PNA Controlabilidade_12 Effects of the environment

PNA Controlabilidade, Seção 12: Effects Of the Environment

12.1 Introdução

A controlabilidade de um navio pode ser significativamente afetada por forças ambientais como vento, corrente e ondas. Essas forças podem:

• Reduzir o course keeping, dificultando a manutenção do rumo.

• Levar à perda completa da capacidade de manter o rumo.

• Aumentar a resistência ao movimento para frente.

12.2 Efeitos do Vento

Quando a velocidade do vento em relação à velocidade do navio é alta, o vento tem um efeito apreciável na controlabilidade. Mesmo ventos moderados podem dificultar o controle de um navio que se move em baixa velocidade.

Medidas de Controle

O controle pode ser obtido através da variação das características do navio e da adição de trust devices. Exemplos de características do navio incluem:

1. Perfil do Casco

2. Tamanho do Leme

Efeitos do Vento

Os efeitos do vento aumentam diretamente com:

1. Área acima da água

2. Distância do centro da área lateral ao LCG (Longitudinal Center of Gravity): Este é o braço de alavanca.

3. Coeficientes de arrasto aerodinâmico

A distância entre o Longitudinal Center of Pressure e o Longitudinal Center of Gravity é importante.

• Navios com superestrutura na popa tendem a alçar no vento.

• Navios com superestrutura na proa tendem a arribar no vento.

• Navios sem superestrutura necessitam de leme ou cavelas (vela) na posição bravo para arribar e na posição charly para orçar.

Exemplos

Exemplos de navios com grande área vélica incluem navios de contêineres e gazeiros. Devido à grande área vélica, suas manobras em baixas velocidades são muito influenciadas pelo vento.

Análise de Ângulos de Vento

Em um sistema de coordenadas onde o eixo das abscissas representa a direção do vento verdadeiro, temos:

• Vento de proa

• Vento de través (90 graus relativos)

• Vento de popa (180 graus relativos)

Curvas plotadas para diferentes navios mostram um padrão uniforme de distribuição em relação ao coeficiente de amplitude, que é aproximadamente 0 para ventos de 90 graus.

Compensação com o Leme

Quando a razão entre as velocidades do vento e do navio é moderada, é possível navegar em linha reta usando o leme para compensar as forças e momentos aerodinâmicos e hidrodinâmicos. No entanto, se essa razão aumentar, pode não ser possível manter um rumo estável em uma grande faixa de direções de vento.

Determinação do Ângulo do Leme

Dado a velocidade de ereção do navio e a intensidade do vento, pode-se determinar o ângulo de leme $(\delta_R)$ necessário para manter o curso reto. Este ângulo é o mesmo que o ângulo de deriva $(\beta)$.

As curvas mostram o ângulo $(\delta_R)$ necessário em função da velocidade do vento.

Conclusão

Para uma dada relação entre as velocidades do vento e do navio, são necessários maiores ângulos de leme quando o vento está de través. Como o ângulo de leme de muitos navios é limitado a 35 graus, o navio não será controlável em um vento que requeira um ângulo de leme próximo desse limite.

Análise Detalhada das Curvas

As curvas detalhadas mostram $(\delta_R)$ para diferentes relações entre a velocidade do vento (V) e a velocidade do navio (v):

• V = 5v

• V = 7v

• V = 10v

• V = 15v

A curva em verde indica o que o navio precisa para se manter sob controle em um vento que é 10 vezes a velocidade do navio.

Conclusões da Análise

• O navio não será controlado em alguns rumos quando a velocidade do vento de través for relativamente grande (ex: V >= 10v).

• O navio pode ser controlado em um vento de mesma magnitude e direção diferente.

Exemplo: Para V = 10v, o navio deixa de ser controlado de aproximadamente 70 graus até 130 graus. Se V = 15v, o controle só é mantido com ventos próximos da proa ou da popa.

Estabilidade com Controles Fixos

As análises de estabilidade para um navio típico com vento foram solucionadas por computador.

