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Princpios da arquitetura naval segunda verso

Volume 2: resistncia, propulso e vibrao.

Direitos autorais 1988 pela Sociedade de Arquitetos e Engenheiros Navais da Marinha.

compreendido e concordado que nada expressado aqui intencional ou deve ser

interpretado como dar a uma pessoa, empresa, ou corporao de qualquer direito,

recurso ou reclamao contra a sname ou qualquer dos seus oficiais ou membros.

Prefcio

O objetivo da segunda verso (terceira edio) com o sucesso da sociedade

Princpios da arquitetura naval foi trazer o assunto mais avanado da questo atravs da

reviso ou reescrever reas com os maiores recentes avanos tcnicos, o que significava

que alguns captulos exigiriam mais mudanas do que outros. O objetivo bsico do

livro, no entanto, manteve-se inalterado: para proporcionar um oportuno levantamento

dos princpios bsicos no campo da arquitetura naval para a utilizao de ambos

estudantes e profissionais ativos deixando claro que pesquisa e engenharia continuam

em quase todos os ramos do assunto. As referencias devem ser includas para fontes

disponveis de informaes adicionais e aos trabalhos em curso a ser seguidos no futuro.

A preparao desta terceira edio foi simplificada por uma deciso anterior de

incorporar um nmero de sees para a publicao da associao SNAME, Navio

Concepo e Construo, que foi revisto em 1980. Os tpicos de Linhas de Carga,

Aferio de tonelagem e Lanamento parecia ser mais apropriado para o

este ltimo livro, e assim os captulos V, VI, e XI tornou-se IV, V e XVII,

respectivamente em Navio Concepo e Construo. Isto deixou oito captulos, em vez

de 11, para os revisados Princpios da Arquitetura Naval, que desde ento tornou

se nove em trs volumes.

No incio do trabalho sobre a reviso, a comisso de controle decidiu que a

importncia cada vez maior de computadores de alta velocidade exigiu que a sua

utilizao deve ser discutido nos captulos individuais em vez de em um apndice separado como antes. Tambm foi decidido que ao longo do livro deveria ser dado mais

ateno ao rpido desenvolvimento dos avanados dos veculos marinhos.

Em relao s unidades de medida, foi decidido que a poltica bsica seria

utilizar o Sistema Internacional de Unidades (S.I.).

Como este um perodo de transio, convencionais dos EUA (ou "Ingls")

unidades seriam dadas em parnteses, se for possvel, ao longo do livro. Este segue a

prtica adotada para o volume da sociedade associada, Navio Concepo e Construo.

A lei de converso trmica de 1975 dos EUA (P.L. 94-168) declarado como poltica

nacional de aumentar o uso do sistema mtricos de medio e estabeleceu o conselho

mtrico dos EUA para coordenar a converso voluntaria para sistema internacional da

administrao martima, assistida pelo grupo de trabalho da SNAME para essa

finalidade, desenvolveu um guia pratico mtrico para ajudar a obter a pratica mtrica

uniforme na indstria naval, e este guia foi usado aqui como uma referencia bsica.

Seguindo este guia, o deslocamento do navio em toneladas mtricas (1000 kg)

representa a massa, em vez de peso, (Neste livro o smbolo familiar, A, est reservada

para a massa de deslocamento). Quando as foras so consideradas, a

unidade correspondente o Kilonewton (kN), que se aplica, por exemplo, resistncia e

ao peso de deslocamento (smbolo W, onde W = g) ou a foras de flutuao. Quando

as unidades convencionais ou unidades inglesas so utilizadas, o peso de deslocamento

na unidade de tonelada familiar longa (2240lb),

que numericamente 1,015 X tonelada mtrica. O poder normalmente em

quilowatts (1 kW = 1,34 cv). Uma tabela de converso tambm est includa na

nomenclatura no final de cada volume.

O primeiro volume da terceira edio de Princpios de Arquitetura Naval, que

compreende Captulos I a IV, cobre quase o mesmo assunto como os primeiros quatro

captulos da edio anterior. Assim, ele lida com os princpios essencialmente estticos

da arquitetura naval, deixando aspectos dinmicos para os volumes restantes.

Captulo I lida com a descrio grfica e numrica das formas de casco e os

clculos necessrios para lidar com problemas de flutuao e estabilidade que se

seguem. Captulo II considera a estabilidade em condies normais intactas, enquanto

que o Captulo III discute flutuao e estabilidade em condies de avaria. Finalmente,

o Captulo IV trata com os princpios do projeto estrutural do casco, primeiro sob

condies estticas de guas calmas, e depois introduzindo o efeito das ondas, que

tambm so abrangidos mais completamente em Volume III Captulo VIII, os

movimentos em ondas.

