1. Visão geral e a classificação de águas rasas
Quando o navio passa a navegar em águas rasas, o comportamento dinâmico muda muito: a magnitude das forças hidrodinâmicas se altera, e quanto mais raso for o trecho, mais forte é o efeito. O assunto deste capítulo é a água rasa mas limpa — a via de acesso que é pouco profunda porém sem paredes nem margens próximas, condição chamada de fairway. A água rasa com restrição lateral (canal estreito, interações com o fundo e as margens) é tratada no capítulo seguinte.
Tudo neste capítulo gira em torno de um único parâmetro: a razão de profundidade $h/T$, isto é, a profundidade da água dividida pelo calado do navio. É ela que mede o quanto o fundo está "perto" e governa a intensidade de cada efeito.
1.1 A classificação por razão de profundidade (§9.1)
Para a SNAME, do ponto de vista da manobra, razões de profundidade/calado de três para baixo já constituem águas rasas; acima disso os efeitos vão sumindo à medida que a água fica mais funda. A classificação detalhada é a da PIANC, que subdivide a faixa em quatro:
O interesse pelo controle do navio em águas rasas cresceu com o aumento do porte das embarcações. E há um limite operacional duro: pela recomendação mais recente da PIANC, a folga abaixo da quilha (FAQ) não deve ser menor que 5% em baixas velocidades, para garantir margem de manobrabilidade — uma margem que, na prática de quem manobra, já é reconhecidamente pequena.
Fonte: SANTOS, E. M. dos. A Manobrabilidade do Navio no Século 21. Rio de Janeiro: CONAPRA, 2021. Cap. 9 — Efeitos de Águas Rasas.
Edital: Anexo 2-A, item I.8.11 (Efeitos de águas rasas) · Anexo 2-B, item I.8, Cap. 9 (Santos).
2. Os sinais a bordo de que o navio está em águas rasas (§9.2)
Em águas rasas a água que passa por baixo do casco precisa acelerar mais do que em águas profundas. Isso reduz a pressão sob o navio e aumenta o afundamento e o trim, alterando as forças de inércia, de sustentação e de arrasto, o empuxo do propulsor e a força do leme. Esse conjunto de mudanças aparece para quem está a bordo como uma lista de sinais reconhecíveis:
| # | Sinal presenciado a bordo |
|---|---|
| a | As respostas do navio às ações de controle ficam mais lentas. |
| b | Os indicadores de calado mudam de leitura nas extremidades de vante e de ré. |
| c | A RPM do propulsor cai — quedas de até 15% são comuns nas razões mais baixas. |
| d | A velocidade do navio cai, podendo chegar a uma queda de 30% nas razões mais baixas. |
| e | O navio pode começar a vibrar de repente: surgem novas frequências ressonantes do casco e do propulsor. |
| f | Os movimentos oscilatórios em ondas ficam reduzidos. |
| g | Em fundos lamosos, a lama pode aparecer de repente na superfície, junto à descarga do propulsor. |
| h | O diâmetro tático da curva de giro pode aumentar até 100% (praticamente dobrar). |
| i | Em geral aumentam a distância e o tempo de parada — mas não em todos os navios; depende da razão de profundidade, da potência a ré e da velocidade inicial. |
| j | A eficiência do leme costuma diminuir nas razões muito baixas. |
| k | O navio quebra a guinada com mais facilidade; os overshoots do zigue-zague ficam menores que em águas profundas. |
| l | Há mais dificuldade para fazer uma curva fechada se a velocidade não for baixa. |
| m | A força lateral do propulsor e o momento que ela induz aumentam — tanto a vante quanto a ré. |
| n | A onda irradiada, sobretudo na proa, fica mais alta do que à mesma velocidade em águas profundas. |
3. O estudo-marco: as provas em escala real do Esso Osaka (§9.3)
Por muito tempo o desempenho em águas rasas só era conhecido por relatos de práticos e comandantes — dados muitas vezes conflitantes e sem validação, e difíceis de extrapolar de modelos em escala reduzida. Isso mudou em 1977, no Golfo do México, com os primeiros testes de manobra em escala real em águas rasas, feitos com o petroleiro Esso Osaka (278 mil TPB).