No gráfico, o eixo das abscissas representa a relação entre a velocidade do vento e a velocidade do navio (5, 10, 15 vezes). O lado direito representa vento de proa, e o lado esquerdo representa vento de popa. O eixo das ordenadas representa $(\sigma)$. Para cima, $(\sigma)$ é positivo, e o navio é instável. Para baixo, $(\sigma)$ é negativo, e o navio é estável.

Análise Matemática de $(\sigma)$

Como na matemática de segundo grau, um determinado número ou raiz $(\sigma)$ pode estar dentro do conjunto dos números naturais, inteiros, racionais, reais, imaginários ou complexos. Um exemplo de número imaginário é a raiz quadrada de -4: $(\sqrt{-4})$. Os Critical Bloods ou Zima podem ou não ter uma parte imaginária.

• Se a parte imaginária de $(\sigma)$ é igual a 0, o movimento é não oscilatório.

• Se a parte imaginária de $(\sigma)$ é maior que 0, o movimento é oscilatório.

• Se a parte real de $(\sigma)$ é maior que 0, o navio é instável.

• Se a parte real de $(\sigma)$ é menor que 0, o navio é estável.

Análise Gráfica

A curva cheia representa a parte real de $(\sigma)$, e a curva pontilhada representa a parte imaginária.

• Para ventos de proa e relação entre velocidade do vento e do navio entre 0 e 3, o caso é estável e não oscilatório.

• Quando a relação está entre 3 e 11, o caso é estável e oscilatório.

• Para relação maior que 11, o caso é instável e oscilatório.

• Para ventos de popa, o navio é sempre instável e não oscilatório. A instabilidade aumenta monotonicamente com o aumento da relação entre a velocidade do vento de popa e a velocidade do navio.

Estabilidade com Diferentes Direções de Vento

O gráfico também trata da estabilidade com controles fixos. O eixo das abscissas representa o vento pela proa, pelo través e pela popa. O eixo das ordenadas representa a Critical oculta (positiva e negativa).

• O navio será estável em vento não muito forte (relação entre velocidade do vento e do navio de até 5 vezes) e em vento vindo perto da proa (até 50 graus).

• O navio será instável com vento de mesma magnitude, mas vindo de outras direções. O grau de instabilidade é máximo com vento de popa (180 graus).

Conclusões da Seção 12.2

1. Um navio não governado será geralmente mais instável na medida em que a velocidade do vento aumenta.

2. É possível obter uma grande melhoria na estabilidade em ventos se usarmos um bom sistema de controle automático no lugar do timoneiro, mesmo que seja bom. Esta conclusão refere-se a controles trabalhando, não a controls fixed estre extremity.

12.3 Efeitos das Correntes

As correntes afetam a controlabilidade de forma diferente do vento. Seu efeito é normalmente hidratado por meio da velocidade relativa entre o navio e a água, e não pela inclusão de forças hidrodinâmicas nas equações.

Correntes em Mar Aberto

Diferentemente dos ventos, em correntes oceânicas de mar aberto, não há manifestação de forças e momentos hidrodinâmicos. Não há ângulo de ataque entre o casco do navio e o fluxo. As velocidades das correntes locais de superfície em mar aberto são geralmente modestas e aproximadamente constantes no plano horizontal. Portanto, essas correntes não impõem problemas para a OpenSea Controlability.

Correntes em Águas Restritas

As correntes se tornam importantes em águas restritas, onde a velocidade do navio é baixa e as correntes não são uniformes ao longo do casco do navio. As correntes são mais propensas a afetarem a controlabilidade do navio que viaja a jusante (descendo) um rio ou canal, principalmente em curvas onde a tendência é haver grandes gradientes espaciais de velocidade de corrente.

Controvérsia

• BMA, Midiens e Nornan: descer o rio gera mais problemas de controlabilidade do que subir o rio.

• 0E0 fourmarberg: subir o rio gera mais problemas de controlabilidade do que descer o rio.

Raciocínio 1 (Descer o Rio Mais Problemático)

O navio descendo o rio tem mais velocidade sobre o fundo, portanto, mais inércia e menos água passando pelo leme.

