MN Cap. 9 — Efeitos de Águas Rasas

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.

Fig. 206
Fig. 206 O crescimento do tamanho dos navios e a relevância das águas rasas

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:

PIANC, Bulletin 77 (1992), item 4.4.4 — classificação por $h/T$: águas profundas $h/T > 3{,}0$; águas meio rasas $1{,}5 < h/T < 3{,}0$; águas rasas $1{,}2 < h/T < 1{,}5$; águas muito rasas $h/T < 1{,}2$ (sendo $h$ a profundidade e $T$ o calado).

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
aAs respostas do navio às ações de controle ficam mais lentas.
bOs indicadores de calado mudam de leitura nas extremidades de vante e de ré.
cA RPM do propulsor cai — quedas de até 15% são comuns nas razões mais baixas.
dA velocidade do navio cai, podendo chegar a uma queda de 30% nas razões mais baixas.
eO navio pode começar a vibrar de repente: surgem novas frequências ressonantes do casco e do propulsor.
fOs movimentos oscilatórios em ondas ficam reduzidos.
gEm fundos lamosos, a lama pode aparecer de repente na superfície, junto à descarga do propulsor.
hO diâmetro tático da curva de giro pode aumentar até 100% (praticamente dobrar).
iEm 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.
jA eficiência do leme costuma diminuir nas razões muito baixas.
kO navio quebra a guinada com mais facilidade; os overshoots do zigue-zague ficam menores que em águas profundas.
lHá mais dificuldade para fazer uma curva fechada se a velocidade não for baixa.
mA força lateral do propulsor e o momento que ela induz aumentam — tanto a vante quanto a ré.
nA onda irradiada, sobretudo na proa, fica mais alta do que à mesma velocidade em águas profundas.
Cuidado com a generalização: nem todo efeito "piora" o governo. Os overshoots menores e a maior facilidade de quebrar a guinada (sinal k) parecem benéficos, mas vêm acompanhados de respostas mais lentas e de tempos de manobra maiores. E o aumento da distância de parada (sinal i) não vale para todos os navios.

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).

Fig. 207
Fig. 207 O navio Esso Osaka

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%.

Fig. 208
Fig. 208 Influência da profundidade na curva de giro do Esso Osaka carregado

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).

Fig. 209
Fig. 209 Efeito da profundidade num zigue-zague em coasting a 5 nós

Esse resultado denunciava uma considerável instabilidade dinâmica inerente justamente na razão 1,5, que prejudicava o governo — confirmada pela curva espiral em escala real.

Fig. 210
Fig. 210 Resultado de um teste 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.

Fig. 211
Fig. 211 Desvio de aproamento e distância de parada por razão de profundidade

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.

Força lateral do propulsor (alvo de prova): na parada com máquina atrás, o propulsor de passo direito gera deriva do casco para bombordo e, com isso, o aproamento cai para boreste. Em águas rasas esse efeito é amplificado.

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.

Fig. 212
Fig. 212 Parada simples, parada com leme e parada controlada (leme + RPM)

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.

Fig. 215
Fig. 215 O efeito de coasting num zigue-zague 20/20

4. O comportamento de diferentes navios — os tipos N, U e S (§9.4)

O padrão do Esso Osaka não vale para todo navio, principalmente perto da razão 1,5 — nele próprio, nessa razão, o avanço da curva de giro fica ligeiramente menor que em águas profundas. Em 1995, Yasukawa e Kobayashi testaram modelos livres de quatro navios — um contêinero, um gaseiro grande, um cargueiro especial e o próprio Esso Osaka — e mostraram que a razão de profundidade afeta a curva de giro de modos diferentes conforme o navio. Embarcações pequenas e "gordas" (baixa relação comprimento/boca), como rebocadores compactos modernos, podem ter o comportamento oposto: o diâmetro tático diminui em águas rasas.