O programa foi patrocinado pelo governo americano (a administração marítima MARAD e a guarda costeira), pelo AIMS e pela Exxon, com gerência técnica do Laboratório Davidson e coordenação do pesquisador Lincoln Crane Jr., assistido pelo comandante G. Gomes. Os resultados saíram em 1979 e cobriram três razões de profundidade: 1,2, 1,5 e 4,2. Eles uniram indústria e governo num resultado que melhorou a segurança da navegação.
3.1 Curva de giro, governo e estabilidade
Os números do giro mostraram o quanto a profundidade pesa. Na razão 1,2 o diâmetro tático aumentou até 75% em relação a águas profundas; já na razão 1,5 o aumento ficou abaixo de 20%.
A capacidade de quebrar a guinada e manter o rumo se comportou de forma curiosa: foi reduzida na razão 1,5, mas aumentada na razão 1,2, observada num zigue-zague com a máquina parada (em coasting).
Esse resultado denunciava uma considerável instabilidade dinâmica inerente justamente na razão 1,5, que prejudicava o governo — confirmada pela curva espiral em escala real.
3.2 A parada e o controle do aproamento
Na manobra de parada em baixa velocidade, o principal efeito de águas rasas foi o aumento do desvio de aproamento para boreste até o navio parar — um desvio que chegou a cerca de 90 graus na razão 1,2.
A causa é mecânica e vale memorizar: com a máquina atrás, a força lateral do propulsor predomina sobre a do leme e gera um ângulo de deriva do casco para bombordo, o que joga o aproamento para boreste. Como esperado, o controle do leme se perdeu com a máquina atrás. Entre as razões 1,5 e 1,2, a distância de parada ficou praticamente independente da profundidade.
Dá para controlar a trajetória da parada. Numa parada "controlada", em que manter o aproamento tem prioridade sobre a distância e o leme trabalha junto com a RPM, o aproamento se mantém quase constante — mas ao custo de uma distância de parada cerca de três vezes maior que a obtida só com máquina atrás.
Para Crane, talvez a principal descoberta dos testes em termos de segurança tenha sido esta: quando as forças ambientais não têm forte influência, o controle do aproamento pode ser mantido nas três razões de profundidade mesmo a velocidades tão baixas quanto 1,5 nó, com a máquina parada, usando pequenas palhetadas a vante (kicking ahead) e ação corretiva de leme — algo que práticos experientes já sabiam.
3.3 Como girar e o zigue-zague de emergência
Outra confirmação foi a regra prática para curvar em águas rasas: reduzir a velocidade ao valor mínimo seguro e, então, acelerar para ganhar controlabilidade — valendo tanto para águas rasas quanto meio rasas.
Os testes também verificaram a possibilidade de executar um zigue-zague com a máquina parada — importante em caso de falha momentânea da máquina. O último traçado do navio em coasting corresponde ao instante em que ele já não atendia mais ao leme.
5. As forças hidrodinâmicas da asa-casco em águas rasas (§9.5)
Em águas rasas o campo de pressões em torno da asa-casco muda, e com ele as características de manobra. A explicação para o navio ficar mais lerdo (sluggish), sempre notada por práticos, está na reação do fluido à aceleração e desaceleração do navio, que é maior em águas rasas: a massa e o momento de inércia adicionais chegam a aumentar de quatro a cinco vezes os valores de águas profundas.
O ângulo de deriva tem forte influência na força lateral e no momento em yaw. Bogdanov e colaboradores (1987) reduziram bastante a razão de profundidade num casco semelhante ao Esso Osaka, a 7,2 nós (número de Froude de 0,0655), e mediram a força lateral em função da deriva.
