AN Cap. 2 — Princípios Básicos de Estabilidade (Rebocadores)

Princípios básicos de estabilidade

A estabilidade é a linguagem de segurança do rebocador. Para o prático, entender por que um rebocador aderna, até que ângulo ele resiste e a partir de qual ponto emborca não é teoria abstrata: é o que separa uma assistência bem-sucedida de um capotamento. Este capítulo constrói essa base — começa pela estabilidade transversal (a que interessa ao trabalho de reboque), define o GM e o braço de endireitamento GZ, lê o gráfico de estabilidade completo e fecha com a estabilidade de rumo, que explica por que o rebocador moderno guina com tanta facilidade.

O foco do livro é a estabilidade intacta — o rebocador em condição operacional normal, com o casco íntegro e sem embarque de água. A estabilidade em avaria (casco danificado, com alagamento) é tratada à parte, no capítulo 6.

Fonte: HENSEN, Henk; VAN DER LAAN, Markus. Estabilidade dos rebocadores: um guia prático para operações seguras. Trad. Plínio Calenzo. Rio de Janeiro: Fundação Gente do Mar (FGMar), 2022. Cap. 2 — Princípios básicos de estabilidade.

Edital: Anexo 2-B, Área II (Arte Naval), item 10 — II.10 (HENSEN & VAN DER LAAN), Cap. 2 — Princípios básicos de estabilidade.

1. Os vários tipos de estabilidade

No meio marítimo a palavra "estabilidade" é usada em sentidos diferentes, e convém separá-los desde o início. A estabilidade longitudinal tem pouca aplicação prática no trabalho de rebocador e não é tratada no livro. Já a estabilidade transversal do navio é bem mais relevante e pode ter efeito dramático nas operações de reboque — é dela que trata a maior parte deste capítulo.

1.1 As formas da estabilidade transversal

Estabilidade inicial e estática — o tipo usado no dia a dia e que será detalhado adiante (GM e curva do braço de endireitamento).
Estabilidade dinâmica — vai um passo além: considera a energia associada ao movimento de balanço do navio.

Há ainda uma forma distinta, no plano horizontal, chamada estabilidade de rumo. Ela não se relaciona com a estabilidade transversal, mas é aspecto importante da operação dos rebocadores modernos e será discutida na seção 5.

Estabilidade intacta × avaria. Toda a discussão a seguir assume o rebocador íntegro, em condições normais — sem violação do casco nem embarque de água em compartimento algum. A situação de casco seriamente danificado, com alagamento, fica reservada ao capítulo 6.

2. Estabilidade inicial GM

Considere primeiro o rebocador sem banda. Na base está a quilha, o ponto K; o centro de flutuação B (COB) fica no centro de gravidade do volume submerso. Quando o rebocador aderna um pequeno ângulo "a", o volume submerso muda de forma e o centro de flutuação se desloca de B₀ (sem banda) para uma nova posição B.

Pela lei de Arquimedes, o rebocador sofre uma força ascendente igual ao peso da água deslocada — ou seja, igual ao seu deslocamento — aplicada nesse novo centro de flutuação. Prolongando verticalmente essa força (a linha vermelha da figura), o ponto onde ela cruza a linha de centro do rebocador é o metacentro inicial M₀.

Fig. 2-2 pequena banda "a" e o metacentro M₀

Entra agora o peso do navio. O centro de gravidade G é o ponto por onde o navio exerce sua força vertical para baixo; sua posição varia com combustível, água nos tanques, provisões e eventual carga de convés. Formam-se então duas forças iguais e opostas — o empuxo, para cima, e o peso, para baixo, ambas de módulo W —, separadas por um braço horizontal GZ que trabalha para trazer o navio de volta à vertical.

Fig. 2-3 braço de endireitamento GZ (forças opostas)

A distância entre o metacentro M e o centro de gravidade G é a altura metacêntrica GM. Vale a regra intuitiva: quanto maior o GM, maior a estabilidade. Um GM maior se obtém abaixando o centro de gravidade G.

Quando o GM despenca. Se G sobe — tanques de fundo vazios, água no convés ou carga pesada no convés —, o GM diminui e pode até ficar negativo, tornando o rebocador instável. O mesmo ocorre com o engelamento: água do mar congelando em conveses, mastros e superestrutura eleva rapidamente o peso alto, reduz o GM e cria uma situação crítica de estabilidade.

Há um limite importante: a altura metacêntrica GM só é válida para pequenos ângulos de inclinação, porque a posição do metacentro inicial M₀ só se mantém fixa nessa faixa. Para ângulos maiores, o indicador passa a ser a curva do braço de endireitamento, tratada na seção seguinte.

