para deslocar a água para permitir a passagem do navio.
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André Kouzmine 135
PNA - Resistance and Power
Em um caso ideal, as pressões na proa e na popa se anulam e nenhuma força é necessária para deslocar o navio através da água.
André Kouzmine 136
PNA - Resistance and Power
Concluindo: Devemos olhar além do simples deslocamento de água para encontrar as forças de resistência ao movimento que consomem a energia do navio.
Muitas destas forças não são prontamente aparentes.
11/06/2015
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André Kouzmine 137
PNA – Frictional Resistance
Com o movimento do navio, as
partículas de água em contato com o
casco se movem junto com o navio,
as particulas seguintes adjacentes a
estas são arrastadas até certo ponto
pelo atrito molecular (molecular
friction), e a camada seguinte é
arrastada por uma extensão menor,
e assim por diante.
André Kouzmine 138
PNA – Frictional Resistance
Estas partículas formam um envelope
de água ao redor do navio que está sendo
mais ou menos transportada com o navio.
A espessura da camada limite
(thickness of the boundary layer) que
está sendo arrastada para vante pelo
movimento do navio varia de poucas
moléculas em espessura na proa até
vários pés próximo da popa.
11/06/2015
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André Kouzmine 139
PNA – Frictional Resistance
O Navio gasta energia para transmitir este movimento à camada limite, e a resistência resultante se tornou conhecida como frictional resistance e é expressa pela seguinte fórmula de acordo com Froude:
Rf = f.S.Vn onde
Resistência friccional = coeficiente de fricção (dinâmico) - relativo ao fluido x total
da superfície molhada do navio x velocidade do navio
elevada a n (indice de acordo com variação do atrito do tipo do material do casco
na água)
André Kouzmine 140
PNA – Frictional Resistance FROUD encontrou que para superfícies ásperas (rough
surfaces), o índice n era 2, e para superfícies sólidas (hard
surfaces) pode cair para até 1.83. Depois de muitos
experimentos FROUDE estabeleceu o Constante de atrito de
FROUD (Froud's Frictional Constants) com o valor de 1,825
para todos os tamanhos de navio. Como experimentos
posteriores encontraram valores um pouco maior é comum
utilizar 1.83 para o valor de n, logo:
Rf = f.S.V1.83
Res friccional = coef de fricção dinâmica x Sup Molhada x Veloc do Navio *1.83
11/06/2015
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André Kouzmine 141
PNA – Frictional Resistance
Resumindo, é suficiente lembrar que a
resistência friccional é proporcional ao total da
superfície molhada e aproximadamente ao
quadrado da velocidade.
Rf = f.S.V1.83
Res friccional = coef de fricção dinâmica x Sup Molhada x Veloc do Navio *1.83
André Kouzmine 142
PNA – Wave Resistance
Uma outra fonte importante de resistência ao movimento
do navio é a resistência de ondas: Ao se mover o navio cria ondas que evidentemente tem
energia transmitida pelo navio.
Se conseguirmos medir o fluxo de
energia do navio na forma de
ondas, podemos avaliar a força
propulsiva gasta para criá-las.
11/06/2015
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André Kouzmine 143
PNA – Wave Resistance
A energia de uma única onda é proporcional a largura (breadth) da onda (sua maior dimensão) e ao quadrado da altura da onda.
A força (energia gasta por unidade de tempo) requerida para criar um trem de ondas é igual a energia por onda multiplicada pela taxa a que estão sendo criadas as ondas.
André Kouzmine 144
PNA – Wave Resistance
As ondas principais que formam a onda de um navio são
criadas na proa e na popa do navio. É como se dois geradores
de ondas estivessem viajando, um atrás do outro, separado
por um comprimento do navio. Estes dois sistemas de ondas
interagem entre si, e esta interação pode aumentar ou diminuir
a magnitude das ondas resultantes.
11/06/2015
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André Kouzmine 145
PNA – Wave Resistance
E em cada um desses sistemas são criadas ondas
divergentes e tranversais, tanto na proa como na popa.
André Kouzmine 146
PNA – Wave Resistance
As ondas criadas na popa
podem reforçar ou cancelar as
ondas criadas na proa. Se uma
das cristas da onda da proa
coincidir com a primeira crista do
sistema de ondas da popa, um
reforço ocorrerá, as ondas de
esteira resultante são maiores, e
a wave resistance (Rw) é
aumentada.