Fig. 216
Fig. 216 Efeito da razão de profundidade na curva de giro, por tipo de navio

Disso saiu uma classificação em três tipos, que é o ponto central desta seção:

TipoDiâmetro tático ao reduzir a profundidadeQuem é
N — normalAumenta de forma monotônica (sempre cresce).Navios esbeltos, com coeficiente de bloco $C_B < 0{,}75$ (o contêinero A e o gaseiro grande B).
U — instávelAumenta, mas o navio ganha considerável instabilidade dinâmica perto da razão 1,5.Formas cheias, como o navio-tanque Esso Osaka (navio D).
S — pequenoDiminui ao reduzir a profundidade.Embarcações de pouca inércia, boca larga e calado pequeno ($L_{pp}/B < B/T$), que ficam mais governáveis em águas rasas (navio C).
Pegadinha clássica: não é verdade que "o diâmetro tático sempre aumenta em águas rasas". Isso vale para os tipos N e U; no tipo S (rebocador compacto, boca larga e calado raso) o diâmetro diminui, e o navio fica mais fácil de governar.

4.1 Por que a curva fechada de emergência pode ser perigosa

Os navios tipo N e tipo U, ao girar em águas rasas, não perdem tanta velocidade quanto perderiam em águas profundas — porque em águas profundas o ângulo de deriva precisa ser grande para gerar a força lateral que contém a inércia do casco, e em águas rasas isso não acontece.

Fig. 217
Fig. 217 Perda de velocidade no giro do VLCC Esso Bernícia
Por isso, fazer uma curva fechada de emergência em águas rasas para reduzir a velocidade pode não ser aconselhável:

  • a perda de velocidade não é tão grande quanto seria em águas profundas;
  • há muito menos espaço para manobrar, e o diâmetro tático praticamente dobra.

É em boa parte por isso que muitos portos exigem rebocadores escort. Numa emergência, a força de governo necessária supera a que o leme do navio fornece, e ela tem de vir do rebocador, assistindo com cabo longo passado, em modo indireto — como recomenda o comandante Henk Hensen em Emprego de Rebocadores em Portos.

4.2 Estabilidade em linha reta e o controle do rumo

A profundidade também muda a estabilidade em linha reta. Embora a redução da razão possa, de início, prejudicar a estabilidade direcional de navios de forma cheia (como no Esso Osaka em 1,5), em geral a estabilidade dinâmica aumenta ao se reduzir a profundidade: o petroleiro aliviador, já estável em águas profundas, ficou mais estável; o contêinero e o graneleiro Panamax, instáveis em águas profundas, ficaram estáveis em águas rasas.

Fig. 218
Fig. 218 Estabilidade em linha reta por tipo de navio

Manter o rumo e quebrar a guinada também são afetados: na razão 1,2, os ângulos de overshoot do zigue-zague ficam bem menores que em águas profundas — mas o tempo de execução da manobra aumenta quanto menores forem as razões de guinada.

Fig. 219
Fig. 219 Manter o rumo e quebrar a guinada (petroleiro aliviador)
Fig. 220
Fig. 220 Overshoots do zigue-zague no graneleiro em águas rasas

Ao entrar em águas rasas há aumento da resistência (viscosa e de ondas), e a velocidade cai cerca de 30% nas razões de 1,10 a 1,40 mesmo mantendo a potência; a eficiência propulsiva diminui e cresce a tendência à vibração.

4.3 A força lateral do propulsor amplificada

A força lateral induzida pela rotação do propulsor — e o momento que ela gera no casco — aumenta em águas rasas. Inoue e colaboradores mediram isso em 1980 num VLCC carregado, em função do coeficiente de avanço $J$: o coeficiente adimensional da força lateral cresce ao se reduzir a profundidade.

Fig. 222
Fig. 222 Coeficiente da força lateral do propulsor por razão de profundidade
Fig. 223
Fig. 223 Coeficiente do momento em yaw induzido pelo propulsor

Isso tem um lado útil: com o navio parado ou muito lento, esse momento amplificado vira uma força de controle que o prático aproveita, com a técnica das pequenas palhetadas, para posicionar o aproamento. Mas precisa ser trabalhado junto com as forças que o casco gera em função do ângulo de deriva, que varia com a razão de profundidade.