Requisitos de classe e IMO. Não é o GM inicial, isoladamente, o critério de estabilidade do rebocador: é o gráfico de estabilidade completo, incluindo o ângulo de alagamento, que precisa atender às exigências da sociedade classificadora, da IMO e/ou das autoridades locais.

Por que o rebocador é um caso à parte. Num navio mercante comum, terminados os cálculos de estabilidade, o GM praticamente não muda durante a viagem — as cargas ficam peadas nos porões e conveses. No rebocador, não: como o ângulo e a força do cabo de reboque variam o tempo todo, a condição de estabilidade se altera constantemente. E um dado GM e um dado gráfico valem apenas para aquela condição de carregamento — outra distribuição de pesos dá outro GM e outra estabilidade.

3. Estabilidade estática e o gráfico

O braço GZ é o indicador do grau de estabilidade do rebocador nos vários ângulos de inclinação. Calculada a posição de G para uma dada condição de calado, trim e carregamento, determina-se M para cada ângulo a partir da posição de B, e daí o braço de endireitamento:

$GZ = GM \cdot \operatorname{sen}(a)$ — para pequenos ângulos, o braço de endireitamento cresce com o seno do ângulo de banda "a".

Plotando o GZ contra o ângulo obtém-se a curva de estabilidade — a faixa de estabilidade do rebocador naquela condição. O caso básico está na Figura 2.4: as miniaturas do rebocador no topo dão a noção física de cada ângulo de inclinação.

Fig. 2-4 braço de endireitamento para diferentes ângulos

A Figura 2.5 é um gráfico típico de rebocador portuário e traz quatro leituras que o prático deve saber extrair:

O braço GZ pode ser lido para cada ângulo — por exemplo, a 30°, seguindo até a escala à esquerda (em metros ou pés).
A curva cresce quase linearmente até a borda do convés imergir; depois disso passa a crescer bem mais devagar.
O topo da curva, por volta de 33°, é onde o braço — e portanto o binário de endireitamento W × GZ — é máximo. Adiante, a estabilidade diminui: perto de 50° a água começa a embarcar pelas aberturas (o ângulo de alagamento), e por volta de 75° o braço fica negativo e o rebocador emborca.
Onde a tangente à curva para pequenos ângulos cruza a vertical em 57,3° (um radiano) lê-se o valor do GM inicial — a medida da estabilidade inicial.

Fig. 2-5 gráfico de estabilidade de um rebocador portuário

3.1 Reserva de flutuabilidade

Até aqui não se considerou a reserva de flutuabilidade. Na Figura 2.5, "imersão do convés" significa o convés principal; mas a superestrutura varia com o projeto, e um convés mais elevado muda o quadro quando a banda cresce. Com todas as aberturas fechadas, o convés elevado e a superestrutura acrescentam capacidade de endireitamento e formam parte importante da estabilidade que atua contra o emborcamento.

A Figura 2.6 mostra um rebocador com convés de proa elevado: a partir de cerca de 20° de inclinação, esse castelo de proa passa a reforçar o braço de endireitamento, estendendo a faixa de estabilidade até aproximadamente 70°. Somada a superestrutura — e, insista-se, só se todas as aberturas estiverem fechadas — a faixa chega a cerca de 80°. Por padrão, a flutuabilidade da área da superestrutura (D) não entra nos gráficos de estabilidade.

Fig. 2-6 efeito da reserva de flutuabilidade

4. Um nível de estabilidade e suas consequências

Mais estabilidade nem sempre é melhor. Compare um navio carregado de minério de ferro no porão inferior com outro que leva madeira no convés. O de minério tem GM alto e grande braço de endireitamento, mas a vida a bordo é dura: em mau tempo ele balança com violência, de um bordo a outro em poucos segundos, com ângulos pequenos porém estresses altos no casco. O de madeira reduz o GM ao mínimo seguro e ganha um balanço lento e confortável — mas, abaixo desse mínimo, o balanço pode incluir grandes ângulos e o navio chega a viajar longos períodos com banda para um bordo.

O mesmo dilema vale para rebocadores. O rebocador portuário — sobretudo os de alta potência com propulsão azimutal ou Voith — precisa de alta estabilidade; no mar, porém, essa mesma estabilidade lhe dá períodos curtos de balanço e um comportamento violento e desconfortável em mau tempo. Por isso, ao preparar um rebocador para missão de alto-mar, prioriza-se reduzir a estabilidade, buscando períodos de balanço maiores e mais confortáveis. Como o trabalho de alto-mar difere do portuário, um rebocador de dupla função exige compromisso de projeto, e o comandante deve saber carregar e operar o rebocador de forma distinta em cada missão.

