MMPH · Cap.8 A Ação das Forças Externas Ambientais sobre o Navio — A Manobrabilidade do Navio no Séc. XXI (Santos)

Quais sãoTrês forças externas: vento, corrente e onda. Análise complexa e específica de cada navio.

Regra geral do capítulo: quanto menor a quantidade de movimento do navio, maior o efeito das forças ambientais. Por isso importa na baixa velocidade da manobra portuária.

Efeito pode ser desvantajoso ou, bem aproveitado, virar aliado de quem manobra.
Prático/comandante se antecipam: compensam ângulo de ataque/abatimento na asa-casco com a manobra de caranguejar (crabbing).
Usam os valores prevalecentes das forças para dimensionar a tração estática (bollard pull) dos rebocadores.

Método mais precisoEnsaios com modelos em escala reduzida. A força resultante é decomposta nos eixos do navio, gerando os coeficientes adimensionais de força e momento, válidos para navios de geometria similar. Para vento e corrente, só as componentes no plano horizontal.

Força aerodinâmicaMesmo em mar calmo e sem vento, o navio em movimento sente força aerodinâmica (o ar parado é atravessado pelo casco acima d'água). Perto do mar a velocidade do vento cai muito: é a camada-limite atmosférica.

Vento	Símbolo	O que é
Verdadeiro	V_TW	De causas naturais, existe no ponto com ou sem o navio. O "zero" é o ar parado (still air).
Relativo / aparente	V_AW	Soma vetorial do vento verdadeiro com a velocidade do navio V_S. É o que de fato incide sobre o casco.

**Fig. 144** — Relacao entre o vento verdadeiro e o aparente

Correção de altura (camada-limite)

PIANCCorrigir tomando a medição a 10 metros como referência, por lei de potência de expoente n.

V_z = V₁₀·(z/10)^1/n › n = 5 (fraco), 7 (moderado), 10 (forte)

**Fig. 142** — Velocidade relativa do ar empregada no calculo das forcas aerodinamicas

Na prática adota-se n = 7, como recomenda a OCIMF (associável à escala Beaufort).

Perto da água o vento verdadeiro é pequeno e domina a velocidade do navio; subindo, o vento verdadeiro cresce e passa a dominar. Referência em navios = altura média da projeção lateral do casco (velocidade abreviada V_w).

**Fig. 143** — Camada-limite do vento junto a superficie do mar

Quando pesaCresce na baixa velocidade, canal restrito, atracação/desatracação — sobretudo em navios de grande área vélica: contêineros, ro-ro, graneleiros/petroleiros em lastro, passageiros. Em muitos portos é o principal fator ambiental.

Duas regras antigas que NÃO valem mais como gerais: (1) seguir reto caranguejando se razão vento/navio ≤ 10 (só valia p/ Liberty/Victory da 2ª Guerra, em águas profundas); (2) navio com superestrutura a ré e sem carga sempre orça ao vento — graneleiros/petroleiros em lastro arribam com vento pela bochecha quando parados ou muito lentos.

Origem da forçaQuase só a diferença de pressão de vorticidades (baixa pressão) que se desprendem nos cantos do casco. Os pontos de separação não dependem do número de Reynolds → forças e momentos do vento independem do número de Reynolds, logo os coeficientes de túnel de vento valem em escala real (navios geossimilares).

Fórmulas gerais (coeficientes adimensionais)

X_w = ½·ρ_ar·C_Xw·A_T·V_w² › Y_w = ½·ρ_ar·C_Yw·A_L·V_w² › N_w = ½·ρ_ar·C_Nw·A_L·L·V_w²

X_w = força longitudinal (surge); Y_w = lateral (sway); N_w = momento em guinada (yaw).
Força longitudinal usa área transversal A_T; força lateral e momento usam área longitudinal A_L.

**Fig. 145** — Area velica (em cinza) de um navio de passageiros

EscopoPetroleiros/graneleiros de 16.000 a 500.000 TPB, sem carga no convés e superestrutura a ré. Publicações OCIMF (VLCCs / Mooring Equipment Guidelines), recomendadas por MSC e FAL da IMO.

Convenção OCIMFVento contado de zero na popa, p/ BE ou BB, até 180° na proa.

Regra do sinal do momento (OCIMF): coeficiente negativo → o navio orça (contra o vento); positivo → arriba (a favor) — independe de BE ou BB.