5.1 Por que a força lateral e o momento crescem tanto
A explicação está em tratar o casco como uma asa de baixa razão de aspecto perto do fundo. Pela teoria do corpo duplo, em águas profundas a razão de aspecto efetiva vale $2T/L$, o que basta para não haver escoamento cruzado junto à superfície livre. Quando a razão $h/T$ se aproxima de 1, surge a mesma condição de "sem escoamento cruzado", agora junto ao fundo. O resultado é que as forças que dependem dos termos lineares de velocidade crescem muito, enquanto as de cross flow (quadráticas) ficam para trás.
Por isso, tanto a força lateral quanto o momento em yaw de um navio em velocidade constante aumentam de forma significativa em águas rasas — um aumento que se traduz em derivadas lineares hidrodinâmicas mais intensas. Hirano e Takashina mostraram isso em ensaios com modelos de um petroleiro, um gaseiro e um ro-ro.
5.2 A efetividade do leme em águas rasas
Aqui há outra sutileza importante. Em águas rasas as forças geradas na própria asa-leme até ficam maiores, mas isso não se traduz em mais eficiência para guinar. O ponto de aplicação da força do leme, que em águas profundas fica bem a ré, caminha para a frente por causa dos efeitos de interação — saindo da posição geométrica do leme e diminuindo o momento que ele gera (demonstrado por F. Hess em 1977).
Hess analisou ainda a influência da profundidade no coeficiente de sustentação do leme e no momento em yaw que ele induz no casco, em três condições de fluxo: só com a esteira do casco ($p=-0{,}3$), sem esteira e sem propulsor ($p=0$), e na descarga do propulsor ($p=0{,}4$).
6. Métodos empíricos para os coeficientes em águas rasas (§9.6)
A recomendação da PIANC para estimar os coeficientes hidrodinâmicos em águas rasas é fazer testes em tanque (ou usar dados já existentes) para várias razões $h/T$. Quando se trabalha com navios-padrão conhecidos, porém, há metodologias empíricas que dão a razão entre os coeficientes em águas profundas e em águas rasas. O livro apresenta duas, como exemplo.
6.1 O método de Ankudinov
Em 1997, Vladimir Ankudinov mostrou que os coeficientes lineares do casco em sway e em yaw podem ser corrigidos para águas rasas por técnicas de regressão, com termos identificados pelo subscrito sw (de shallow water). A correção é função da boca $B$, do coeficiente de bloco $C_B$ e do comprimento $L$ do navio. As formas fechadas dessas regressões aparecem como imagens no livro; aqui se preserva o significado (entradas e finalidade) sem reescrever a equação. ✎
6.2 O método de Hirano e Takashina
Hirano, Takashina e colaboradores propuseram um caminho relativamente simples: estimar as derivadas lineares em águas rasas a partir das de águas profundas usando uma "efetiva razão de aspecto do navio". O coeficiente de ajuste pode ser obtido em ensaio, mas há valores de referência propostos a partir de cascos de um petroleiro, um gaseiro, um ro-ro e um contêinero:
| Derivada | Valor de referência do coeficiente $\lambda$ |
|---|---|
| Força lateral por velocidade lateral ($Y_v'$) | $\lambda = 2{,}3$ |
| Momento em yaw por velocidade lateral ($N_v'$) | $\lambda = 1{,}7$ |
| Momento em yaw por velocidade de guinada ($N_r'$) | $\lambda = 0{,}7$ |
Com esse método obtêm-se as derivadas adimensionais de força lateral e momento em yaw, primeiro em função da velocidade lateral $v$ e depois em função da velocidade de guinada $r$.
7. O efeito squat e a teoria de Tuck (§9.7–9.7.1)
O squat é a mudança na posição vertical do navio quando em movimento. Ele ocorre em águas profundas e é amplificado em águas rasas, porque o campo de pressão ao redor do casco muda. De modo geral combina um afundamento total com uma mudança dinâmica de trim: tanto a proa quanto a popa afundam mais conforme a velocidade aumenta, mas em quantidades diferentes.