Fig. 224
Fig. 224 Forças e momento do casco em função do ângulo de deriva (n = 0, r = 0)

4.4 A parada e o efeito do ângulo de deriva

No Esso Osaka a baixas velocidades a distância de parada era praticamente independente da profundidade. Mas Inoue, com outro VLCC carregado, mostrou que a distância de parada diminuía e os desvios laterais aumentavam à medida que a razão de profundidade caía.

Fig. 226
Fig. 226 Distância de parada, desvio lateral e variação de aproamento por razão

O mesmo autor mostrou o efeito de um ângulo de deriva inicial: com a deriva por boreste (deriva negativa), o navio percorreu uma distância maior até parar, tanto em águas profundas quanto rasas — e, de novo, as distâncias foram maiores em águas profundas.

Fig. 227
Fig. 227 Efeito do ângulo de deriva inicial na parada

O aumento da distância de parada e do afastamento lateral a partir de velocidades moderadas em águas rasas não é regra geral.

Fig. 228
Fig. 228 Aumento da distância de parada — não vale para todos os navios
A partir de velocidade moderada, navios como o aliviador de dois eixos, o contêinero Panamax e o graneleiro Panamax (eixo único, passo direito) podem não aumentar a distância de parada em águas rasas, todos partindo de 12 nós.
Fig. 229
Fig. 229 Trajetórias de parada de três tipos de navio (águas profundas, h/T = 4,2)

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.

Fig. 231
Fig. 231 Aumento da massa adicional em x, y e z (Sadakane et al., 2001)

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.

Fig. 232
Fig. 232 Coeficiente de força lateral em função do ângulo de deriva
Fig. 233
Fig. 233 Coeficiente de momento em yaw em função do ângulo de deriva

Número-marco (alvo de prova): na razão de profundidade 1,2 e com ângulo de deriva de 10°, a força lateral é cerca de cinco vezes maior do que em águas profundas. O crescimento é fortemente não linear com a queda da profundidade e o aumento da deriva — daí o cuidado redobrado ao controlar a força lateral em pequenas profundidades.

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.

Fig. 234
Fig. 234 Aumento das derivadas lineares hidrodinâmicas em águas rasas

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 ($p=0{,}4$).

Fig. 238
Fig. 238 Influência da profundidade nos coeficientes do leme (Hess)

Conclusão de Hess (a guardar): conforme a profundidade diminui, a força lateral do leme aumenta, mas o seu momento em yaw diminui — ou seja, mais força e menos eficácia para fazer o navio guinar.

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:

DerivadaValor 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 $r$.

Fig. 239
Fig. 239 Derivadas hidrodinâmicas lineares em função da velocidade lateral v
Fig. 242
Fig. 242 Derivadas hidrodinâmicas lineares 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.

Fig. 243a
Fig. 243a Como o campo de pressões se altera em águas rasas

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.

Fig. 243b
Fig. 243b Localização do squat máximo, proa ou popa

Regra de Barrass (1979) — onde fica o squat máximo: navios com coeficiente de bloco $C_B < 0{,}7$ "trimam" pela popa; com $C_B > 0{,}7$, pela proa. Não é um limiar exato para todo navio, mas é uma boa regra geral. Römisch dá uma regra equivalente: squat pela proa se $C_B > 0{,}1\,L_{pp}/B$.

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.

Fig. 244
Fig. 244 Toque do 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:

$$F_h = \dfrac{V}{\sqrt{g\,h}}$$

$V$ 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 ($F_h > 1$).

Fig. 245
Fig. 245 A curva adimensional quase universal de Tuck

Descoberta de Tuck (a memorizar): na condição subcrítica predomina o afundamento; na condição supercrítica predomina o trim. Os resultados levaram a uma curva adimensional quase universal, praticamente independente da forma do navio.

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).

Fig. 247
Fig. 247 Razão entre calado e profundidade num fairway
Fig. 248
Fig. 248 Principais dimensões do navio usadas nas metodologias
O quadro abaixo resume os quinze, na ordem histórica, com o que distingue cada um. As formas fechadas são imagens no livro; o foco aqui é o autor, o ano, a validade e as entradas de cada método.