Raciocínio 2 (Subir o Rio Mais Problemático)

Essa zona de alta pressão, na aleta de dentro e na bochecha de fora, ajuda o navio a negociar uma curva.

Segurança e Velocidade

A segurança da navegação às vezes demanda baixas velocidades no fundo, de forma que a velocidade resultante na água pode ser muito pequena para desenvolver uma força adequada no leme no casco, principalmente se o navio estiver descendo o rio.

12.4 Estabilidade e Manobrabilidade em Ondas (Seas)

As ondas podem ter um efeito significativo em e monofing. Um navio que tenta manter estérico experimenta movimentos dos relatórios induzidos pelas ondas em todos os 6 graus de liberdade.

Foco do Capítulo

Este capítulo considera principalmente o yoki e o swei, que estão muito relacionados entre si, até mesmo em águas calmas. O também está envolvido em contabilidade, especialmente em navios de alta velocidade. O gna pode gerar e, e o pode afetar o Stein.

Efeitos das Ondas

Em geral, raramente haverá problemas sérios no caso de onde a frequência de encontro com as ondas que causam e é relativamente alta, e onde a e é normalmente elevada.

Dinâmica do Navio e Leme

Quando o navio sobe a crista da onda e desce pelo outro lado, inevitavelmente ele vai ter uma oscilação de. Um timoneiro experiente deixa a trouxe lá e governa em relação ao rumo médio. Se usado com problema automático, o sistema vai tender a comandar movimentos de Leme de alta frequência, que geram aumento de resistência sem grandes efeitos no rumo.

Soluções

Portanto, devemos selecionar o apropriado ou introduzir filtragem no sistema para minimizar os movimentos desnecessários de Leme, como é feito nos. Lá na seção 6, vimos que quando o navio ocorre devido ao que produz e.

Exemplo de Comportamento do Piloto Automático

O navio apresentou esses sendo governado pelo piloto automático. A proa do navio vai para bombodo, o piloto automático coloca o lema intraporeste, então a proa volta. Esse movimento oscilatório do leme e da proa, combinado com o movimento oscilatório das ondas, faz o navio ficar rolando significativamente.

Exemplo: O piloto automático está com ganho de 3.

Comportamento em Altas Velocidades e Following Seas

Outros também são experimentados quando o navio procede com alta velocidade ou Following seas. Na operação de alguns navios, frequentemente são observados sérios movimentos de associados a problemas de na presença de ondas.

Fatores Introduzidos em Altas Velocidades

Com uma arte pouca, vários fatores novos são introduzidos, particularmente no caminho de a altas velocidades:

1. Com mar de popa, as frequências de encontro são baixas, logo grandes momentos de low e o podem se desenvolver. Lembrando que com mar de proa as frequências de encontro são altas.

2. Navios velozes geralmente possuem pequena estabilidade estática universal e o GM é pequeno.

3. Na presença de ondas ocorrem mudanças significativas significativas na estabilidade estática que afetam o globo e, portanto, também afetam o royal. Por exemplo, quando o meio do navio estiver cavado, o produzido será bem menor, o que causará grandes ângulos de.

4. Como o Leme tem grande efeito no low e no, as características de dever do sistema de controle automático são muito importantes.

5. Navios de alta velocidade possuem certa assimetria. Essas assimetrias mudam conforme o navio rola.

Acoplamentos

Por esses motivos, é possível que haja expressivo entre o, swei, roll e o redirection, principalmente em altas velocidades.

Assimetria Longitudinal

Devido ao rio para de alta velocidade. Exibe a assimetria longitudinal quando o navio está sem inclinação e com 15 graus de inclinação.

Análise da Assimetria

A curva indica a distância transversal do CG da local session Aria até a linha de centro para ambos de de 0 a 15 graus em Águas Caldas. As linhas pontilhadas representam a distribuição diária da seção transversal. Podemos considerar que essas curvas equivalem à linha de câmera de uma asa de avião. Quando o valor de Rio e a velocidade do navio forem diferente de cérebro, a linha de câmera não será uma reta, surgirão e e 1 sideforce hidrodinâmicos. Essa tendência fica ainda mais credenciada pela do casco, principalmente nas altas velocidades. Além disso, a maioria dos navios velozes possui bumbo na proa para melhorar as características de resistência. E o aumento da acima de devido ao pulo da proa introduz uma acima ainda maior nas obras vivas quando na vida em plena.