Coef.	Comportamento (alvo de prova)
C_Xw longitudinal	Positivo = tendência a vante. Em lastro com proa cheia (em U) e vento entre alheta e través → tende a vante (contraintuitivo), pela baixa pressão dos grandes vórtices. Com proa fina (em V) o efeito não aparece.
C_Yw lateral	Mais intuitivo: abatimento no mesmo sentido do vento. Coef. e força maiores em lastro (coef. maior + área projetada maior).
C_Nw momento	Carregado: sempre orça ao vento, qualquer ângulo, exceto exatamente pela proa/popa. Em lastro parado: entre proa e ~10° antes do través → arriba; demais ângulos orça.

**Fig. 146** — Convencao de sinais OCIMF do vento

Coeficientes levantados com o navio parado e águas parelhas. Cuidado de parada: em lastro de proa cheia com vento aparente de través, dificulta parar.

**Fig. 147** — Proa fina (em V) e proa cheia (em U) de petroleiros

**Fig. 148** — Coeficiente longitudinal do vento Cxw - petroleiro

**Fig. 149** — Coeficiente de forca lateral do vento Cyw - petroleiro

**Fig. 150** — Coeficiente de momento em yaw do vento CNw - petroleiro

Dois tiposTanques esféricos e tanques prismáticos. Coeficientes obtidos como os do petroleiro, navio parado.

Longitudinal: leve tendência a vante com vento de través; o de tanque esférico é mais empurrado por vento de ré/alhetas e tem mais dificuldade para parar.
Lateral: os dois tipos diferem pouco entre si, mas com coeficientes maiores que o petroleiro em lastro: ~20% maior no esférico e ~10% maior no prismático.
Momento (yaw): sinal oposto ao do petroleiro em lastro. Parados: orçam com vento pelas bochechas e arribam com vento pelas alhetas. No prismático, o momento de bochecha chega a quase o dobro do de alheta.

**Fig. 151-152** — Gaseiros de tanques esfericos e de tanques prismaticos

Com velocidade, tendem a arribar com vento verdadeiro entre bochecha e alheta (o aparente fica quase de través).

**Fig. 153** — Coeficiente longitudinal do vento Cxw - gaseiros

**Fig. 154** — Coeficiente de forca lateral do vento Cyw - gaseiros

**Fig. 155** — Coeficiente de momento em yaw do vento CNw - gaseiros

OrigemProf. Werner Blendermann (Hamburgo, anos 1990) ensaiou em túnel série de mercantes atuais. Publicado em Resistance and Flow (SNAME); diretriz para superestruturas modernas, inclusive offshore.

Convenção SNAMEDifere da OCIMF: vento de zero na proa até 180° na popa. A leitura do sinal é a mesma: negativo orça, positivo arriba.

**Fig. 156** — Convencao de sinais SNAME do vento

Padrão que se repete: os maiores momentos de guinada aparecem com vento pelas alhetas ou bochechas (em geral maior pela alheta). Com velocidade, o aparente tende ao través.

Navio (parado/lento)	Orça / arriba no través
Ro-Ro	orça ao vento; alheta dificulta parar/ré
Contêinero carga plena	orça ao vento; sem tendência avante/ré
Petroleiro carregado	sempre orça (exceto 0°/180°); maior momento pela bochecha
Petroleiro em lastro	orça entre popa e pouco avante do través; arriba entre proa e pouco antes do través
Offshore de apoio	tende a arribar; coef. quase constante até ~30° da proa/popa (bom p/ DP)
Navio-sonda	orça com vento de alheta; arriba com vento de bochecha

**Fig. 157** — Tabela de caracteristicas dos navios de Blendermann

**Fig. 158** — Coeficiente de momento CN do vento - Ro-Ro (SNAME)

**Fig. 159** — Coeficientes Cx, Cy e CN do vento - conteinero carga plena

**Fig. 162** — Coeficiente de momento CN do vento - cargueiro multiproposito

**Fig. 163** — Coeficientes Cx, Cy e CN do vento - petroleiro carregado (SNAME)

**Fig. 164** — Coeficientes Cx, Cy e CN do vento - petroleiro em lastro (SNAME)

**Fig. 165** — Coeficientes do vento - ferry de porte reduzido

**Fig. 166** — Coeficientes do vento - embarcacao offshore de abastecimento I (PSV)

**Fig. 167** — Coeficientes do vento - embarcacao offshore de abastecimento II

**Fig. 168** — Coeficientes do vento - navio-sonda / drillship

Lição: não há regra geral para o comportamento do navio ao vento — muitas vezes contraintuitivo. Conhecer os coeficientes é fundamental para planejar a manobra e posicionar os rebocadores.

