REFERÊNCIAS TEÓRICAS

REFERENCIAL TEÓRICO

PARTES DE UM VELEIRO:

Podemos observar as partes de um veleiro conforme figura abaixo:

Nomenclatura de um Veleiro

Proa - Parte da frente do veleiro, onde ficam as velas da proa, como a genoa e o balão. O proeiro é o tripulante responsável por ajudar a subir essas velas e organizar a descida delas.

Popa - Parte de trás do veleiro, geralmente onde fica o timão e o leme, submerso.

Mastro - Estrutura que sustenta as velas. Espécie de poste por onde as velas são hasteadas e baixadas.

Quilha - É o contrapeso do veleiro. Serve para manter a estabilidade do barco e garantir que o veleiro rume para frente. Além disso a quilha também é responsável por manter o veleiro do lado certo em caso de acidente, sempre desvirá-lo em um capotamento.

Vela Mestra - É a vela principal do veleiro, também chamada de Grande. Não é baixada em nenhuma condição de vento.

Roda de Leme - Também chamado de timão, é a direção do veleiro. Geralmente é o comandante, ou um timoneiro, quem controla o barco.

Adriças - Cabo responsável por subir as velas

Escotas - Cabo responsável pela regulagem das velas Genoa e Balão. Cada vela tem sua própria escota.

SISTEMA DE UNIDADE NÁUTICA

Légua marítima - Medida de comprimento que entre nós correspondia
apróximadamente a 3,2 milhas ou 5,9 Km.

Milha marítima - Valor médio do comprimento de um minuto de arco de um
meridiano. Equivale a 1852 metros.

Nó - Medida de velocidade equivalente a uma milha marítima por hora.
10 nós correspondem a 18,5 Km/h.

Polegada - Medida de comprimento que corresponde a 2,54 cm.

Jarda - Usada entre nós equivalia a três pés, cerca de 91 cm.

Quarta - Uma das 32 partes em que a rosa-dos-ventos está dividida.
Corresponde a 11º15'.

Rumo - Medida linear usada na antiga construção naval equivalente a seis
palmos de goa, cerca de 1,5 m.

POR QUE O VELEIRO FLUTUA

Porque é oco e sua densidade média (considerando a parte de madeira e a parte cheia de ar) é menor que a densidade da água.

Porque ele encontra-se em equilíbrio, parcialmente imerso e sujeito a ação de duas forças de mesmo módulo e contrárias, o peso P e o empuxo E, exercido pela água.

Considere um volume cubico de água. Estando este em repouso, o peso da água acima dele necessáriamente estará contra-balançado pela pressão interna neste cubo. Para um cubo cujo volume tende para zero, ou seja um ponto, esta pressão pode ser
exprimida por:

em que, usando unidades no sistema SI,
P é a pressão hidro (em pascais);
pé a massa específica da água (em kilogramas por metro cúbico);
g é a aceleração da gravidade (em metros por segundo quadrado);
h é a altura do líquido por cima do ponto (em metros).
No caso de a pressão atmosférica não ser desprezível, é necessário acrescentar o valor
da sua pressão, tomando a equação o seguinte aspecto:

VELOCIDADE MÁXIMA TEÓRICA

A velocidade máxima teórica é orientada pela seguinte equação:

Onde (conforme figura 2) é o comprimento da onda que é gerado pela proa do barco.
A velocidade é teóricamente limitada pelo tamanho do barco, que vai ser o comprimento maximo de alcançado.

INCLINAÇÃO (HEELING) X SUPERFÍCIE SUBMERSA (WETTED SURFACE) X VELOCIDADE: RELACIONE ESSAS GRANDEZAS

Com a inclinação do veleiro há um aumento da superficie submersa, fazendo com que o comprimento de onda () gerado pela proa seja maior e consequentemente maior será sua velocidade, de acordo com a equação descrita no item 2.4. A influência da inclinação na superficie submersa esta ilustrado conforme figura

Superficie submersa

CENTRO DE GRAVIDADE E CENTRO DE FLUTUAÇÃO

No centro de gravidade está aplicado o peso da embarcação, que é uma força vertical para baixo. No centro de flutuação está aplicado o empuxo, que é uma força vertical para cima.