7.1 Onde ocorre o squat máximo — proa ou popa
Em navios mercantes o afundamento máximo costuma se dar na proa, sobretudo nas formas cheias (petroleiros e graneleiros); nas formas mais finas (navios de passageiros e pequenos contêineros) o máximo às vezes ocorre pela popa.
Grandes navios podem ter afundamento de 1 a 2 metros na proa ou na popa a velocidades altas — o suficiente para o casco tocar o fundo numa transição abrupta para águas muito rasas.
7.2 O número de Froude de profundidade
Até cerca de 1960 o squat era praticamente ignorado: não havia referência vertical fixa para medir o afundamento de um navio em movimento, e a própria superfície livre ao redor do casco, puxada para baixo, enganava o observador. Os primeiros estudos foram de Fritz Horn (modelo em escala reduzida, Berlim, 1937) e de Havelock (cálculo por teoria potencial, 1939). Com os superpetroleiros e os contêineros rápidos, o squat cresceu e passou a importar.
O parâmetro-chave em águas rasas é o número de Froude de profundidade:
$V$ é a velocidade do navio, $g$ a aceleração da gravidade e $h$ a profundidade. $F_h$ expressa a velocidade do navio como fração da velocidade crítica $\sqrt{g\,h}$ — a máxima velocidade de propagação de uma perturbação na superfície de água rasa.
Como a resistência cresce muito quando $F_h$ se aproxima de 1, os navios convencionais de deslocamento não têm potência para passar de cerca de $F_h = 0{,}6$ (navios-tanque) ou $0{,}7$ (contêineros). A maioria das fórmulas empíricas de squat exige $F_h < 0{,}7$, e em todos os casos $F_h$ tem de satisfazer $F_h < 1$ — uma barreira efetiva de velocidade.
7.3 A fórmula universal de Tuck
Entre 1966 e 1967, Ernest Tuck conduziu a pesquisa que se tornou a base de tudo o que veio depois. Ele derivou expressões para as forças verticais e os momentos de pitch sobre o navio, separando dois regimes: o subcrítico ($F_h < 1$) e o supercrítico ($F_h > 1$).
O método assume escoamento incompressível, invíscido e irrotacional (o navio opera a número de Reynolds altíssimo, da ordem de $10^9$, e é um corpo esbelto em forma de asa, com camada-limite fina). Sob essas hipóteses vale a teoria potencial, com o potencial de velocidades satisfazendo a equação de Laplace. Da análise dimensional Tuck chegou à forma conhecida até hoje como fórmula universal do squat, com coeficientes de afundamento e de trim baseados nas características do casco e um termo $\dfrac{F_h^{2}}{\sqrt{1-F_h^{2}}}$ ligado à velocidade crítica, que cresce sem limite quando $F_h \to 1$ — a barreira de velocidade das águas rasas.
8. Os métodos empíricos de estima do squat (§9.7.2)
A partir da formulação de Tuck surgiram muitos métodos para estimar o squat — todos para águas rasas sem restrição lateral (fairway).