Para o Volume II, parecia desejvel, com base no assunto e espao

requisitados, para incluir o Captulo V, Resistncia, Captulo VI, Propulso e do

captulo VII, da vibrao. Os dois primeiros destes foram cobertos em um nico

captulo na edio anterior. Os novos captulos foram extensivamente revisado,

com novo material considervel, particularmente lidando com embarcaes de alto

desempenho e dispositivos de propulso novos. Captulo VII, vibrao, que o terceiro

no volume II, foi quase totalmente reescrito para tirar vantagem dos novos

desenvolvimentos no campo.

Maio 1988 EDWARD V. LEWIS

Editor

Seo 1 Resistncia

Introduo

1.1 O Problema.

Um navio difere de qualquer outra estrutura da larga engenharia em que alm de

todas as suas outras funes deve ser concebida para mover de forma eficiente atravs

da gua com o mnimo de ajuda externa. Nos captulos I-III do volume I tem sido

mostrado como o arquiteto naval pode assegurar a flutuabilidade suficiente e

estabilidade de um navio, mesmo danificado por coliso de aterramento, ou outra

causa. No captulo IV, o problema de proporcionar uma estrutura a adequada para o

apoio do navio e seu contedo, tanto em guas calmas e mar revolto, foi discutido.

Neste captulo, esto preocupados com a forma de tornar possvel que uma

estrutura de deslocamento de at 500.000 toneladas ou mais para se mover de forma

eficiente em qualquer um dos oceanos do mundo em tempo bom e ruim. O problema de

mover o navio envolve as propores e molde -ou forma- do casco, o tamanho e tipo da

planta de propulso para fornecer fora motriz, e do dispositivo ou sistema para

transformar a energia em empuxo eficaz. O projeto das usinas est para alem do ambito

deste livro (ver Engenharia maritima, por RL Harrington, Ed., SNAME 1971). As

nove sees deste captulo ir tratar de alguns detalhes com a relao entre a forma do

casco e resistncia ao movimento para a frente (ou arrastar).Capitulo VI discute

dispositivos de propulso e sua interao com o fluxo de todo o casco.

A tarefa do arquiteto naval garantir que, dentro dos limites dos requisitos de

outras concepo, a forma do casco e arranjo de propulso ser o mais eficiente no

sentido hidrodinmico. O teste final que o navio deve realizar na velocidade

requerida com o mnimo de potncia do eixo, e o problema para atingir a melhor

combinao de baixa resistncia e eficincia de propulso elevada. Em geral, isso s

pode ser alcanado por uma combinao adequada de casco e hlice.

Outro fator que influencia o projeto hidrodinmico de um navio a necessidade

de garantir no s bom desempenho da gua, mas tambm que, sob condies de

servio mdio no mar o navio no deva sofre movimentos excessivos, umidade de

pavimentos, ou perder mais velocidade do que o necessrio no mau tempo. A suposio

de que uma forma do casco, que o melhor em guas calmas tambm ser timo em

mares revoltos no necessariamente vlida.Uma pesquisa recente progressao em

oceanografia e as qualidades de manuteno no mar de navios tornou possvel prever

o desempenho relativo de diferentes projetos de propores de casco e forma sob

diferentes condies de mar realistas, usando tanto o teste do modelo e tcnicas de

computao. O problema dos movimentosdo navio, a velocidade atingvel e requisitos

de energia agregado em ondas so discutidos no Captulo VIII, vol. III.Este

captulo est preocupado essencialmente com o projeto para o suave desempenho da

gua.

Outra considerao na capacitao o efeito de deteriorao na condio do casco da

superfcie em servio, como o resultado de incrustaes e corroso e da rugosidade da hlice na

resistncia e propulso. Este assunto discutido neste captulo.