Mas, mesmo com o centro de gravidade acima do centro de flutuação, um veleiro opera com segurança e não emborcará se inclinado até a um determinado ângulo. Isto acontece graças à "movimentação" do centro de flutuação, que muda de posição conforme o veleiro se inclina.

Este veleiro terá estabilidade até o ponto em que o CG fica alinhado ao CF. A partir daí não haverá mais restauração.

Centro de gravidade e centro de flutuação

2.7 COEFICIENTE PRISMÁTICO

É a relação entre o volume deslocado e o volume de um sólido que tenha um comprimento igual ao comprimento do veleiro na flutuação e uma seção transversal igual à da parte imersa da seção mestra: Este coeficiente representa a distribuição longitudinal do deslocamento do veleiro, e é utilizado principalmente para os cálculos de potência e velocidade.

Varia de 0, 55 a 0, 80, dependendo do tipo do veleiro. A denominação de coeficiente prismático, apesar de ser a mais usada, é incorreta, por que o sólido que se vê na figura é mais semelhante a um cilindro que a um prisma, pois o contorno da seção transversal de um veleiro tem sempre a forma curvilínea e nunca a de um polígono, conforme figura

Coeficiente prismático

2.8 FORÇAS DE ATRITO: QUAIS SÃO ELAS? COMO ELAS INFLUEM NOS MODELOS DE “VELEIRO DE CRUZEIRO” E “VELEIRO DE CORRIDA”?

Existem forças de oposição ao movimento de uma embarcação, como:

Resistência de atrito: ocorre devido a resistência que a água oferece ao movimento da parte submersa do navio e também devido a resistência que o ar ambiente oferece à movimentação do navio.
Resistência de forma: devido a formação de vórtices que ocorre na zona de popa.

Resistência de onda: devido a formação de ondas que se geram durante a movimentação do navio, e é tanto maior, quanto maior for a sua velocidade.

2.9 VENTO: COMO CALCULAR A PRESSÃO SOBRE A VELA? COMO CALCULAR O SEU CENTRO DE PRESSÃO?

A carga do vento da vela é a força que o vento aparente está colocando em uma vela.
Carga nas libras = na área da vela * (velocidade de vento) * 0.00431
Área – pés quadrados
Velocidade vento - nós

Esta equação é útil em determinar o tamanho do winch que é needed para a gerência de um jib 100% em um vento pesado. Divida as libras da pressão no jib pela relação da engrenagem do winch e pela relação do comprimento do punho do winch ao raio do cilindro do winch. Isto dará a força necessitada operar o winch em um vento pesado. Na figura 6 esta ilustrado o centro geométrico da vela.

Centro geometrico da vela

2.10 ESTABILIDADE 1: FAÇA CONSIDERAÇÕES SOBRE A FORMA DO CASCO E A ESTABILIDADE

LATERAL DO VELEIRO

A forma do casco pode influênciar no tamanho do “righting arm” e aumentar a estabilidade do veleiro. Quanto maior o “righting arm” maior será seu momento de correção (righting moment) e sua capacidade de retornar ao ponto de equilibrio. A formula de para o calculo do momento de correção esra descrita na figura

Momento de correção

De acordo com o desenho de seu casco, os barcos de r/c podem ser classificados em 2 tipos principais:

Monos: são todos aqueles cascos cuja superfície inferior apresenta uma única e contínua superfície molhada quando navegando. O casco é formado por uma peça única, larga na parte superior e afilando na parte inferior. Visto de frente, o casco tem o formato de um V. É o formato mais comum das lanchas de passeio de tamanho real.

Por conta de seu espaço interno, facilita a instalação de qualquer tipo de motor. Ilustrado de acordo com a figura

Casco em “V”

Hidroplanos: todos os outros tipos de casco são genericamente chamados de hidroplanos. São cascos dotados de flutuadores, e se apóiam na água em 3 ou mais superfícies não contínuas.

