Mecânica do navio (Arquitetura Naval) (estática do navio)



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Mecânica do Navio – ESTÁTICA – Parte I

MECÂNICA DO NAVIO (Arquitetura Naval)

(ESTÁTICA DO NAVIO)
1 – Introdução
Esta publicação tem o propósito de apresentar os conceitos e ferramentas básicas da disciplina Arquitetura Naval aos estudantes de Engenharia Mecânica para uma ênfase em assuntos da Engenharia Naval . A necessidade de consulta relativamente freqüente a outras publicações demonstra a abrangência do assunto desta disciplina, tornando praticamente impossível conseguir em uma única obra todo o conhecimento necessário sobre a matéria.


    1. Conhecimentos Prévios

A Arquitetura Naval, ou Mecânica do Navio, é uma aplicação dos princípios da Física, Mecânica Racional e Mecânica dos Fluidos ao navio. O navio é uma estrutura flutuante, e das maiores construídas atualmente. Como em qualquer estrutura, há necessidade de estabelecer a sua resistência mais adequada e manter a preocupação com a estabilidade. Deve-se, porém, ter em mente que o meio no qual permanece o navio é tal que as condições de estabilidade precisam estar rigorosamente estabelecidas. Por outro lado, as grandes estruturas com que lidam outros ramos de engenharia dificilmente são dotadas de propulsão, como é o caso dos navios (a não ser algumas plataformas auto-elevatórias que possuem pequenos sistemas de propulsão para posicionamento). Assim, os que iniciam o estudo desta matéria deverão ter conhecimentos prévios de Matemática, Física, Mecânica e Hidrodinâmica.




    1. Sistemática de Abordagem

Nas disciplinas mencionadas, em geral procura-se estabelecer condições nas quais os fenômenos são regidos por equações cuja solução matemática é possível. Na Arquitetura Naval isto não é necessariamente usual; as formas do navio podem ser representadas por curvas suaves, mas que nem sempre são representadas por equações matemáticas. Grande esforço tem sido desenvolvido para se obter uma formulação para estas curvas, embora sem resultados definitivos. Nas condições acima é usual efetuar integrações de áreas e volumes por métodos aproximados, visto não serem conhecidas expressões matemáticas das curvas. É comum também fazer uso de métodos de aproximação sucessiva, e representar graficamente curvas que descrevem certa característica do navio, como é o caso das curvas de comprimento alagável.

Na parte de dinâmica, é comum lançar mão dos resultados de ensaios em tanques de prova, uma vez que a teoria que aborda a resistência à propulsão do navio tem limitações que não permitem ainda abrir mão destes ensaios para um conhecimento completo do problema.

Estas ponderações são efetuadas aqui para que o estudante sinta que irá aplicar conceitos de ciências básicas relativamente puras a um corpo flutuante dotado de propulsão e governo, mas que estes conceitos são aplicados com certas limitações inerentes à situação tecnológica atual.

Em algumas fases o leitor pensará que a quantidade de trabalho “manual” (cálculos laboriosos e traçados de curvas) tornará o assunto relativamente cansativo. É preciso lembrar, porém, que a utilização dos computadores digitais simplificou enormemente este trabalho, desde que se disponha de programas adequados.

Alguns autores fazem uma analogia da Arquitetura Naval com a Termodinâmica, o que é razoável. Em Termodinâmica são usados conceitos básicos de Matemática e Mecânica para desenvolver os fundamentos nos quais repousam os conhecimentos dos engenheiros mecânicos. Na Arquitetura Naval algumas ciências básicas são aplicadas ao navio para desenvolver os conceitos indispensáveis aos que lidam com navios, de modo que se pode dizer que esta disciplina representa, para todos que têm contato com navio, o mesmo papel que a Termodinâmica para os que tratam com máquinas.




  1. Flutuação.

    1. - Condições de Equilíbrio

Sabe-se que as condições necessárias para que qualquer corpo fique em repouso são:

- Soma das forças agindo sobre o corpo igual a zero.

- Soma dos momentos das forças que solicitam o corpo igual a zero.


z
E que expressões analíticas são:


∑Fx = 0


Fy = 0

∑Fz = 0




x



y
Mx = 0

My = 0

Mz = 0

(Fig.1- Forças que agem num navio flutuando em águas tranqüilas.)


Para este estudo os eixos são considerados nas seguintes condições:

x – no sentido da boca

y – no sentido do comprimento.

z – na vertical.

No caso de um corpo flutuante as forças que agem sobre o mesmo, em águas paradas, são:

- Peso;


- Força da pressão atmosférica;

- Força da pressão da água;

A soma das componentes das forças de pressão na direção dos eixos dos ‘x’ e dos ‘y’ é nula (porque em caso contrário o corpo flutuante estaria acelerando para um dos bordos ou para vante ou para ré). Logo: ∑Fx = 0 ∑Fy = 0

A mesma afirmação pode ser feita com relação às componentes das forças na direção do eixo ‘z’, mas é importante verificar quais as forças existentes nesta direção; são elas:

- O peso flutuante, agindo para baixo, aplicado no centro de gravidade ‘G’ do flutuante;

- A força resultante da pressão atmosférica agindo para baixo no flutuante (no caso de um navio, nas chamadas obras mortas: superestruturas, convés principal, etc).

- A força resultante da pressão hidrostática da água agindo para cima sobre o flutuante (no caso de um navio, nas chamadas obras vivas: costado, fundo, apêndices, etc).
Esta última pressão, estudada nos cursos de Mecânica dos Fluidos através da equação fundamental da hidrostática (p = po + ρgh), pode ser dividida em duas parcelas: aquela devido à pressão atmosférica ‘po’ e a outra devida à profundidade ‘z’ da coluna liquida de peso especifico ‘ρg’ (pressão manométrica). As duas parcelas de força decorrentes da pressão atmosférica, agindo de cima para baixo e de baixo para cima, se anulam. Restam então duas forças iguais e de sentido contrário:

- O peso do flutuante e

-A força devido à pressão manométrica da água, força chamada de “Empuxo”.
É importante ter em conta que essas forças só serão iguais se o flutuante não estiver acelerado. Caso o corpo esteja mergulhando no fluido (como por exemplo, um submarino) o peso será maior que o empuxo.
2.2 - Princípio de Arquimedes

Segundo o Princípio de Arquimedes, o valor da força empuxo exercida pelo fluido sobre o corpo nele imerso é igual ao peso do volume de fluido pelo corpo deslocado.


A veracidade de tal afirmativa pode ser constatada ao considerarmos um fluido em repouso e analisarmos uma porção desse mesmo fluido, limitada por uma superfície fechada imaginária, também em repouso (Fig.2 –a).










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