Livro ciência e a arte vol3

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    18-Oct-2014

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<p>1221Navegao eletrnica e em condies especiais</p> <p>Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas</p> <p>NOES SOBREGERAO,</p> <p>TRANSMISSO,PROPAGAO E</p> <p>RECEPO DAS ONDASELETROMAGNTICAS E</p> <p>ACSTICAS</p> <p>34</p> <p>34.1 NAVEGAO ELETRNICA</p> <p>a. DEFINIO. MTODOS DE DETERMINAO DA POSIO</p> <p>Em sua definio mais rigorosa, a expresso Navegao Eletrnica refere-se atodos os usos da eletrnica na navegao. Assim, o termo inclui, por exemplo, o empregoda Agulha Giroscpica para o governo do navio e a utilizao do Ecobatmetro na navega-o costeira ou em guas restritas. Entretanto, na prtica, a expresso Navegao Ele-trnica aplica-se quando os dois propsitos bsicos da navegao (determinao da posi-o e controle dos movimentos do navio) so efetuados usando meios eletrnicos. Ento,pode-se definir Navegao Eletrnica como aquela que envolve o emprego de equipa-mentos e sistemas eletrnicos para determinao da posio e controle dos movimentosdo navio.</p> <p>A expresso Navegao Eletrnica mais abrangente que o termo Radionavegao,que se limita aos equipamentos eletrnicos de navegao que usam ondas de radiofre-qncia. Assim, por exemplo, o sonar doppler e o sistema de navegao inercial so recur-sos de Navegao Eletrnica, mas no so de Radionavegao.</p> <p>Os instrumentos e equipamentos eletrnicos, apesar de todos os avanos e dos de-senvolvimentos recentes, em termos de confiabilidade, preciso e rea de cobertura, ain-da so tradicionalmente denominados de auxlios eletrnicos navegao, para de-notar que constituem recursos complementares aos mtodos clssicos de navegao. Em-bora sistemas eletrnicos, como o GPS (Global Positioning System), sejam capazes de</p> <p>Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas</p> <p>Navegao eletrnica e em condies especiais1222</p> <p>prover cobertura mundial permanente, com grande preciso de posicionamento e confia-bilidade, o navegante no deve esquecer que a sua utilizao depende do perfeito funciona-mento de instrumentos delicadssimos, sobre os quais no exerce qualquer tipo de controle, eque a interpretao das informaes fornecidas requer o conhecimento de conceitos tradicio-nais de navegao e depende da experincia do operador. Em suma, no se pode confiarcegamente na push-button navigation, sob pena de colocar em risco a segurana do navio eda tripulao. Por esta razo, recomenda-se:</p> <p>1. Somente conduzir a navegao exclusivamente por mtodos eletrnicos naque-las circunstncias em que no seja possvel a sua verificao pelos mtodos convencio-nais, em virtude de m visibilidade, ausncia de astros para observao, inexistncia deauxlios visuais navegao ou pontos notveis, etc.; se essa situao ocorrer, recordarsempre que uma deficincia instrumental, um erro de interpretao, ou, ainda, anomali-as na propagao das ondas eletromagnticas, ou acsticas, podem levar a resultadoserrados e situaes perigosas;</p> <p>2. aproveitar todas as ocasies para verificar o desempenho dos sistemas eletrni-cos, por comparao com os mtodos clssicos de navegao, a fim de poder formar umjuzo de valor sobre sua confiabilidade, preciso e cobertura; e</p> <p>3. providenciar para que os equipamentos sejam submetidos s rotinas de manu-teno recomendadas, conhecer completamente os procedimentos para operao dos ins-trumentos e sistemas, suas possibilidades e limitaes, alm de verificar o seu funciona-mento, antes de o navio suspender.</p> <p>Quando estudamos os mtodos clssicos de navegao, verificamos que a posiodo navio obtida utilizando o conceito de linha de posio (LDP), definida como o lugargeomtrico de todas as posies possveis de serem ocupadas pelo navio, tendo sido efetu-ada uma determinada observao, em um dado instante. A posio, como se sabe, estarna interseo de duas ou mais LDP. Ademais, vimos que as LDP podem ser obtidas pormtodos visuais (reta de marcao, alinhamento, distncia pelo ngulo vertical, segmen-to capaz, etc.) ou astronmicos (reta de posio astronmica).