11/06/2015
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André Kouzmine 147
PNA – Wave Resistance
Se a crista do sistema de ondas
da proa cair no primeiro cavado
do sistema da popa, um
cancelamento ocorrerá, as
ondas de esteira resultante
serão menores, e a Rw (wave
resistance) irá diminuir.
André Kouzmine 148
PNA – Wave Resistance
Observando as ondas que
formam a esteira do navio,
notaremos que o sistema da
proa começa com uma crista
que fica logo a ré da roda de
proa (stem). O sistema de popa
começa, por outro lado, com um
cavado na vizinhança dos
propulsores seguido por uma
crista um pouco a ré da popa.
11/06/2015
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André Kouzmine 149
PNA – Wave Resistance As ondas afetadas pelo reforço ou cancelamento são as transverse
cujas cristas são perpendiculares ao caminho do navio. Estas ondas
viajam inicialmente na velocidade do navio. Vo = Vn
A fórmula para o comprimento (distância entre cristas)de uma onda no mar
em água profunda é:
I = .557V2 onde: I= comprimento da onda em pés.
V=velocidade da onda em nós.
Assim, quando a veloc da onda (que é a mesma do navio para tranverse
waves) dobra, o comprimento entre cristas quadruplica!
André Kouzmine 150
PNA – Wave Resistance
Considerando a localização das primeiras cristas, podemos
considerar que estão separadas aproximadamente por um
comprimento do navio (L). Se vamos ter um reforço ou
cancelamento irá depender da razão de comprimento entre
cristas (I) e do comprimento do navio (L), ou I/L. Se o
comprimento das ondas de esteira criadas na proa é igual ao
comprimento do navio, ou é uma fração par deste
comprimento, iremos presenciar um reforço e o consequente
aumento da resistência.
11/06/2015
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André Kouzmine 151
PNA – Wave Resistance E para comparar o comprimento das ondas de esteira com o comprimento do navio
(para sabermos se haverá um reforço ou cancelamento), podemos estabelecer a
razão como:
I/L=.557 V2/L que varia como a razão: V2 / L
Como é usual representar graficamente
resistência em função da velocidade , a
raiz quadrada desta razão: V/Raiz de L
Onde: V= velocidade do navio em nós
L= comprimento do navio em pés
é usada em se tratando de resistência de
onda.
André Kouzmine 152
PNA – Wave Resistance
Esta razão V/raiz de L é conhecida como speed-lenght ratio e é muito importante
na consideração da resistência e força do navio. Com esta fórmula podemos
verificar como se comporta a resistencia variando a velocidade e/ou comprimento
do navio.
E os altos e baixos no grafico mostram os
reforços e cancelamentos pois a medida que
a velocidade aumenta o comprimento das
ondas também aumentam e elas iram se
reforcar ou cancelar a medida que seu
comprimento de altera com a mudança da
velocidade.
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André Kouzmine 153
PNA – Wave Resistance Na realidade, o comprimento do wave-making (distância
entre a primeira crista da proa e a primeira da popa) não é
exatamente igual ao comprimento do navio, então em regiões
de máxima Rw (wave resistance)(quando há um reforço) não
se enquadram exatamente onde V2/L é igual a 1.0 ou múltiplos
do mesmo. O comprimento do wave making é normalmente
ligeiramente maior que o comprimento do navio L e irá variar
com a forma do casco.
Entretanto, a diferença não é grande e a speed-lenght ratio é
uma chave muito útil no estudo da resistência encontrada pelo
navio.
André Kouzmine 154
PNA – Wave Resistance
A quantidade de energia consumida na criação de
ondas não é facilmente calculada. Se tentarmos
encontrar uma simples fórmula no formato por
exemplo Rw=aVn , veremos n vai variar de 1.5 a 11
para diferentes partes da faixa de velocidade. Por
causa dos reforços e cancelamentos qualquer
formula que expresse um aumento suave na
resistência enquanto a velocidade aumenta está
longe da correta representação da situação.
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André Kouzmine 155
Havelock representou um navio
através de duas duas perturbações
(representando proa e popa e seus
respectivos sistemas de ondas), e no
seu estudo indicou que a Rw seria sob
a forma indicada no gráfico.