De acordo com o ângulo formado por seu casco em V, os monos podem se classificar na forma abaixo:

DeepVee (V profundo) São aqueles cascos cujo ângulo medido entre o plano horizontal e o casco propriamente varia entre 16º e 28º. Vistos de frente, são aqueles que apresentam o V mais pronunciado. Por seu desenho, têm a tendência de cortar a água ao navegar, dado o que apresentam ótimas características para águas menos lisas, estabilidade muito boa e fácil dirigibilidade.

Monohull (V raso) São os cascos com ângulo não superiores a 16º. Por conta desse desenho são mais rápidos que os DeepVee, embora menos estáveis e mais difíceis de controlar Cracker box: é um tipo de casco com um V muito pouco pronunciado (ângulo de 0º até 3º), com fundo quase chato. Seu desenho deriva dos barcos reais que correm na American Power Boat Association - APBA. Por sua característica de desenho têm tendência de escorregar nas curvas e exige uma técnica bastante específica de pilotagem. Ilustrado de acordo com a figura

Casco cracker box

De acordo com a posição e dimensão de seus flutuadores, os hidroplanos podem se classificar em:

Hydro: casco com 2 flutuadores longos na parte dianteira, normalmente apoiado no hélice na parte traseira, daí o nome comum de hydro de 3 pontos. São barcos velozes e críticos para ajustar e pilotar. Existem em grande número derivados em escala de
barcos de tamanho real.

Catamaram: o casco é formado por dois flutuadores que correm por toda a sua extensão, unidos na parte superior por uma superestrutura que compõe a parte interna onde se aloja o motor e os eletrônicos do barco.

Por seu desenho, quando em velocidade o catamaram cria um fluxo de ar por baixo da superestrutura, contido lateralmente pelos flutuadores, que tende a elevar a embarcação da água, diminuindo o arrasto e aumentando a performance. Rápidos, são menos críticos que os hydros para ajuste e pilotagem e, embora menos sensíveis que os hydros em águas menos lisas, são inferiores aos monos nessas condições. Ilustrado de acordo com a figura

Casco do catamaram

Túnel: o desenho é parecido com o catamaram, mais estreito e próprio para motores outboard. A aerodinâmica é semelhante, embora a estabilidade em águas revoltas seja mais crítica. Normalmente usam motores nitro, embora possam ser encontrados com
motores a gasolina.

Outrigger: é o único tipo de casco que não deriva de um barco de tamanho real.É formado por 2 flutuadores (sponsons) unidos por tirantes à seção principal, podendo ou não apresentar flutuadores na parte de trás. Diferentemente dos hydros, os flutuadores são claramente destacados do corpo do barco. A parte central abriga o motor e eletrônicos.

Em velocidade, apenas uma pequena parte dos flutuadores e o hélice tocam na água. Casco quase que exclusivamente para competição, até mesmo a sua colocação na água exige técnica especial. É o barco mais rápido no campo do nautimodelismo. Modelos movidos a gasolina chegam a ultrapassar velocidades de 135 km/h (80 milhas/h) enquanto aqueles mais rápidos movidos a motores glow atingem mais de 177 km/h (110 milhas/h).

Cannard: tipo muito especial de hydro, com um flutuador a frente e dois na parte de trás. Hydrofoil: ainda mais especial, navega apoiado em lâminas estreitas e finas. No campo do nautimodelismo são ainda barcos experimentais.

2.11 ESTABILIDADE 2: RELACIONE ESTABILIDADE E DISTRIBUIÇÃO DE VOLUME

A estabilidade é, praticamente, um sinônimo de segurança para as embarcações e veremos que, para os veleiros, também é sinônimo de segurança.

Simples nos seus fundamentos, o tema atinge grande complexidade quando se trata de monitorar a estabilidade de um navio ou plataforma de petróleo, com centenas de compartimentos e, virtualmente, infinitas possibilidades de carregamento e de flutuação.