</p> <p>A Navegao Eletrnica tambm utiliza o conceito de linha de posio para determina-o da posio do navio. As LDP eletrnicas so obtidas por trs mtodos bsicos:</p> <p> mtodo direcional; mtodo de medio de distncias, ou diferena de distncias; e mtodo composto direcional-distncias.</p> <p>O mtodo direcional consiste na determinao de uma reta de marcao eletrnica(ngulo entre uma direo de referncia e a linha que une o navio ao objeto/estao).Como exemplos de equipamentos de Navegao Eletrnica que empregam o mtododirecional na determinao da LDP, citam-se o Radiogonimetro e o Consol, alm do Ra-dar, quando usado na obteno de marcaes.</p> <p>O mtodo de medio de distncias, ou diferena de distncias, consiste na deter-minao de uma circunferncia de igual distncia, ou de uma hiprbole de posio (lugargeomtrico de pontos que tm a mesma diferena de distncias a dois pontos fixos). Noprimeiro caso (mtodo de medio de distncias), citam-se o Sistema GPS e o Radar, quan-do usado na obteno de distncias. O mtodo de medio de diferena de distncias utilizado pelos sistemas de navegao hiperblica (Loran-C, Decca e Omega). Mesmo osequipamentos GPS, Loran-C e Omega que incorporam computadores, os quais j fornecem</p> <p>1223Navegao eletrnica e em condies especiais</p> <p>Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas</p> <p>diretamente as coordenadas da posio (Latitude e Longitude), utilizam para os seus clculosLDP eletrnicas determinadas pelos mtodos citados.</p> <p>O mtodo composto direcional-distncias empregado pelo Radar, quando deter-minam-se posies por marcaes e distncias radar, conforme estudado no Volume I,Captulo 14.</p> <p>Os equipamentos de navegao inercial utilizam um mtodo prprio, baseado nosprincpios da Navegao Estimada, determinando a posio do navio atravs dos rumos edistncias navegadas, medidos com grande preciso, a partir de uma posio inicial co-nhecida.</p> <p> comum, tambm, denominar de Sistema de Navegao Eletrnica o conjuntode instrumentos, equipamentos e dispositivos, em terra e a bordo, que possibilitam aobteno de uma LDP eletrnica, ou de um ponto completo (Latitude e Longitude). Oradar e os equipamentos de navegao inercial e doppler constituem, por si s, um siste-ma, pois so self contained, isto , com eles podemos determinar a posio do navio semauxlio de dispositivos baseados em terra, ou no espao.</p> <p>b. PRECISO, PREVISIBILIDADE E REPETITIBILIDADE</p> <p>Uma das primeiras perguntas formuladas acerca dos sistemas de Navegao Ele-trnica refere-se preciso (acurcia)1 com que determinam as posies do navio. Deinteresse primordial para o navegante a preciso ou acurcia absoluta, isto , a exati-do da posio obtida, com respeito Terra e seu sistema de coordenadas (Latitude eLongitude). Outros conceitos relacionados preciso so os de previsibilidade,repetitibilidade e preciso relacional, adiante explicados.</p> <p>Quando comentarmos a preciso dos sistemas de Navegao Eletrnica estudadosnos captulos que se seguem, estaremos nos referindo acurcia absoluta dos mesmos,exceto quando especificamente indicado de outro modo.</p> <p>Esta preciso pode ser medida de uma srie de maneiras. O erro mdio quadrtico(RMS root mean square) a medida estatstica da variabilidade de uma nica LDP;este valor unidimensional tem pouca utilidade no caso de posies que resultam de vriasLDP. Mais conveniente o conceito de erro circular provvel (CEP circular errorprobable), que o raio de um crculo no interior do qual existe 50% de probabilidade dasposies determinadas estarem localizadas.