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:

$$s_b = \dfrac{C_B}{15}\left(\dfrac{B}{L_{pp}}\right)\left(\dfrac{T}{h}\right)V_K^{2}$$

$s_b$ = 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 $F_h < 0{,}4$.

Validades que caem em prova: Norrbin só vale para $F_h < 0{,}4$; Ankudinov não vale para $F_h > 0{,}6$; a maioria das fórmulas exige $F_h < 0{,}7$. E a regra de Barrass para a direção do squat continua valendo: proa se $C_B > 0{,}7$, popa se $C_B < 0{,}7$.

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.

Fig. 251
Fig. 251 Comparação do squat estimado pelas diferentes metodologias (Valemax)
Fig. 252
Fig. 252 Comparação do squat por método — continuação
Fig. 253
Fig. 253 Comparação do squat por método — continuação

Conclusão prática (alvo de prova): a previsão que mais acompanhou a curva média em águas rasas foi a do método de Barrass III, razão pela qual ele era muito usado numa estima inicial. Mas os métodos divergem bastante entre si — por isso a estimativa do squat nunca deve se basear numa só metodologia.

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.

Recomendação da PIANC — quando usar viscosidade: se o ângulo de deriva neutro (para o navio ter estabilidade em linha reta) for superior a 7°, o cálculo deve usar métodos com efeitos viscosos (volumes ou elementos finitos, com modelo de turbulência de ao menos duas equações). Para ângulos inferiores a 7°, a teoria potencial é suficiente (é a base do trabalho de Tuck).

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.

Fig. 254
Fig. 254 Fluxograma do cálculo iterativo do squat
Os efeitos de superfície livre (ondas de Kelvin) podem ser desprezados para número de Froude inferior a 0,10 e devem ser incluídos a partir daí.

Nos testes experimentais, a abordagem mantém a similaridade de Froude, com escalas bem definidas de comprimento, tempo, velocidade, força e área.

Fig. 255
Fig. 255 Relações de escala para o teste de squat
O modelo é lastreado dentro de tolerâncias apertadas — deslocamento 2%, altura do centro de gravidade 3%, dimensões 1% — e a altura do CG vem de ensaio de inclinação estático (±5°), aceitando até 2% de diferença na altura metacêntrica. O ensaio pode ser com casco livre (livre para arfar e caturrar) ou cativo (mede forças e momentos, convertidos em afundamento e trim).
Fig. 256
Fig. 256 Tolerâncias geométricas para o modelo

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.

Número que cai em prova: ao passar de água salgada para doce, o calado do navio aumenta cerca de 2% a 3%, porque o volume de deslocamento é inversamente proporcional à massa específica da água.

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.

Reologia × massa específica (PIANC, rel. 121): entre 1970 e 1980 alguns portos europeus fixaram a massa específica crítica de 1.200 kg/m³ para o fundo náutico, por ser fácil de medir. Mas o comportamento da lama fluida depende mais da sua reologia — que determina se ela age como fluido, plástico ou sólido — do que da massa específica. Não há ainda um critério reológico viável.

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).

Fig. 257
Fig. 257 A interface água/lama com e sem contato da quilha

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.

Fig. 258
Fig. 258 Faixas de velocidade crítica em função da razão de massas específicas
Fig. 259
Fig. 259 Ondulações da interface água/lama por velocidade e folga abaixo da quilha

Pela teoria potencial de Vantorre, a velocidade que separa essas faixas de comportamento é:

$$U_{cr} = \sqrt{\tfrac{8}{27}\,g\,h_1\left(1 - \dfrac{\rho_1}{\rho_2}\right)}$$

$U_{cr}$ = 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.

Contraintuitivo, mas útil: uma penetração limitada numa camada de lama fluida de baixa massa específica pode ser preferível a navegar com folga abaixo da quilha pequena e positiva acima da interface. Já uma penetração maior é adversa: o navio pode ficar incontrolável e "escolher o caminho da menor resistência", tornando-se difícil até reduzir 1 ou 2 nós.

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.