Mas tudo pode ser compreendido se tivermos o entendimento claro de um pequeno conjunto de conceitos: centro de gravidade (CG), centro de flutuação (CF), peso (P), empuxo (E) e o binário peso-empuxo (ação de duas forças conjugadas). Neste artigo veremos como atuam estes conceitos para as embarcações.

Estabilidade, para uma embarcação, é a capacidade de restaurar seu equilíbrio inicial após uma pertubação qualquer. Pode-se verificar, por exemplo, qual, entre duas embarcações tem mais estabilidade, observando qual retorna mais rápido à posição inicial ou suporta maiores ângulos de adernamento (inclinação). Entretanto, em nossa intuição, a embarcação mais estável é aquela que tem o menor risco de "virar", ou seja, aquela que sempre retorna ao equilibrio inicial.

Vejamos então, como esta capacidade das embarcações de reagir a uma pertubação e a velocidade desta resposta dependerão da forma da parcela submersa do casco e da distribuição do seu peso. A distribuição do peso da embarcação nos permite determinar o seu centro de gravidade (CG) que é o ponto onde se pode considerar que todo o peso (P) esteja aplicado. A forma do volume submerso de uma embarcação nos permite determinar o seu centro de flutuação (CF) que é o ponto onde todo o empuxo (E) estaria sendo aplicado.

Se há alguma dificuldade intuitiva para compreendermos a estabilidade de uma embarcação é porque, em nosso dia a dia, a única força relevante que suporta o peso de nosso corpo é o apoio do solo sob nossos pés. Isto porque, temos densidade suficiente para desprezar o efeito do empuxo do ar que atua sobre nós. Vivemos imersos sob o ar atmosférico que é muito menos denso que nós. Já, para um balão de gás, a realidade é um pouco diferente e, por isso, será nosso primeiro exemplo para compreendermos o efeito da altura do centro de gravidade.

Imagine um balão perfeitamente esférico que, posto a flutuar diante de nossos olhos, não suba nem caia. Ou seja, em uma situação em que o peso seja igual ao empuxo fornecido pelo gás leve de seu interior. Se todo o seu peso está, uniformemente, distribuído por sua membrana, podemos perceber que o balão girará livremente podendo parar em qualquer posição. Neste caso, o seu centro de flutuação, ou centro de empuxo coincide com o centro de gravidade e seu equilíbrio é dito indiferente.

Já, se colarmos uma goma de mascar sobre a membrana do balão, teremos uma situação bastante diferente; será impossível manter a bexiga flutuando com a goma de mascar por cima. Sempre que tentarmos mantê-la nesta situação de equilíbrio instável, ela retornará a sua posição mais estável.

Vejamos, no desenho acima, que neste caso esta estabilidade depende apenas de um "binário" formado pelo empuxo (E) e pelo peso (P). Só que, ao invés do balão, usaremos o submarino como exemplo e a goma de mascar trocamos pelas baterias que servem de lastro. Afinal de contas, somos engenheiros navais...

Note que, quando o centro de gravidade e o de flutuação não estão alinhados verticalmente (FIG.1), ao inclinarmos o submarino surge um binário peso-empuxo que age no sentido de reconduzir o submarino para a sua posição inicial. Antes, empuxo e peso estavam alinhados e, agora, não estão mais e quanto mais próxima de 90o graus for a inclinação maior será a distância (d) entre eles e, em outras palavras, maior será o momento restaurador.

Compreendemos, então, que nas condições de equilíbrio, os centros de ação do peso e do empuxo estão alinhados e não existe nenhum binário atuando. Vejamos, agora, o caso de uma embarcação que não esteja totalmente submersa.

A questão é que, agora, a forma do volume submerso muda com a inclinação do barco.

Logo, há também uma variação da posição do centro de flutuação. É esta variação que permite situações de equilíbrio, mesmo com o centro de gravidade mais alto do que o centro de flutuação, o que não acontece nunca com submarinos submersos ou balões flutuando. Ver figura

Simulação 2

Quando a embarcação se inclina, o centro de flutuação se "move" na direção da inclinação (FIG.2), de forma a criar um binômio peso-empuxo que age no sentido de reequilibrar a embarcação. É importante perceber que isto ocorre porque a embarcação deixa de ter simetria em sua forma submersa. Isto funciona até um certo ângulo a partir do qual a embarcação não retorna mais.