E os distintos cumes e depressões
na curva de resistência ocorrem na
medida que os reforços e
cancelamentos entre os sistemas da
proa e popa ocorrem.
PNA – Wave Resistance
André Kouzmine 156
PNA – Wave Resistance
Outro observação interessante
é que há diminuição geral na
resistência a velocidades muito
altas (speed-lenght ratio maior
que 2). Isto ocorre porque,
“quando perturbação se desloca
rápido o suficiente, a água não tem
tempo para responder e não é
perturbada tanto quanto a uma
velocidade baixa.”
11/06/2015
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André Kouzmine 157
PNA – Wave Resistance
Na realidade, outros teste mostraram que a velocidades muito altas, o navio monta sobre sua onda de proa e uma redução na wave resistance é experimentada.
Ou seja não ocorrem mais os humps e hollows como podemos ver no gráfico.
André Kouzmine 158
PNA- Eddy Resistance
Na medida que o fluxo de água passa pelo casco, ao
encontrar mudanças abruptas na superfície (como uma popa
quadrada, ou uma abertura ), separation e turbulation podem
ocorrer.
11/06/2015
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André Kouzmine 159
PNA- Eddy Resistance
Esta área fica atrás destas estruturas ou aberturas do navio
e é caracterizada por uma baixa pressão em relação as áreas
ao redor. Como resultado uma drag force é exercida no navio
devido aos eddies. Mesmo em um navio bem projetado e com
poucas destas áreas, a Eddy resistance causada por quinas
bruscas e projeções deve ser considerada.
André Kouzmine 160
PNA- Eddy Resistance
A Eddy resistance (toda resistência causada por separation and turbulance ao redor das terminações e aberturas do casco) varia de acordo com:
• a área frontal (seção reta) que causa a resistência
• e com o quadrado da velocidade do fluxo de água.
Assim mesmo pequenas causas de edding podem se tornar importantes em altas velocidades.
11/06/2015
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André Kouzmine 161
PNA- Appendage Resistance
As dicussões anteriores consideravam o casco sem seus
apêndices. Todas a projeções (struts, bilge keels, ruder, etc)
dependendo de sua natureza e projeto, podem contribuir para
uma ou mais das resistências apresentadas.
Em geral os apêndices de um navio bem projetados estão
bem abaixo da superfície e contribuem pouco para a wave-
making resistance. São também bem hidrodinâmicos para
minimizar a Eddy resistance, então sua principal fonte de
resistência é a friccional.
André Kouzmine 162
PNA- Appendage Resistance
Então podemos considerar a appendage
Resistance como proporcional a área da superfície e
molhada do apêndice e ao quadrado da velocidade
do fluxo de água.
11/06/2015
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André Kouzmine 163
PNA - Air and Wind Resistance
Embora existam dados deste tipo de resistência
sobre placas planas em diversos ângulos de
inclinação com o fluxo de ar, não existe uma
fórmula para calcular esta resistência para
estruturas complexas e variadas de diversos
tamanhos de navios, mesmo os mais pequenos.
As superestruturas e forma de casco de navios
variam muito.
André Kouzmine 164
PNA - Air and Wind Resistance
Experimentos com um certo número navios
mostram, entretanto, que a resistência do ar varia
numa faixa de 1,5 a 3 % do total da resistência
água do navio a máxima velocidade.
Isto leva a conclusão que a Air Resistance (ar
simples, parado) é somente um pequeno fator em
comparação a resistência da água e, na maioria dos
casos, pode ser negligenciada.
11/06/2015
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André Kouzmine 165
PNA - Air and Wind Resistance
Por outro lado, a resistencia do vento não pode ser
despreza.
Um navio a 10 nós, com vento de 20 nós,ou seja
30 nós relativo, pode estar gastando tanto quanto
20% de sua energia para superar a resistência do
vento.
André Kouzmine 166
PNA - Air and Wind Resistance Outro fator a ser considerado é que a máxima resistência ao movimento
avante ocorre com o vento por uma das bochechas ao invés de diretamente à
frente (dead ahead). Logo a direção do vento pode ter um efeito determinante na
resistência.