| Método (ano) | O que o caracteriza |
|---|---|
| Tuck simplificado (1966) | Versão reduzida da fórmula universal para uso prático; usa um coeficiente de forma de Tuck, com valor típico $C_1 = 0{,}02$. Dá o squat pela proa. |
| Hooft (1974) | Relatório técnico para a Nasa; emprega uma constante típica de $1{,}96$ (que varia de 1,9 a 2,03 conforme o casco). Não indicava como validar nem até que $F_h$ valeria. |
| Huuska e Guliev (1976) | Aperfeiçoam Hooft; acrescentam um fator de correção para o canal trapezoidal ($K_s = s_1 + 0{,}76$, com $s_1 = 0{,}03$). |
| Eryuzlu e Hausser (Eryuzlu I) (1978) | Validada com modelos autopropelidos de grandes petroleiros carregados. |
| ICORELS (1980) | Padrão da ICORELS, similar a Hooft com o aperfeiçoamento de Huuska e Guliev; coeficiente $C_s = 2{,}4$ para formas cheias, reduzido a até 1,75 para esbeltos (PIANC, 1997); a FHR achou $C_s \ge 2{,}0$ para contêineros modernos. |
| Barrass I (1979–81) | Usa velocidade em nós, coeficiente de bloco, a área da seção transversal ($A_s = B\,T$) e uma "largura de influência" $w_{eff}$; introduz o coeficiente do plano de flutuação. |
| Norrbin (1986) | Expressão para o squat pela proa válida apenas para $F_h < 0{,}4$; usa a velocidade em nós. |
| Römisch (1989) | Calcula o squat na proa e na popa; exige conhecer a velocidade crítica $V_{cr}$ da água rasa. |
| Millward I (1990) | Metodologia em que o calado $T$ não entra como variável. |
| Millward II (1992) | Retira a boca $B$ e insere o calado $T$. |
| Eryuzlu II (1994) | Segunda metodologia de Eryuzlu para o squat na proa. |
| Yoshimura (japonês) (2002) | Criada para padronizar o projeto das vias de acesso do Japão. |
| Barrass II (2004) | Modifica a original para cobrir squat pela proa ($C_B > 0{,}7$) e pela popa ($C_B < 0{,}7$). |
| Barrass III (2006) | Similar à anterior, com uma única diferença; é a que melhor acompanha a média para formas cheias. |
| Ankudinov (2009) | Em cooperação com o corpo de engenheiros do exército americano (USACE); calcula o squat em duas partes (afundamento médio + contribuição do trim) e considera o número de propulsores e os tipos de proa e popa. Não vale para $F_h > 0{,}6$. |
Como exemplo concreto, a expressão de Norrbin dá o squat pela proa diretamente a partir das proporções do casco e da velocidade em nós:
$s_b$ = squat pela proa; $C_B$ = coeficiente de bloco; $B$ = boca; $L_{pp}$ = comprimento entre perpendiculares; $T$ = calado; $h$ = profundidade; $V_K$ = velocidade em nós. Válida apenas para $F_h < 0{,}4$.
9. Exemplo, regime não permanente e cálculo numérico/experimental (§9.7.3–9.7.5)
Para comparar os métodos, o livro calcula o squat pela proa de um graneleiro classe Valemax de segunda geração (calado 24 m, comprimento entre perpendiculares 350 m, boca 65 m, coeficiente de bloco 0,87), nas razões 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 e 1,5.
9.1 O squat em regime não permanente
Os métodos acima valem para velocidade constante em águas rasas abertas. O squat muda quando o navio está em velocidade variável: numa transição brusca de águas profundas para rasas, ou em aceleração e desaceleração. Pelo relatório 121 da PIANC, ondulações no fundo também podem afetar o squat se o navio estiver em águas relativamente rasas.
9.2 O cálculo numérico e experimental
O valor correto do squat vem de métodos numéricos e experimentais, construídos a partir do plano de linhas do casco. Em qualquer metodologia, o cálculo deve considerar a maré e a profundidade local, e tomar a menor folga abaixo da quilha possível, avaliada nas velocidades que garantem a governabilidade do navio dentro dos limites de ângulo de deriva.
O afundamento e o trim dinâmicos podem ser calculados durante a própria simulação (integrando a pressão na superfície molhada, no domínio do tempo, até o equilíbrio) ou em pós-processamento iterativo, em que a posição de equilíbrio é recalculada atualizando área de linha-d'água, volume deslocado e altura metacêntrica até convergir.
Nos testes experimentais, a abordagem mantém a similaridade de Froude, com escalas bem definidas de comprimento, tempo, velocidade, força e área.
10. Massa específica e trim estático combinados ao squat (§9.7.6–9.7.7)
Diferenças de massa específica entre a água do mar e a água interna do porto mudam os valores estáticos de calado e costumam variar o trim. A água doce, menos densa, exerce menos pressão sobre o casco.