2.12 ESTABILIDADE 3: RELACIONE LARGURA E ESTABILIDADE

A estabilidade é regida pela formula: Momento de correção = Peso do barco * “righting arm”. A inclinação é corrigida pelo momento de correção, logo, quanto mais largo o veleiro maior poderá ser o “righting arm” e consequentemente maior será o momento e a estabilidade. Na figura 12 esta descrita a formula do momento de correção e a simulação com a inclinação do veleiro.

Momento de correção e largura do veleiro

3 PROBLEMA PROPOSTO

Dado um veleiro de peso “P”, de distância do centro da quilha ao centro de força da vela “h” e que está sob influência de uma resultante em sua vela de valor “F”, calcule o valor do “righting arm” para que o veleiro não “vire”.

Resolução:

i) Momento provocado pela força “F” = F * h;

ii) Momento de correção = P * righting arm;

iii) Para que o veleiro não “vire” teremos a situção de equilibrio, logo: i=ii;

iv) F * h = P * Righting arm

Righting arm = F * h / P

4 MATERIAIS

Escolher o tipo de material para construir determinado barco muitas vezes não é uma tarefa fácil, devido à variedade de opções que o construtor pode ter como aço, alumínio, madeira, fibra ou mesmo a combinação deles.

Geralmente, para a construção de um barco, ou talvez de uma pequena série, pode-se optar por um número enorme de materiais, embora, dentre todos, a fibra de vidro seja o mais popular hoje em dia. Não existe nada de errado em construir barcos de madeira,
aço ou alumínio, e até mesmo em ferro- cimento ou outro material alternativo.

Entretanto, do ponto de vista econômico, existem poucas opções que podem superar barcos fabricados em fibra de vidro, e no que se refere ao investimento e valor de revenda, barcos construídos com esse material têm certamente a menor depreciação ao longo do tempo.

Nos últimos anos, os laminados de fibra de vidro têm encontrado um lugar importante como material de engenharia para várias aplicações em diversos tipos de indústrias. Dentre elas, a construção de barcos tem sido uma das mais importantes.

O sucesso da utilização de materiais compostos para fabricação de barcos é devido a um grande número de vantagens que esse material tem quando comparado a outros tipos. Uma das principais vantagens sobre materiais como aço e alumínio é a variedade de estruturas que pode ser conseguida combinando materiais básicos.

Entretanto, a grande diferença em relação a outros tipos de materiais se deve à ortotropia, que significa, em engenharia, que o material pode resistir de forma diferente quando submetido a cargas em diferentes direções.

Dessa forma, é possível construir uma embarcação mais leve e resistente, colocando fibras apenas nas direções onde existam forças atuando. Essa vantagem oferece tanto ao projetista como ao construtor a oportunidade de ajustar os materiais, as especificações de cada peça e o tipo de processo de moldagem, além de fazer uma combinação que seja mais resistente para o barco.

Os materiais compostos ainda possuem outras grandes vantagens quando comparados com outros produtos para construção de embarcações. Entre elas podemos citar a excelente resistência e rigidez para sua densidade, são fáceis de utilizar, são materiais muito leves, são fáceis de reparar, têm uma boa resistência à corrosão e à intempéries e têm também uma grande resistência à abrasão.

Os materiais compostos têm sido utilizados para a construção do casco, convés e outras peças do interior. Devido ao fato de que, na maior parte das vezes, peças fabricadas com materiais compostos são produzidas com auxílio de moldes, várias formas complicadas podem ser desenvolvidas, as quais seriam difíceis, ou praticamente impossíveis, de serem moldadas com qualquer outro tipo de material.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

MARCHAJ, C. A. Aero-Hydrodynamics of sailing. 2.ed. London: Adlard Coles
Nautical, 1979

Fonte: monitoriadeengenharia.com.br