Tal como no caso de estabilidade, subdiviso e estrutura, so necessrios

critrios de design para a determinao de nveis aceitveis de alimentao. Em geral,a

obrigao contratual prevista ao construtor naval que o navio deve atingir

uma determinada velocidade, com uma potncia especificada com bom tempo em

julgamento, e por esta razo o desempenho suave da agua de grande

importncia. Como observado anteriormente, o desempenho do bom mar,

particularmente a manuteno da velocidade do mar, muitas vezes o mais importante

requisito, mas um que muito mais difcil de definir. O efeito da condio do mar

habitualmente permitido pela disposio de uma margem de servio de energia acima

da energia necessria em guas calmas, uma proviso que depende do tipo de navio e o

tempo mdio nas ligaes do mar em que o navio est concebido para funcionar. A

determinao do subsdio de servio depende da acumulao de desempenho do mar de

dados de navios semelhantes em transaes similares. Ligando os critrios na forma de

licenas de servios convencionais tanto para condies do mar e deteriorao de

superfcie so considerados

neste captulo.

O problema de controlar e manobrar o navio sero abordados no captulo IX, vol. III.

1.2 Tipos de Resistncia.

A resistncia de um navio a uma dada velocidade a fora necessria para

puxar o navio em que a velocidade em gua lisa, assumindo que no h interferncia a

partir do navio de reboque. Se o casco nao tem apndices, isto chamado de resistncia

do casco-nu. A potncia necessria para vencer esta resistncia chamada de cabo de

reboque ou poder eficaz e dado por

PE = RT V

Onde PE = Poder efetivo em kWatt (kW)

RT = Resistencia total em Knewton (kN)

V = Velocidade em m/s

Ou

Ehp = RTVk/S26

Onde

Ehp = Poder efetivo em kWatt (kW)

RT = Resistencia total em lb

VK = Velocidade em nos

Para converter de potncia para unidades SI s existe uma pequena diferena

entre potncia em Ingls e potencia mtrica:

hp (Ingls) x 0.746 = kW hp

(mtrica) X 0.735 = kW Velocidade em nos x 0.5144 = m/s

Esta resistncia total constituda por um nmero de componentes diferentes,

que so causadas por uma variedade de fatores e que interagem um com o outro em um

caminho extremamente complicado. A fim de lidar com a questo de forma mais

simples, usual para considerar a resistncia total de gua calma como sendo

constitudo por quatro principal componentes.

(a) a resistncia por frico, devido ao movimento do casco atravs de um

fluidoviscoso.

(b) resistncia da onda de tomada , devido energia que deve ser fornecido

continuamente pelo navio para o sistema de onda criada na superfcie da gua.

(c) resistncia Eddy, devido energia levada por turbilhes derramado do casco

ou apndices. Locais Eddying , vai aparecer atrs de apndices, como relevos,

eixos e suportes do eixo, e de quadros severos e lemes se estes itens no so

devidamente racionalizado e alinhada com o fluxo. Alm disso, se a extremidade

posterior do navio muito fechado, a gua pode ser incapaz de seguir a curvatura e ir

romper a partir do casco, novamente dando origem a turbilhes e da resistncia de

separao.

(d) A resistncia do ar experimentado pela parte acima da gua do casco principal e das

superestruturas devido ao movimento do navio atravs do ar.

As resistncias ao abrigo (b) e (c) so comumente tomados em conjunto sob a

resistncia dos nomes residuais. Uma anlise adicional da resistncia conduziu

identificao de outro sub-componentes, como discutido em seguida.

A importncia dos diferentes componentes depende das condies particulares

de um desenho, e grande parte da aptido de arquitetos navais reside na sua

capacidade para escolher a forma e as propores do casco que ir resultar numa

combinao que conduz potncia minima total, compatvel com outras restries do

projeto.

Nesta tarefa, o conhecimento derivado de testes de resistncia e de propulsao em

pequena escala dos modelos de uma bacia ou tanque de reboque ser usado. Os detalhes

de tais testes, e a maneira com que os resultados so aplicados ao navio sero

descrito numa seco posterior. Muito do nosso conhecimento da resistncia do navio

foi aprendido com esses testes, e praticamente impossvel discutir os vrios tipos

de resistncia do navio sem referncia ao trabalho de modelo.

1.3 Corpos Submersos.

Um corpo aerodinmico em movimento na linha reta horizontal a uma

velocidade constante, profundamente imerso em um oceano ilimitado, apresenta o mais

simples caso de resistncia. Uma vez que no h nenhuma superfcie livre, no h

formao de ondas e, portanto, nenhuma onda que faa a resistncia. Se, alm disso, o

fluido assumido como sendo sem viscosidade (um fluido "perfeito"), no haver

resistncia frico ou eddymaking. A distribuio de presso em torno de um

corpo pode ser determinada teoricamente a partir de consideraes do fluxo potencial e

tem as caractersticas gerais mostrados na fig. l (a).