O trim estático inicial — de uma condição de carregamento ou da mudança de massa específica — afeta a manobra, principalmente combinado ao squat. Um navio com trim estático pela popa que adquira squat também pela popa pode ter dificuldade nas curvas, porque sua estabilidade em linha reta aumenta.
Segundo Barrass (1995), em navios com muito trim inicial o squat máximo ocorre sempre na direção do trim estático, e o trim dinâmico não se alteraria em relação ao inicial. Pesquisa alemã mais recente (Harting e Reinking, 2009, nos rios Weser e Elba), porém, indica que o trim dinâmico é função do calado médio e do trim estático — e que o navio pode começar com trim por uma extremidade e terminar com trim dinâmico invertido. Como a maioria das medições foi em navios de popa transom (mais larga), o coeficiente de bloco pode não ser um indicador de squat tão confiável quanto se costumava supor.
11. A manobra do navio em águas rasas com lama fluida (§9.8)
O estudo da manobra em águas rasas costuma supor o fundo sólido (rocha, areia ou argila), mas nem sempre é assim. A PIANC criou um conceito que vale para todo tipo de fundo, o fundo náutico: o nível em que as características físicas do fundo atingem um limite crítico, além do qual o contato com a quilha causaria danos ou efeitos inaceitáveis de controle e manobra. Para fundos de lama, esse nível só pode ser definido se a reação do navio ao se aproximar dele for conhecida.
Pelos estudos de Marc Vantorre (Universidade de Gent), o comportamento do navio sobre lama é afetado por duas causas: as propriedades reológicas da lama (forças adicionais sobre o casco, quando a quilha toca a camada) e as ondulações internas na interface entre a água e a lama (que afetam o navio mesmo sem contato).
11.1 As ondas internas na interface
O campo de pressão do navio em movimento deforma a interface água/lama, gerando "ondas internas" que mudam a distribuição das forças verticais e, com isso, o afundamento e o trim. Em baixa velocidade observa-se um afundamento da interface sob a proa, que vira uma elevação numa certa seção; a altura desse salto hidráulico interno cresce e migra para ré à medida que a velocidade aumenta.
Pela teoria potencial de Vantorre, a velocidade que separa essas faixas de comportamento é:
$U_{cr}$ = velocidade crítica; $g$ = gravidade; $h_1$ = profundidade da água acima da interface; $\rho_1$ e $\rho_2$ = massas específicas da água e da lama. A transição ocorre a velocidade mais alta sobre camadas de lama mais viscosas.
11.2 Resistência, propulsão e manobrabilidade
A resistência aumenta com a queda da razão de profundidade sobre fundo sólido; tocar uma lama de alta massa específica eleva a resistência de forma acentuada. A propulsão também sofre: o fator de esteira aumenta com a queda da massa específica da lama (obstrução do escoamento) e diminui se há contato com lama densa; o resultado é uma perda significativa de eficiência do hélice, sobretudo com folga abaixo da quilha negativa.
Sobre a manobrabilidade, valem para a lama os mesmos fenômenos do fundo sólido com folga decrescente: o navio fica mais lento, as inércias adicionais e o amortecimento em yaw e sway aumentam, a curva de giro cresce, o ângulo de deriva e o momento em yaw na curva diminuem, os overshoots do zigue-zague diminuem e a estabilidade de rumo aumenta.
A inércia adicional em sway e yaw cresce muito com a profundidade menor e com a massa específica maior da lama: se a quilha penetrar fundo, observam-se valores de até sete vezes a massa do navio — ou seja, seria preciso acelerar um equivalente a oito vezes a própria massa para impor um movimento lateral. A força lateral e o momento em yaw por ângulo de deriva também aumentam, mas estagnam quando a quilha toca a interface. Como há muito pouca informação confiável sobre manobra em fundo lamoso, recomenda-se avaliar cada caso primeiro em modelos físicos em escala reduzida e só depois em modelos numéricos.