**Fig. 160** — Coeficientes do vento - conteinero II (carga crescente para a re / meia carga)

**Fig. 161** — Coeficientes do vento - conteinero III sem carga no conves

Efeito da rajada (§8.2.2.4)

PIANC rel. 117Na atracação/desatracação, multiplica-se a força média por um fator de rajada que depende da duração. Duração representativa (tempo de resposta do navio) = 30 segundos → fator de rajada de cerca de 1,38.

**Fig. 169** — Variacao no tempo da pressao dinamica do vento (rajada)

Técnica de caranguejar (crabbing) (§8.2.2.5)

Com razão vento/navio moderada: manter trajetória com ângulo de deriva controlado e leme fixo que estabiliza as forças → estabilidade em linha reta.
Método japonês (PIANC rel. 121): boca virtual W_WF = L_OA·sen β + B·cos β em função do ângulo de deriva β.
Sem coeficientes de túnel: regressão de Yamano e Saito; MLIT dá tabelas de leme δ e deriva β por tipo de navio.

Exemplo (contêinero pós-Panamax, razão de profundidade 1,2, 5 nós ≈4,1 m/s, vento relativo 25 nós ≈15,43 m/s a 75°): o ideal é o ângulo de deriva ~5°; acima disso, em baixa velocidade, desestabiliza o casco mesmo com todo o leme (arrasto vira parasita).

Recomendações sobre o vento (§8.2.2.6)

A força cresce com o quadrado da velocidade relativa: triplicar a velocidade do vento multiplica a força por nove; de 10 para 30 nós pode aumentar mais de dez vezes com rajadas.

**Fig. 170** — Caranguejar: equilibrio de forcas e estabilidade em linha reta

Em dúvida sobre a ação do vento, abortar a manobra é preferível a arriscar acidente.

**Fig. 172** — Tabela de coeficientes de regressao da forca do vento (Yamano e Saito)

Dispor rebocadores considerando não só o abatimento lateral, mas o momento de guinada.
Com o navio em velocidade, o vento achata a curva de giro e aumenta o diâmetro tático.

**Fig. 171** — Boca virtual em funcao do angulo de deriva (metodo japones)

**Fig. 175** — Trajetoria do giro do navio sob acao da forca do vento

Diferença-chave vs ventoCom velocidade moderada/alta, o ângulo de incidência da corrente é sempre pequeno (< 25°) — o navio supera a corrente. Bem diferente do vento, que fica de través.

Em baixa velocidade e ângulo > ~30°: forças passam a escoamento cruzado (cross flow), comportamento quadrático; com navio lento o ângulo prevalecente fica ~90°.
Mar aberto/profundo: correntes fracas, pouca interferência. Águas rasas/restritas/canais (curvas): altas intensidades, gradientes e circulações que prejudicam o governo.

Forças da corrente (§8.3.1)

F_Xc = ½·ρ·L_PP·T·V_c²·C_Xc › F_Yc = ½·ρ·L_PP·T·V_c²·C_Yc › N_c = ½·ρ·L_PP²·T·V_c²·C_Nc

Iguais às do vento, trocando ar por água e as áreas vélicas pelo produto L_PP·T. Efeito muito forte da folga abaixo da quilha; determinados em tanque de prova.

Velocidade média sobre o calado considera o gradiente da camada-limite do fundo (z contado da quilha p/ cima). Ex. OCIMF: corrente 2 nós (1,03 m/s) medida a 30% do calado, razão 1,1 → fator 0,95.

**Fig. 176** — Distribuicao da velocidade da corrente em funcao do calado

**Fig. 177** — Fator de correcao da velocidade da corrente (grafico OCIMF)

Todos os coeficientes de corrente variam muito com a razão de profundidade — mudam conforme o fundo se aproxima.

C_Xc longitudinal (§8.3.2.1)

Razão prof.	Comportamento
> 4,4 (águas profundas)	coef. constante; corrente entre bochecha e través dá grande força a vante, maior que a de popa (contraintuitivo).
1,5 (entra em rasas)	grande variação, tendência geral a vante (maior na proa cheia). Ao girar em bacia, práticos controlam com máquinas a ré.
1,2 / 1,1	oscilações amplificadas; proa cheia mantém tendência a vante.