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André Kouzmine 167
PNA - Air and Wind Resistance
O último fator na consideração do vento é que um vento com componente de través normalmente necessita do uso do leme para manter o navio no seu rumo , e mesmo um pequeno ângulo de leme aumenta o arrasto (drag) do navio preciavelmente.
André Kouzmine 168
PNA - Squat
Na medida em que o navio aumenta sua velocidade ele
afunda seu corpo na água e, a uma velocidade crítica,
speed-length de aproximadamente 1.2, a proa começa a
levantar e a popa a afundar, como se ele estivesse
agachando (Squats).
Isto ocorre da seguinte maneira: Assim que a primeira crista
do sistema de ondas da proa se move para a ré da proa
com o aumento de velocidade, a proa começa a boiar
sobre sua própria onda e então a proa se levanta.
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André Kouzmine 169
PNA - Squat
Na popa, com a interação entre os dois sistemas de
ondas, veremos que a popa irá afundar no cavado (hollow)
criado quando o primeiro cavado do sistema da proa
coincidir com e aumentar o cavado do sistema da popa
próximo ao hélice.
Conclusão: A medida que o navio squats (agacha) ele
aumenta abruptamente sua resistência.
André Kouzmine 170
PNA – Shallow Water Effect
Outro aumento na resistência ocorre quando o navio entra em águas rasas pois a característica da onda produzida pelo navio muda em relação a águas profundas.
A onda criada a uma dada velocidade em águas rasas tem um maior comprimento de onda do que a onda criada na mesma velocidade em águas profundas.
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André Kouzmine 171
PNA – Shallow Water Effect
Consequentemente o reforço (entre sistema da proa e popa) e um severo squat ocorrem em uma menor velocidade em águas rasas do que em águas profundas. Assim, em águas rasas a resistência do navio aumenta mais rapidamente com o aumento da velocidade.
André Kouzmine 172
PNA – Shallow Water Effect
Devido ao severo reforço que ocorre a baixa velocidade em águas rasas , é possível para certos navios de altíssima velocidade alcançar uma maior velocidade máxima em águas rasas do que em águas profundas. Isto é possível pois eles estão operando além do pico da curva de wave resistance. Isto é possível pois devido a um maior comprimento de onda em águas rasas, toda a curva se desloca para a esquerda,(tudo ocorre antes) logo a wave resistance na velocidade que eles estão operando na realidade descresce (isto em velocidades muito altas).
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André Kouzmine 173
PNA – Total Resistance
A combinação de todas as
resistências em conjunto estão
representadas na figura.
Embora as curvas em particular
apresentadas não mostrem os altos e
cavados característicos da wave
resistance em águas profundas, esta
característica é bem marcante na
curva de águas rasas (linhas
pontilhadas)
André Kouzmine 174
PNA – Total Resistance
Vemos que se um navio, em
uma escala maior que o modelo,
tiver força para superar o
equivalente a 60 libs de
resistência para o modelo, ele
poderá desenvolver uma maior
velocidade (que é operar a uma
maior speed-length ratio) nesta
força em águas rasas do que em
águas profundas.
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André Kouzmine 175
PNA – Rough Water Effects
Além das várias fontes de resistência que um navio
pode encontrar em águas calmas, existe um
resistência adicional se a superfície da água não
estiver lisa.
André Kouzmine 176
PNA – Rough Water Effects
A medida que um navio
encontra mares pela frente, o seu
trim está constantemente mudando
e ele se choca com as ondas que
se aproximam pela proa.
Outro efeito é o balanço em
resposta às ondas que altera a
forma da porção submersa do
casco constantemente. Estes
efeitos causam um aumento na
resistência ao seu movimento para
vante.
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André Kouzmine 177
PNA – Rough Water Effects
O pitching (caturro) do navio é o mais severo dissuador da velocidade
causado por águas agitadas. Ele aumenta todas as formas normais de
resistência e, adicionalmente, pode causar perda de eficiência propulsiva a
medida que a hélice dispara próxima a superfície.
O balanço(rolling), apesar de causar aumento na resistência, é muito
menos prejudicial do que se possa pensar.
É difícil determinar experimentalmente o aumento da resistência causado
somente pelo balanço, mas alguns experimentos indicam que em
inclinações de até 20º causam um aumento na resistência de pequena
porcentagem.