Conexão com a Seção 6

Na seção 6, vimos que o pode fazer o navio inclinar, é a tal da banda de cortesia e o. Aqui na seção 12, estamos vendo que a inclinação pode fazer o navio opipar.

Sistemas de controle automático podem ser desenhados para ajudar a vencer acoplamento, acoplamentos desfavoráveis. Um piloto automático com de 0 suaviza os movimentos.

Conclusão da Seção 2.4

É possível que haja acoplamentos expressivos de swei, Ió e roll e movimentos de leme, sobretudo em altas velocidades e com a de polpa.

12.5 Mar de Popa (Following Seas)

Entendimento da Figura 90

• Direção de propagação das ondas

• Vetor velocidade do navio

• Direção da proa do navio

• $(\beta)$ é o ângulo de deriva

• $(\chi)$ é o ângulo entre o vetor velocidade e a direção de propagação das ondas

Fórmulas Importantes

• Tempo = Distância / Velocidade

• Período da onda (T) = Comprimento da onda (LW) / Velocidade da onda (V)

• Período de encontro da onda com o navio (TE) = LW / (V - Vnavio * cos($(\chi)$))

• Frequência angular de encontro (omega E) = (2 * pi) * (V - Vnavio * cos($(\chi)$)) / LW

Velocidade Orbital das Partículas de Água

A velocidade orbital das partículas de água é para avante da direção de movimento da onda na crista e para ré no cavado. O a é a distância da crista ao centro de gravidade do navio adimensionalizada pelo comprimento de onda.

• Navio com a popa na crista: A = 0.25

• Navio com a proa na crista: A = 0.75

Problemas em Quartering e Following Seas

Problemas muito mais sérios de Steering control são experimentados pelos operadores em quartering e following do que em mares de proa. No mar de popa, esse termo (V - Vnavio) pode ser muito pequeno, portanto a frequência de encontro também será pequena (omega E).

Razão da Dificuldade

Devido à redução da frequência de encontro, o normalmente é mais difícil do que com o ar de proa, embora, não seja sempre fácil governar em mar revolto vindo pela proa. Por essa razão, a maioria dos estudos de e Ralph Watern referem-se a mar de popa.

Situações Possíveis no Mar de Koopa

Analisando a diferença de velocidades entre navio, temos 3 situações possíveis:

1. Overtraking in Seeds: As ondas são mais rápidas que o navio, então a frequência de encontro é baixa.

2. No: A frequência de encontro é 0. O navio fica surfando nessa posição: A = 0.25.

3. Em: A frequência de encontro também pode ser baixa, mas com sinal oposto da situação de overtracking.

Forças e Momentos Excitantes

Quando a frequência de encontro é diferente de 0, as forças e momentos que excitam sua e o oscilam o tempo: overtrake.

• Popa na crista e proa no cavado: As velocidades orbitais da onda induzem um momento de o desestabilizante. Partícula de água jogando a popa para Boreste na crista e partícula de água jogando a para bom bordo no cavado. Então o navio tende a fazer o broading (atravessar o mar).

• Proa no cavado e a proa crista: O momento de induzido pela onda será estabilizante e fará com que o navio tenta retomar seu rumo original. Nesta situação, o movimento orbital da partícula de água joga a proa pra morécio e a popa pra bombordo.

Caso Semhistático

As forças e momentos excitantes não variam com o tempo, pois o navio não muda de posição com relação a onda. O Eda estudou 1 série de modelos navegando com componentes fixos, a baixas velocidades (cerca de 18 nós), em overtracking com $(\chi)$ variando entre 30 e 60 graus.

Estudo de Eda

O Eda variou a razão LW sobre L de 0.5 até 0.5.

• Alpha: As amplitudes de O aumentaram aumento da velocidade do navio (aproximando-se do)..