**Fig. 178** — Coeficiente longitudinal da corrente Cxc - razao de profundidade > 4,4

Alerta operacional (razão 1,2, alvo de prova): corrente a ~30° pela proa → forte tendência a vante, cerca de 4 a 5 vezes maior que a de popa, e a inversão ocorre com só 10° de variação. Atracar/desatracar paralelo ao cais, sem angulação, com rebocadores puxa-empurra (Hensen).

**Fig. 180** — Coeficiente longitudinal da corrente Cxc - razao 1,5

C_Yc lateral (§8.3.2.2)

SensibilidadeMínimo em razão ≥ 6 (águas profundas), máximo em 1,05. Máxima no través. Aumento muito acentuado em águas rasas, mesmo com corrente a pequenos ângulos (ex. OCIMF: 2 nós a apenas 5° da proa).

C_Nc momento em yaw (§8.3.2.3)

Cresce quando a razão de profundidade diminui. Carregado: guina contra corrente de través e entre proa e través; guina a favor entre popa e pouco antes do través.
Ângulo neutro (carregado, razões 6 a 1,1): ~10° do través p/ ré; em razão 1,05 fica ~20°.
Em lastro: momentos menores; ângulo neutro ~15° do través p/ ré (razões 4,4 a 1,5), no próprio través em 1,05 e 1,1.

Lição geral: comportamento extremamente complexo e não linear; cada navio tem curvas únicas. Simuladores são ótimos para avaliar.

Dois movimentosUm oscilatório (afeta os seis graus de liberdade) e um de deriva/abatimento não oscilatório (afeta os três graus do plano horizontal, como corrente/vento constante).

Ressonância: se o período dominante das ondas se aproxima do período natural, os movimentos se amplificam. No plano horizontal (surge, sway, yaw) não há forças restauradoras.
Resposta cresce com a altura da onda e diminui com o comprimento do navio; máxima quando o comprimento da onda iguala o do navio.
Ondas de período < 6 s → pouca resposta em navios > 100 m (período natural 10 a 17 s em águas profundas).

Força de 1ª e 2ª ordem (§8.4.1)

Força	Proporcional a	Característica
1ª ordem	amplitude da onda	oscila na frequência de encontro; média zero; gera as oscilações.
2ª ordem (deriva)	amplitude²	menor, baixa frequência, média diferente de zero — é a força de deriva, destacada em surge, sway e yaw.

Erro de interpretação (risco de acidente): supor que, por a 1ª ordem ter média zero, o navio não abateria. Errado — o navio abate pela força de 2ª ordem, não oscilatória. Funciona como um quebra-mar flutuante.

Forças de 2ª ordem (baixa frequência) são as mais importantes para manobra em baixa velocidade ou parado (V=0) — a praticagem e os canais de acesso. As de 1ª ordem vêm de RAOs; as de 2ª usam a aproximação de Newman (programas como WAMIT).

NavioPetroleiro/graneleiro handymax Romulo Almeida, navio-tipo do CIAGA; RAOs e deriva calculados no WAMIT pela Technomar.

Particularidade	Carregado	Em lastro
LOA (m)	190,0	190,0
Calado (m)	12,0	7,5
Deslocamento (t)	60.660	35.190
GM (m)	1,7	5,1
T. natural de roll (s)	18,30	11,21
T. natural de pitch (s)	9,15	7,64

**Fig. 190** — Petroleiro/graneleiro handymax Romulo Almeida

RAOs — resposta por metro de onda (§8.4.2.2)

Máximos: surge 1,64 m/m; sway 1,00 m/m; heave 1,10 m/m; roll 6,43 °/m (90° / 16,8 s); pitch 0,92 °/m; yaw 0,49 °/m.
Os períodos de ressonância diferem por grau de liberdade → os máximos verticais nunca se somam no mesmo instante (bom p/ segurança).
Período < 6 s: resposta vertical de navio grande é insignificante → na entrada de canal dá p/ desconsiderar a margem de onda da FAQ, desde que se monitore o período (garantir que não haja swell junto).

**Fig. 197** — RAO do movimento de surge

Forças de 2ª ordem — deriva (§8.4.2.3)

Ordem de grandeza que não se despreza: período 5 s (onda local), onda de apenas H_s = 2 m pelo través → deriva lateral de cerca de 90 toneladas-força (sway 868,2 kN). Com ondas longas (período > 20 s) a deriva média some.

Cada navio tem sua impressão digital hidrodinâmica, válida só para geometrias similares, na mesma frequência de encontro e mesmo padrão de ondas.

**Fig. 198** — RAO do movimento de sway (e roll no mesmo quadro)