Perto do nariz, a presso aumentada acima da presso hidrosttica, ao longo do

meio do corpo e a presso diminuda abaixo dela e na popa volta a aumentar.

A distribuio de velocidade passada pelo casco, pela Lei de Bernoulli, ser

o inverso da presso distribuda ao longo da poro mdia e ser maior do que a

velocidade de avano V e na regio de arco e na popa ser menor.

Uma vez que o fluido tenha sido assumido como sendo sem viscosidade, as foras de

presso em todos os lugares vai ser normal ao casco (Fig. 1 (b)). Ao longo da parte da

frente do casco, estes tero componentes que agem com a popa e, portanto, resistir

ao movimento. Ao longo da parte da pea, o reverso o caso, e estes componentes

esto ajudando o movimento. Pode ser mostrado que as foras resultantes totais

na frente e depois dos corpos so iguais, e, por conseguinte, o corpo no experimenta

nenhuma resistncia.

Em um fluido real, a camada limite altera a virtual forma e comprimento

da popa, a distribuio da presso l alterada e seu componente para frente reduzida.

A distribuio de presso sobre a poro da frente porem pouco alterada,

em um fluido perfeito. Existe, portanto, uma fora resultante sobre o corpo,

agindo contra o movimento, dando origem a uma resistncia que

variadamente referido como forma de arrasto ou arrasto de presso viscosa

Em um fluido real, tambm, o corpo experimenta resistncia ao atrito e talvez a

resistncia eddy tambem. O fluido imediatamente em contato com a superfcie do corpo

transportada juntamente com a superfcie, e que, na vizinhana prxima posto em

movimento na mesma direo como aquele em que o corpo est em movimento. Isto

resulta em uma camada de gua, que obtm gradualmente mais espessa a partir da

proa para a popa, e em que a velocidade varia de que a do corpo, na sua superfcie

para que apropriado para o padro de fluxo de potencial (quase zero para um corpo

delgado) na borda exterior da camada (Fig. l (c)). Esta camada chamada a camada

limite, e o impulso fornecido gua em que pelo casco uma medida da resistncia ao

atrito. Desde que o corpo deixa atrs de si uma esteira de atrito movendo-se no mesmo

sentido que o corporal (que pode ser detectada muito r) e continuamente entrar na

gua sem perturbaes e acelerar para manter a camada limite, isto representa um

dreno contnuo de energia. De fato, em tnel de vento de trabalha com a medio

das velocidades do fluido por trs de um modelo simplificado uma forma comum

de medio do arrasto de atrito.

Se o corpo bastante rudimentar no final, o fluxo pode deixar a forma em algum

ponto-chamada de ponto de separao- reduzindo assim a presso total no afterbody

(depois do corpo) e adicionando-se resistncia. Esta resistncia de separao

evidenciado por um padro de turbilhes que um dreno de energia.evidenciado por um

padro de turbilhes que um dreno de energia (Fig. l (d)).

1.4 navios de superfcie.

Um navio movendo-se sobre a superfcie do mar experimenta resistncia ao

atrito e eddymaking, separao e arrasto de presso viscoso na mesma maneira como o

faz o corpo submergido. No entanto, a presena da superfcie livre adiciona um

componente adicional. O movimento do casco atravs da gua cria uma distribuio de

presso semelhante volta do submerso corpo, isto , reas de

presso aumentada na proa e na popa e de diminuio da presso sobre a parte mdia

do comprimento.

Mas existem diferenas importantes na distribuio de presso ao longo do casco

de um navio de superfcie, devido perturbao da onda de superfcie criada pelo

movimento do navio para a frente. Existe uma maior presso que atua sobre o

arco, como indicado pela onda de proa geralmente proeminente construi-se, e ao

aumento de presso no popa,e logo abaixo da superfcie livre, sempre menor do

que acerca de um corpo submerso. A resistncia resultante adicionou corresponde ao

dreno de energia para o sistema de onda, que se estende da popa do navio e tem que ser

continuamente recriado. (Veja Seo 4.3). Por isso, tem sido chamado de onda de

tomada de resistncia. O resultado da interferncia dos sistemas de ondas

originrios em arco, ombros (se houver) e de popa produzir uma srie de

ondasdivergentes de propagao para o exterior do navio a um ngulo relativamente

afiado para a linha central e uma srie de ondas transversais ao longo do casco em cada

lado e para trs na sequncia (Fig. 7).

A presena dos sistemas de onda modifica o atrito da pele e outras resistncias, e

existe uma interao muito complicada entre todos os diferentes componentes.