• Brava: As amplitudes de O diminuíram apropriaicamente quando o comprimento de onda caiu a partir de LW/L = 0. Então, quando o comprimento de onda fica menor que o comprimento de navio, a amplitude de O cai abruptamente.

• Tiago: As amplitudes de O diminuíram suavemente quando o comprimento de onda aumentou a partir de LW/L = 0.

A maior amplitude de O é quando LW/L = 0. Para razões menores, a amplitude de O diminui abruptamente, e para razões maiores diminui suavemente.

• Delta: As amplitudes de O diminuíram muito o aumento de K. K é o longitudinal radios of giration. Se a massa do navio está bem distribuída longitudinalmente, as amplitudes de O são pequenas. Se a massa do navio está muito concentrada perto do centro de gravidade, as amplitudes de O são grandes.

Uso do Leme em Overtickences

O uso do leme para corrigir o de O tem efeito muito pequeno, pois as excitações que ela exerce são muito maiores que as forças que o leme pode produzir.

Caso Semhistático e Navios Rápidos

Só os navios pequenos e rápidos podem atingir o caso semhistático com ondas que têm comprimento significativo comparado ao comprimento do navio (LW/L > 0). Por exemplo, lancha de prático. Entretanto, navios podem inadvertidamente ser acelerados para essa condição se operarem em mar de polpa de comprimento de onda significativo e se a sua velocidade inicial em Águas Cauvas exceder ao de 0.25, levando ao trabalho do Goodreach.

Trabalho de Goodreach

Goodreach mostrou a grande faixa de comprimentos de onda nos quais o modelo era carregado na velocidade da crista de(mar de popa).

Análise Gráfica

O plota a velocidade da onda em função da velocidade do navio.

• Overtake in seeds: Velocidade da onda é grande e a velocidade do navio é pequena.

• **: Velocidade da onda é pequena e a velocidade do navio é grande.

Em ambos os casos, temos amplitude de. No semstaffic case, não há amplitude, pois o navio está sempre surfando a onda em A = 0.25.

Aceleração pelas Ondas

Goodreich observou uma amplitude de significativa com a velocidade média próxima da velocidade em Águas calmas, tanto nas ondas curtas correspondentes ao quanto nas ondas longas correspondentes ao overtake em sies. Quando o range do comprimento de onda era tal que a razão entre o comprimento de onda e o comprimento do modelo ficava entre 0.25 e 2.4, a amplitude de é 0 e o modelo era acelerado pelas ondas para a velocidade das ondas.

Importância do Estudo

É crucial estudar force tibing in astern seas porque num grande de comprimento de ondas, as ondas carregam o modelo/navio numa velocidade maior do que sua velocidade em aulas calmas, independentemente da potência entregue pelos propulsores. Quando o navio está surfando na onda, ele fica permanentemente nessa região de instabilidade, porque a frequência de encontro passa a ser 0. A consequência é o grande risco de ocorrência de brotinho.

Análise da Figura 92

Analisa viajando no caso semhistático, posicionado em várias posições do perfil de onda. Nesse estudo, a relação LW/L foi de 2. O gráfico exibe os valores do desvio de pro aluno desejado, requeridos para se manter o equilíbrio estático em função da posição do no perfil da onda. O desvio de heading é maior quando a Pro está num cavado do que quando a Pro está numa crista.

Conclusão da Análise

1. Há uma grande chance de pra qualquer navio cuja proa esteja no cavado de uma onda, cujo comprimento de onda seja maior que 0.5 vezes o comprimento do navio, caso o navio esteja com a mesma velocidade da onda, mesmo que ele esteja com os controles trabalhando.

2. A probabilidade de broading na situação acima aumenta na medida em que a altura da onda aumenta.

3. Pode-se reduzir o risco de broading aumentando a área dos fins da ré, melhorando a Smooth Water complyph fixt stability.

Análise Adicional

A figura 23 coloca o a nas abcissas e o nas ordenadas. O também está definido pela letra mi. A figura mostra regiões de instabilidade e regiões de estabilidade. As figuras 92 e 93 dizem respeito ao modelo viajando com controles fixos.