Mares agitados, entretanto, tem um efeito marcante na resistência do
navio e na força necessária para conduzi-lo.
André Kouzmine 178
PNA – The Cube Role
Existe uma regra antiga usada há muito tempo por
marinheiros diz que “a força necessária e o combustível
consumido cresce com do cubo da velocidade” para certas
faixas de velocidades. Porém a regra não é verdadeira para
todas as faixas, especialmente quando a wave resistance se
torna um fator importante.
A força necessária para qualquer velocidade é igual ao total
da resistência multiplicada pela velocidade (force x velocity =
power), e para a regra ser correta, a resistência deveria variar
com V2, o que também não é verdade para todos os casos.
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André Kouzmine 179
PNA – The Cube Role
A resistência do navio é a soma de todas os fatores
anteriormente mencionados, é não é suscetível a uma
simples análise. Entretanto, a resistência encontrada, a
força necessária, e o combustível consumido, aumentarem
drasticamente com o aumento da velocidade.
Quando a velocidade é aumentada até o squatting ser
atingido, a resistência aumenta ainda mais rapidamente, e
a eficiência mecânica do navio é severamente reduzida.
André Kouzmine 180
PNA – The Cube Role
O comprimento do navio é um fator muito importante na
determinação da resistência, e a razão speed-lenght (V/raiz de
L) é um excelente índice na consideração da resistência. Dois
navio similares operando na mesma razão speed-lenght irão
necessitar de força na razão do quadrado de seu comprimento.
Finalmente quanto maior a razão speed-lenght,
especialmente além da velocidade crítica ( V/raiz de L maior
1.2), maior a proporção de força total que é gasta inutilmente
na criação de ondas.
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André Kouzmine 181
PNA – The Cube Role
O desperdício de força na criação de ondas de superfície leva
a uma conclusão interessante : um submarino, a uma
profundidade suficiente para estar livre dos efeitos da superfície,
pode atingir uma maior velocidade para uma dada força que um
navio equivalente na superfície com a mesma força.
Um submarino profundamente submerso encontra resistência
que é proporcional ao quadrado de sua velocidade, mas um
navio de superfície encontra uma resistência muito maior para a
mesma velocidade.
André Kouzmine 182
PNA – The Cube Role
É por causa do desperdício de força na criação de ondas de
esteira que inventores estão constantemente pesquisando
formas de fazer um navio a “planar” (plane) a altas velocidades
e assim ser capaz de escapar desta principal fonte de arrasto
sobre um casco conventional.
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André Kouzmine 183
PNA - Wind
A força que o vento exerce
sobre o navio além de estar fora
de nosso controle é bastante
instável.
Embora o vento seja frequentemente um perigo
para o navegador, se soubermos utilizar a força do vento a
nosso favor podemos realizar manobras que seriam
impossíveis através o uso de máquinas e lemes sozinhos.
André Kouzmine 184
PNA - Wind
O vento normalmente age para levar o navio na direção do
vento e a força que ele exerce é proporcional ao quadrado da
velocidade do vento, à área da seção reta (tranversal) que se
apresenta normal ao fluxo de ar, e a forma da superestrutura.
Se dobrarmos a velocidade do vento relativo, nós
quadriplicamos a força dele sobre o navio.
Se guinarmos o navio de modo que uma maior seção-
tranversal se apresente normal ao vento (passe a vir pelo
través, por exemplo), a força resultante é aumentada.
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André Kouzmine 185
PNA - Wind
Se a superestrutura do navio
é irregular e apresenta muitas
superfícies planas para o vento,
a força do vento será maior que
uma superestrutura de forma
suave e aerodinâmica.
André Kouzmine 186
PNA - Wind
Se um navio tem borda livre alta e é
de pequeno calado, a força do vento será
grande (Ro-Ro), a resistência da água
ao movimento será pequena, e o navio
irá responder muito rapidamente ao
vento.
Se o navio for de grande calado, e
apresentar um pequeno corpo
aerodinâmico ao vento, o efeito do vento
será mínimo. (bulk)
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André Kouzmine 187
PNA - Wind
Isto também se aplica as seções do navio. Se a proa é alta,
a popa baixa, e o navio estiver com trim pela popa, o vento irá
tender a levar a proa na direção do vento. Normalmente, um
navio pouco carregado ou em lastro é mais sensível ao vento
que um bem carregado.