</p> <p>No entanto, quando a interseo das LDP resulta em uma elipse, em vez de umcrculo, utiliza-se o termo erro radial (dRMS distance root mean square) para definira preciso da posio. O erro radial (dRMS) significa que uma posio determinada tercerca de 67% de probabilidade de ter um erro igual ou menor que o seu valor. Quando seusa 2 dRMS (ou seja, duas vezes o desvio padro anterior), esta probabilidade cresce para95% a 98%.</p> <p>A previsibilidade de um sistema de Navegao Eletrnica consiste no conheci-mento das caractersticas de propagao do sinal sob determinadas condies atmosfri-cas. A previsibilidade influenciada, principalmente, pela refrao atmosfrica e pelacondutividade da superfcie de propagao. Sabe-se, por exemplo, que o sinal de</p> <p>1 Embora o termo tcnico-cientfico mais correto para definir o grau de exatido de uma medida seja acurcia, esteManual utilizar a palavra preciso com o mesmo significado, em virtude desta ser de uso mais comum, j consagra-do na navegao.</p> <p>Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas</p> <p>Navegao eletrnica e em condies especiais1224</p> <p>radiogoniometria perde alcance e pode induzir erros na marcao radiogoniomtrica quandose propaga sobre terra ou sobre gua doce. Alm disso, tambm afetado pelas condiesionosfricas durante a noite (efeito noturno). O sinal Omega, por outro lado, afetado pelacalota polar, quando se propaga em Latitudes elevadas. Ademais, as hiprboles de posiotraadas nas Cartas Omega correspondem a condies padro de propagao. Quando ascondies reais diferem consideravelmente dos padres, as leituras do receptor Omega neces-sitam ser corrigidas, antes do traado das LDP na carta.</p> <p>O segundo conceito, denominado repetitibilidade refere-se capacidade de umsistema de indicar as mesmas medidas, sempre que se estiver na mesma posio, ou seja,est relacionado capacidade de retornar exatamente a uma determinada posio, emuma ocasio posterior, orientado pelas coordenadas lidas anteriormente no sistema, quandona mesma posio. Isto importante, por exemplo, para embarcaes de pesca ou de pes-quisa cientfica.</p> <p>Alm desses, relevante o conceito de preciso relacional, que consiste na exatidode uma posio, com respeito a outra posio determinada pelo mesmo sistema.</p> <p>34.2 ONDAS ELETROMAGNTICAS EACSTICAS</p> <p>Os sensores e sistemas de Navegao Eletrnica tm que operar em diferentesmeios, entre os quais esto o espao, a atmosfera e as guas dos mares, oceanos e rios. Naexecuo da Navegao Eletrnica e em outras atividades relacionadas navegao,como a recepo de informaes meteorolgicas e de Avisos aos Navegantes, dados devemser transmitidos atravs de um ou mais desses meios. Basicamente, existem duas manei-ras de se conseguir isso: pelo uso das ondas eletromagnticas ou das ondas acsti-cas. O primeiro caso inclui a radionavegao, o radar e as comunicaes. As ondas acsti-cas compreendem o emprego do som, ou das ondas sonoras e ultra-sonoras, na navegao.</p> <p> No espao, ou no vcuo, apenas as ondas eletromagnticas podem se propagar entredois pontos. Na atmosfera, tanto as ondas eletromagnticas como as acsticas podem se pro-pagar, embora as primeiras o faam com maiores vantagens. Essas vantagens fazem com queas ondas eletromagnticas dominem completamente o panorama dos sistemas de navegaopara uso na atmosfera e no espao. No oceano, a situao se inverte, e as ondas acsticasdominam os sistemas desenvolvidos para atuar neste meio.</p> <p>A Navegao Eletrnica, por se desenvolver tanto na atmosfera como nos marese oceanos, exige compreenso da natureza das ondas eletromagnticas e acsticas e dassuas implicaes sobre a capacidade de um navegante obter as informaes que necessitapara a conduo segura do navio ou embarcao.</p> <p>As ondas representam, em ambos os casos, o mecanismo segundo o qual a propagaose efetua, existindo, portanto, vrias semelhanas entre os processos. Entretanto, os fenme-nos fsicos responsveis pela gerao de cada um dos tipos de onda diferem fundamentalmen-te. importante que se tenha uma razovel noo dessas diferenas e semelhanas. Os itensque se seguem buscam apresentar uma resenha dos conceitos bsicos referentes s ondaseletromagnticas e acsticas, abordadas separadamente.