A introdução de sensibilidade a esse ponto no piloto automático não reduz significativamente as regiões de instabilidade. Aumentar o do produto automático não aumenta significativamente a região de instabilidade.

Estabilidade com Controles Fixos

Foi realizado estudo para saber se as posições de equilíbrio estático da figura 92 seriam estáveis ou instáveis com controles fixos. Os resultados confirmam que, com a prova no cavado, o navio é instável. Quando a prova está na crista, o navio pode ser estável.

Considerações Importantes

• Mesmo que o navio tenha alta smooth Water control fixted stability, ele se tornará instável em ondas largas (compridas), cuja relação LW/L seja maior que 0.5 na posição do a igual a 0.5.

• Navios instáveis em águas calmas podem se tornar estáveis em ondas longas quando a prova estiver perto da crista.

• Quando LW/L é maior que 0.5, navio estável em águas calmas é necessariamente instável nessa região da dó, com a aproximadamente igual a 0.25. O navio instável em Águas calmas pode ser estável nessa outra região da onda.

Movimentos no Plano Horizontal

Os movimentos dos nativos no plano horizontal e Oasway search não possuem uma frequência natural. Portanto, os efeitos da frequência de encontro sobre esses movimentos são completamente diferentes dos efeitos de (que está no plano vertical e possui frequência natural).

Figura 94 e Resultados

Apresenta os resultados obtidos a 15 e 30 graus de Marte poupa, plotados em função da velocidade e da frequência de encontro, onde LW é igual a L.

• Ordenadas: PCA (desvio de PROA)

• Abcissas: Velocidade (Fruitmander) e frequência de encontro

Notem que quando a velocidade do navio sobe, a frequência de encontro cai, portanto estamos falando da situação de overtacking seeds.

Conclusões da Figura 94

Quando a frequência de encontro é alta (2 para cima), a diferença entre os movimentos oscilatórios de e é insignificante a despeito dos movimentos de Leme. Nas frequências de encontro de 9 até 2, as curvas de navios governados e não governados são sobrepostas. A força de Leme é muito pequena comparada à excitação da onda e à inércia do navio. Mas nessa situação os desvios de ó são pequenos para ambos os navios (governado e não governado).

Quando a frequência de encontro é pequena (2 pra baixo), o navio está se aproximando da velocidade da onda e o movimento de io do navio não governado aumenta muito. Nessa região, a vantagem de se governar é clara.

Quando o comprimento de onda diminui para menos do que comprimento de navio, diminui muito, como visto no estudo do EDA (com de 30 graus, a amplitude de vai a quase 0, quando l w é igual a 0.5 de l).

Então, a conclusão é que quando a frequência de encontro é pequena, a estabilidade do navio melhora bastante com a introdução de sistema de controle.

Próximos Bullet Points

Os próximos bullet points são menos relevantes porque eles prestam muito sobre a regulagem de piloto automático.

Navio navegando com ar de poba, na mesma velocidade da onda, consegue 1 melhoria significativa na estabilidade, aumento da Ruther Force Rate / o (que pode ser refletido mais rapidamente).

Se a frequência de encontro for relativamente alta, o tamanho do leme é praticamente irrelevante, tanto para navios governados, quanto para navios não governados, assim como o piloto automático e o timoneiro são irrelevantes.

Trabalho de SulAN

Não traz muitas novidades. Ele estudou o programa de Corp Speed Inproaching no Semesthetic Case. Ficou evidente que a dificuldade de se governar e o perigo de é causada pela Dinamic Force Estability. Navio instável em Águas calmas, fica mais perigoso do que navio estável em Águas calmas, quando eles pegam 1 cúpula ou polpa.

Todo navio não governado vai ser instável em algum lugar aqui dessa rampa da honra.

Pode-se obter uma redução do risco de broacing e o aumento da cortes stability isboff Water. Entretanto, ninguém especificou quanto de seria suficiente ou então valor ótimo de Alguns autores afirmam que bom sistema de controle pode superar a instabilidade até nas ondas. E o Swan também considerou que as características do piloto automático são muito importantes.

Assim, finalizamos a sessão 12: Effects of the Environment.