Aspecto	Rebocador portuário	Rebocador de alto-mar
Estabilidade / GM	Alta (necessária à assistência)	Reduzida de propósito
Período de balanço	Curto e enérgico	Maior e mais confortável
Comportamento no mar	Violento e desconfortável em mau tempo	Mais suave e habitável
Prioridade de projeto	Força e segurança na assistência	Conforto e habitabilidade na travessia

No Brasil o problema aparece nos rebocadores de terminais oceânicos, comuns com o crescimento das bacias de Campos e de Santos: parecem rebocadores portuários, mas precisam operar em mar aberto. Vale a distinção de vocabulário — em português separamos "porto" (ex.: porto público de Salvador) de "terminal" (ex.: terminal privado na mesma baía), enquanto o "terminal" do inglês designa a operação offshore, em plataformas ou navios aliviadores a centenas de milhas da costa, que em nada se compara à operação portuária.

Os rebocadores para regiões de gelo também têm GM alto por necessidade: seu casco de aço pesado e espesso, exigido para suportar as forças do gelo, eleva o GM. É o caso do Bob Franco (Figura 2.7). O GM alto é indispensável porque grande quantidade de gelo pode congelar na superestrutura e nos mastros — no Mar Báltico, de água doce, o acúmulo em condições de ventania é rápido e perigoso.

Fig. 2-7 rebocador Bob Franco (engelamento)

Nota para o comandante brasileiro. A costa brasileira não propicia acúmulo de gelo, mas o certificado de habilitação permite navegar por todo o globo. É preciso ter claro que o gelo é água no estado sólido: ao contrário da líquida, ele se prende a convés, casco, superestrutura e mastro, aumentando o peso acima da linha de flutuação e reduzindo a estabilidade.

5. Estabilidade de rumo

Chega-se ao outro sentido de "estabilidade": a direcional, no plano horizontal. Com os meios de governo fixos (lemes, propulsores), um navio é estável no rumo se, após uma breve perturbação, retoma o rumo original sem qualquer ação de governo. Numa embarcação estável, cessada a perturbação, a guinada também cessa — embora o rumo final geralmente fique diferente do inicial.

O navio estável no rumo exige ângulos de leme (ou de propulsor, na propulsão azimutal) relativamente maiores para mudar de rumo; em compensação, tem boa qualidade para quebrar a guinada. Já o navio instável no rumo começa a guinar rápido logo após ser perturbado: pequenos ângulos de leme bastam para mudar o rumo, mas ele quebra mal a guinada.

Rumo × direcional. Estabilidade de rumo não se confunde com estabilidade direcional — esta é, a rigor, a capacidade de seguir uma direção dada (por exemplo, sob piloto automático). Um navio estável no rumo pode ser instável direcionalmente, exigindo ações frequentes e grandes ângulos de leme para manter a direção.

A que categoria pertencem os rebocadores modernos? A Figura 2.8 mostra três modelos flutuantes vistos de topo, que resumem o compromisso entre seguir o rumo e mudar de rumo:

Modelo	Forma do casco	Estável no rumo?	Mudar de rumo	Quebrar a guinada
A	Esbelto	Sim — estável	Difícil (exige maiores ângulos de leme)	Boa
B	Boca larga (rebocadores modernos)	Não — instável, mas bem menos que C	Fácil: pequenos ângulos e altas razões de guinada	Baixa
C	Redondo	Não — muito instável	Guina de imediato; custa recuperar o rumo	Muito ruim

Rebocadores de boca larga — que chega a 1/3 do comprimento — enquadram-se no comportamento do modelo B: mudam de rumo com pequenos ângulos de leme ou propulsor, mas quebram mal a guinada.

Fig. 2-8 estável / instável no rumo (modelos A, B, C)

A consequência prática fecha o elo com a estabilidade transversal: o comandante precisa corrigir o aproamento constantemente. Se o rebocador começa a guinar, atinge altas razões de guinada com facilidade, e detê-la exige grandes ângulos de leme ou propulsor — o que gera altas forças no cabo de reboque e, por consequência, grandes ângulos de inclinação. É por isso que a estabilidade de rumo mereceu atenção lado a lado com a transversal.

Azimutais em alta velocidade. Rebocadores de boca larga e muitos rebocadores modernos com propulsores azimutais são instáveis no rumo e exigem ação contrária significativa para voltar à reta. Além disso, girando o propulsor rápido demais em alta velocidade, a sucção do hélice é prejudicada e o empuxo cai ou se perde por cavitação — resultando em manobra imprevisível e/ou perda de velocidade.