André Kouzmine 188
PNA - Wind
Vento de través – Propulsores
e lemes nos dão meios para
aplicar força na popa somente
logo devemos mover a popa
na direção do vento mais
rápido do que o vento estiver
movendo a proa na direção do
vento.
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André Kouzmine 189
PNA - Wind
Se a proa apresentar uma área
“vélica” muito maior que a popa,
a força necessária na popa
pode ser bem maior.
Como que as forças laterias disponíveis das máquinas
sozinhas são relativamente pequenas, é frequentemente
necessário ganhar um considerável seguimento a vante antes
que a força adicional do leme seja suficiente para superar o
vento.
André Kouzmine 190
PNA - Current
A última força a ser considerada é a da corrente.
A resistência do corpo do navio submerso ao
fluxo de água é muito similar a resistência da
superestrutura ao vento; entretanto, a força
resultante é muito maior para uma dada velocidade
porque a densidade do meio é muito maior.
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André Kouzmine 191
PNA - Current A hidrodinâmica do casco é mais importante, e a velocidade
máxima de um dado navio é aquela velocidade na qual a resistência
total do casco exatamente equilibra a força máxima que pode ser
entregue pelos propulsores.
André Kouzmine 192
PNA - Current
A resistência de um corpo submerso ao fluxo da corrente é proporcional ao quadrado da velocidade da corrente e à área da seção transversal (cross-section) apresentada ao fluxo, e é inversamente dependente da hidrodinâmica do corpo com respeito a direção do fluxo.
Obviamente a resistência do casco para uma dada corrente de proa será muito menor que a resistência da mesma corrente pelo través.
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André Kouzmine 193
PNA - Current
Como a corrente é por definição o movimento da água, o navio é normalmente transportado junto com este movimento. Se conduzirmos nosso navio como se não houvesse corrente e objetos estacionários estivessem se movendo na velocidade da corrente mas na direção oposta, nós teríamos pouco problema para prever o comportamento do navio. Mas corrente não é estável na vizinhança de objetos estacionários.
André Kouzmine 194
PNA - Current Na realidade, é impossível ter uma corrente relativa ao navio que não seja de vante ou a ré exceto pela aplicação de forças externas ao navio. Se o navio estiver com uma corrente pelo través ele será carregado de lado e não sofrerá resistência, mas como temos que corrigir o rumo com o uso leme isto causará uma arrasto como visto anteriormente.
Então se o fluxo de corrente relativa ao navio não for paralela ao eixo da quilha, deve haver alguma força de restrição como espias ou aparelhos de fundear.
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André Kouzmine 195
PNA - Current
Resumindo o Navegador deve sempre considerar a corrente ao manobrar seu navio próximo a objetos estacionários. Ele deve adicionar o vetor de corrente ao vetor de movimento do navio através da água para determinar seu movimento verdadeiro relativo ao fundo.
Se um navio muda velocidade através da água ele deve se lembrar que a velocidade da corrente permanece geralmente constante, e ele deve compensá-la.
André Kouzmine 196
PNA - Current
Finalmente, à medida que conduzimos um navio de lado para a corrente (corrente de través), ele deve esperar ser arrastado com a corrente a menos que ele use meios externos para conter o navio, e neste caso as forças necessárias serão relativamente grandes.
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André Kouzmine 197
PNA - Current
Carta corrente de maré 3
horas depois da preamar.
navio entrando na baia com
10 nós.
André Kouzmine 198
PNA – Revisão
Re
sis
tên
cia
s
• Frictional
• Wave
• Eddy
• Appendage
• Air/Wind
• Total
Outr
os E
feito
s
• Squat
• Shallow Water
• Cube Role
• Wind
• Current
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André Kouzmine 199
PNA - Exercício
IV) Se um navio movimenta-se com a velocidade de 15 nós e tem uma esteira (“following wake”) de 3 (três) nós na vizinhança do propulsor, então a velocidade de avanço do propulsor será de 18 nós.
André Kouzmine 200
Exercícios
Exercícios de NSH
Prova 2006 – Questão 54
Prova 2008 – Questões 6 e 43
Prova 2011 – Questões 7 e 16
Prova 2012 – Questões 46, 47, 48 e 49
