02 PNA Resistência_1 Introdução

PNA, Resistência, Introdução - Sessão 0.2: Tipos de Resistência

Resistência Total e Conceitos Fundamentais

A resistência total é definida como a força necessária para rebocar um navio em águas calmas a uma determinada velocidade. O termo "Bare Hull Resistance" refere-se à resistência total, considerando o navio sem apêndices. A potência efetiva ($P_E$), também conhecida como "Tow Road" ou "Effective Power", é a potência necessária para superar a resistência total.

Relação entre Potência e Resistência

A relação entre potência e resistência é expressa pela fórmula:

$P = F \cdot V$

Onde:

• $P$ é a potência.

• $F$ é a força (resistência total).

• $V$ é a velocidade.

No caso específico da potência efetiva ($P_E$), temos:

$P<em>E = R</em>T \cdot V$

Onde $R_T$ é a resistência total.

Cálculo da Potência Efetiva em Testes

A potência efetiva pode ser calculada experimentalmente através do reboque de um modelo em um tanque de provas. Utiliza-se um dinamômetro no cabo de reboque para medir a força (resistência total). Conhecendo a velocidade de reboque (V), a potência efetiva ($P_E$) é calculada.

Tipos de Resistência (Seção 0.2)

A resistência total em águas calmas é composta por quatro componentes principais:

1. Resistência Friccional: Relacionada à camada limite.

2. Wave-Making Resistance: Resistência devido à formação de ondas.

3. Resistência do Ar nas Obras Mortas: Resistência causada pelo ar acima da linha d'água.

4. Eddy-Making Resistance: Resistência devido à formação de vórtices.

Resistência Residual

O conceito de resistência residual pode variar dependendo do contexto:

• Pode ser a soma de wave-making resistance e add resistance.

• Pode ser tudo o que não é resistência friccional.

• Em algumas situações, pode ser usada como sinônimo de wave-making resistance.

Corpos Submersos (Seção 0.3)

A análise se inicia com o caso mais simples: um corpo com linhas hidrodinâmicas, em movimento retilíneo e com velocidade constante, bem submerso em um oceano ilimitado, sem superfície livre (sem wave-making resistance). Assume-se que o fluido é perfeito e ideal, sem viscosidade. Sem viscosidade, não há eddy-making resistance nem resistência friccional.

Paradoxo de Lambert

O paradoxo de Lambert é um caso hipotético que não existe na natureza. Considera-se um corpo parado em um fluxo ideal (sem viscosidade). Na proa, há uma redução de velocidade e um aumento de pressão. A velocidade aumenta e a pressão diminui ao longo do corpo, até que a pressão retorne ao valor original na popa. A pressão age perpendicularmente à superfície do casco.

Nessa condição ideal, as componentes transversais da força de pressão não afetam a resistência. As componentes longitudinais na proa e na popa se cancelam, resultando em resistência nula ao movimento.

Transição para Fluido Viscoso

Quando se passa de um fluido ideal para um fluido viscoso (real), surgem várias formas de resistência. A seguir, o estudo detalhado de cada uma delas.

Resistência Friccional e Camada Limite

A resistência friccional está intrinsecamente ligada ao conceito de camada limite. A camada limite acompanha o navio e aumenta de espessura da proa para a popa. A velocidade na camada limite varia desde a velocidade do corpo (junto ao corpo) até a velocidade do escoamento potencial no limite externo da camada limite.

Gradiente de Velocidade

Em um gráfico de gradiente de velocidade, observa-se que a velocidade das moléculas de fluido próximas ao corpo é zero (se o corpo está parado e o fluxo está passando). A velocidade aumenta à medida que se afasta do corpo, até atingir a velocidade potencial ($v_0$).

Momento e Esteira Friccional

O momento (quantidade de movimento, dado por $m \cdot v$, onde $m$ é a massa e $v$ é a velocidade) fornecido pelo navio à água na camada limite é uma medida da resistência friccional. A esteira friccional se move a ré, na mesma direção do navio, representando uma drenagem contínua de energia.

O navio, ao se movimentar na água, arrasta moléculas de água junto com ele, criando a camada limite. A energia gasta para colocar essa massa de água em movimento representa uma drenagem contínua de energia, proveniente do combustível queimado na máquina do navio.

Viscous Pressure Drag (Arrasto de Pressão Viscosa)

Para explicar o viscous pressure drag, retorna-se ao paradoxo de Lambert. Em um fluido ideal, a componente longitudinal da força de pressão na proa é igual à componente longitudinal na popa. No entanto, em um fluido viscoso, a componente longitudinal na popa é menor do que na proa. Essa diferença vetorial é o viscous pressure drag.

Isso ocorre porque a força de pressão resultante é perpendicular à superfície, e a superfície da camada limite na popa é menos inclinada no caso do fluido real do que no caso do fluido perfeito (que não tem camada limite).

Terminologia e Sinônimos

É importante esclarecer a terminologia, pois os nomes podem se confundir.

• Arrasto de atrito + Arrasto de forma = Arrasto de perfil

• Arrasto de forma = Arrasto de pressão = Viscous Pressure Drag

• Arrasto de perfil = Arrasto viscoso

Arrasto de Separação

Se o corpo possui uma popa bojuda, o fluxo pode se separar em um ponto chamado ponto de separação. Isso resulta em uma redução de pressão ainda maior a ré. O arrasto de separação é evidenciado pelo padrão de turbilhões e drena energia do navio.

Camada Limite e Separação

A camada limite (boundary layer) pode se separar da superfície do corpo, formando um ponto de separação e, posteriormente, vórtices.

Resumo das Resistências em Corpos Submersos

O PNA identifica três formas de resistência em corpos submersos:

1. Resistência Friccional

2. Viscous Pressure Drag

3. Arrasto de Separação

Navios de Superfície (Seção 0.4)

Navios de superfície apresentam os mesmos tipos de resistência que corpos submersos, com uma distribuição de pressão semelhante. No entanto, a presença da superfície livre adiciona uma componente extra: a formação de ondas (wave-making resistance).

A pressão na proa é maior do que em um corpo submerso, o que pode ser observado pelas ondas que se formam na proa. Além disso, o aumento de pressão a ré é menor em comparação com um corpo submerso.

A resistência adicional devido à formação de ondas corresponde a uma transferência de energia para o sistema de ondas. Essa energia vem do combustível queimado na máquina do navio.

Interação entre Sistemas de Ondas

Os sistemas de ondas criados na proa, na popa, nas bochechas e nas arestas do navio interagem entre si. Existem ondas divergentes que se espalham para fora e ondas transversais ao longo do casco.

A presença do sistema de ondas modifica a resistência friccional e outras resistências. Há uma interação complexa entre todas as componentes.

Resumo Geral das Resistências

As resistências incluem:

1. Resistência Friccional

2. Viscous Pressure Drag

3. Eddy-Making Resistance

4. Wave-Making Resistance

A wave-making resistance modifica a resistência friccional e as outras resistências, levando a uma interação complexa entre todas as formas de resistência. Na realidade, essas resistências ocorrem simultaneamente, e os cientistas tentam separá-las para facilitar o estudo de um fenômeno complexo.