</p> <p>1225Navegao eletrnica e em condies especiais</p> <p>Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas</p> <p>34.3 TEORIA BSICA DA ONDAELETROMAGNTICA</p> <p>Para entender os princpios em que se baseia a Radionavegao, o navegante deve-r compreender a forma em que se geram as ondas eletromagnticas e as principais ca-ractersticas de sua propagao.</p> <p>a. GERAO DE ONDAS ELETROMAGNTICAS</p> <p>Os fenmenos nos quais intervm tanto a corrente eltrica como o campo magnti-co, so denominados de fenmenos eletromagnticos. So trs os fenmenos eletromagn-ticos bsicos:</p> <p>1. Se uma corrente eltrica fluir por um condutor ser criado, ao redor do mesmo, umcampo magntico (o condutor produzir um campo magntico, como se fosse um m);</p> <p>2. se um condutor percorrido por uma corrente eltrica for colocado dentro de umcampo magntico, ficar sujeito a uma fora; e</p> <p>3. se um condutor fechado for colocado em um campo magntico, de modo que asuperfcie determinada pelo condutor seja atravessada pelo fluxo magntico, a variaodo fluxo induzir no condutor uma corrente eltrica.</p> <p>A teoria bsica da corrente alternada estabelece que um campo varivel, que re-sulta do fluxo de uma corrente alternada em um circuito, induz uma voltagem em umcondutor colocado dentro do campo. Na realidade, a voltagem induzida ainda que nohaja condutor no campo. Esta voltagem induzida no espao, com a forma mostrada nafigura 34.1, , de fato, um campo eltrico. Desta forma, um campo magntico cria noespao um campo eltrico varivel. Este campo eltrico, por sua vez, produz uma corrente</p> <p>Figura 34.1 Campo Eltrico Varivel (Curva Representativa da Gerao de Corrente Alternada)</p> <p>Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas</p> <p>Navegao eletrnica e em condies especiais1226</p> <p>de deslocamento que gera um campo magntico, o qual, por seu turno, cria um campoeltrico, e assim por diante. O processo mediante o qual estes campos se induzem mutua-mente denomina-se induo eletromagntica. A combinao de campos denominadacampo eletromagntico.</p> <p>Em um campo de irradiao eletromagntica, as linhas do campo eltrico se fe-cham sobre si mesmas, no estando unidas a cargas eltricas; e as linhas do campo mag-ntico no esto relacionadas corrente em um condutor. Os campos so verdadeiramen-te independentes, como se houvessem sido liberados no espao. H, portanto, uma idiade movimento no processo, sendo esta propagao denominada onda eletromagntica.</p> <p>Toda a teoria sobre esta matria foi desenvolvida h mais de 100 anos por J. C.Maxwell, que correlacionou uma srie de quatro equaes parcialmente diferenciadas,que descrevem a interao das componentes eltricas e magnticas do campo eletro-magntico e sua relao com a voltagem e corrente eltrica. Estas equaes proporcio-nam a base terica do eletromagnetismo e com seu emprego podem ser resolvidos os pro-blemas de campos eletromagnticos e de irradiao. So elas: a Lei de Ampre para cir-cuitos, o Teorema de Gauss para campos eltricos, o Teorema de Gauss para campos mag-nticos e a Lei de Faraday sobre a fora eletromotriz. A teoria de Maxwell facilita o clcu-lo da propagao eletromagntica.</p> <p>Para produo das ondas eletromagnticas utilizadas em Navegao Eletrnica,onde as freqncias so elevadas, usa-se um circuito eletrnico denominado circuitooscilador, ou, simplesmente, oscilador. Assim, pode-se dizer que uma onda eletro-magntica produzida pelas rpidas expanses e contraes de um campo magnticoque, por sua vez, gerado pela energizao e desenergizao de um circuito eletrnicoespecialmente projetado, denominado oscilador. Um amplificador , geralmente, usa-do para fortalecer a potncia de sada do oscilador e...</p>