Noções de Estabilidade de Embarcações Náuticas

Imaginem um navio de carga chegando ao porto com vários contêineres. Como flutua um monte de aço carregado com um monte de aço? E se durante a navegação, forças alheias (vento, ondas, deslocamento de carga) atuarem, o que fazer para o navio não emborcar ou adernar?

Entra em cena a Engenharia Naval. Estabilidade, flutuabilidade, carena, empuxo, altura metacêntrica...... Cada nome, não? Mas é um assunto muito interessante. Aqui, tratarei de forma básica a estabilidade de navios, apenas para entendermos os conceitos envolvidos neste assunto.

Primeiramente, vamos estudar alguns conceitos.

Estabilidade: é a propriedade que tem o navio de retornar à sua posição inicial de equilíbrio, depois que a força perturbadora cessou fazendo com que o navio se afastasse da sua posição inicial. Como exemplo de forças perturbadoras, cita-se a ulagem (espaço vazio que falta para completar o tanque reservatório) que pode provocar balanços; um navio rebocador puxando o navio para um dos bordos; a movimentação de pesos por guindastes; paus de carga; entre outras. Pode-se estudar a estabilidade sob diversos aspectos, como a Estabilidade Transversal que estuda o comportamento do navio no sentido transversal (de bordo a bordo); a Estabilidade Longitudinal que estuda o seu comportamento longitudinal, isto é, no sentido de proa a popa; a Estabilidade Transversal Estática estuda as forças que afastam o navio da posição inicial e a Estabilidade Transversal Dinâmica estuda a estabilidade sob os efeitos das vagas e influências externas. Esta última, considera-se o trabalho necessário para levar o navio a uma determinada inclinação.

Fig. 1: Lados de uma embarcação

Flutuabilidade: é a propriedade de um corpo de permanecer na superfície da água. A flutuabilidade vai depender da igualdade entre o peso do corpo e o empuxo do líquido, que é o produto do volume deslocado pelo peso específico do líquido. O Plano de Flutuação é o plano horizontal longitudinal ao casco, limitado pelo contorno do chapeamento da embarcação e pelas águas em que ele flutua. O volume que estiver acima do plano de flutuação é chamado de reserva de flutuabilidade.

Fig. 2: Reserva de Flutuabilidade, Carena e Plano de Flutuação

Carena: é a parte molhada abaixo do plano de flutuação, ou seja, é o volume submerso até o plano de flutuação. De acordo com o princípio de Arquimedes, para que a embarcação flutue é preciso haver o equilíbrio entre as forças peso e empuxo ou peso do navio e o ponto resultante de impulsão que atua sobre o caso, chamado de Centro de Carena ou Centro de Empuxo.

Momento de força binário: Seja um binário, de duas forças iguais, paralelas e de sentidos opostos. O momento desse binário é igual ao produto de uma das forças pela menor distância entre elas.

Chegamos aos Pontos Notáveis. Estes pontos são Centro de Gravidade (G), Metacentro (M), Centro de Carena (B) e Quilha (K). São estes pontos que precisam de harmonia entre si para garantir a estabilidade da embarcação. Vamos ver cada um.

1) Centro de Gravidade (G): é o ponto de aplicação da resultante das forças gravitacionais ou podemos assumir como sendo um ponto da concentração da massa de um corpo. Nas embarcações, o centro de gravidade estará posicionado no plano diametral, que é o plano vertical longitudinal de simetria do casco.

2) Metacentro (M): é o ponto de cruzamento entre uma linha imaginária traçada verticalmente, atravessando o centro de flutuação de uma embarcação, quando esta está em meio líquido, e uma linha correspondente ao novo centro de flutuação quando a embarcação estiver inclinada. Para que a embarcação não aderne até afundar, o metacentro não pode se deslocar para baixo do centro de gravidade.

3) Centro de Carena (B): já lemos sobre ele. É o volume imerso e está abaixo do plano de flutuação. A partir deste centro aplica-se a força de empuxo. Também podemos considerar que é o ponto geométrico das obras vivas. A região do casco que fica submersa é chamada de Obras Vivas.

4) Quilha (K): é uma peça longitudinal que fecha inferiormente a ossada do navio ou embarcação. Sobre ela assentam-se as demais estruturas do navio e contribui para a resistência longitudinal do casco. Considera-se a espinha dorsal da embarcação. É o ponto de referência da linha de base a partir do ponto de referência na própria quilha. Serve de referência para todas as outras medições.

Fig. 3: Pontos Notáveis de estabilidade do navio

Agora podemos estudar os estados de equilíbrio dos navios. São três as condições de equilíbrio.

- Equilíbrio Estável: quando inclinado ou em banda, o navio retorna à mesma posição que estava antes de se inclinar, após cessar a força que originou a inclinação. Isto é possível porque a força de empuxo é a maior força do conjunto de equilíbrio. Lembram-se do boneco “João Teimoso”? É este caso.

- Equilíbrio Neutro ou Indiferente: quando inclinado, o navio retorna para qualquer posição. Na linguagem náutica, diz-se que o navio adormeceu naquela posição. Isto é possível porque as forças se anulam.

- Equilíbrio Instável: quando inclinado, o navio emborcará porque há uma força maior do que a força de empuxo. Lembram-se do metacentro? Este equilíbrio ocorre quando o metacentro está deslocado abaixo do centro de gravidade.

Os equilíbrios neutro e instável são indesejados em qualquer tipo de embarcação. A equipe responsável pela estabilidade da embarcação deve atuar para evitar que tais situações possam ocorrer.

Vamos analisar cada caso de equilíbrio graficamente.

No equilíbrio estável o navio ao adernar volta à sua posição normal de equilíbrio. Quando o navio adquiriu banda, forma-se o binário de forças. Percebam que o ponto metacentro está acima do centro de gravidade. Assim, é possível verificar que a força de empuxo força, para cima, o lado em banda para retornar à posição normal enquanto o centro de gravidade faz o outro bordo tender para baixo.

Fig. 4: Equilíbrio Estável

Já no equilíbrio indiferente, o navio estará em equilíbrio seja qual for a sua posição. O ponto metacentro está no mesmo ponto do centro de gravidade. Desta forma, mesmo o navio com banda, não há binário de forças uma vez que o centro de carena está no mesmo vetor vertical que o metacentro que por sua vez tem a mesma cota que o centro de gravidade. Daí as forças de empuxo e da gravidade se anulam pois continuam atuando na mesma vertical, podendo ocorrer com qualquer banda. Não há tendência de o navio retornar à posição de origem.

Fig. 5: Equilíbrio Neutro ou Indiferente

Por fim, o equilíbrio instável ocorre quando ao adquirir banda, surge o binário de forças com efeito inverso ao exercido no navio na condição de equilíbrio estável, ou seja, sua tendência é fazer o navio adquirir maior banda. O navio vai se inclinando para um dos bordos, neste caso à direita, sentido B´, conforme for adernando. Se a distância entre o centro de gravidade (G) e o metacentro (M) – esta distância chama-se Altura Metacêntrica Negativa – for pequena, a projeção do centro de carena B’ alcançará a vertical que passa pelo centro de gravidade (G), e o navio entrará, neste instante, em equilíbrio indiferente. Porém, se a altura metacêntrica negativa for muito grande, a projeção do centro de carena B’ não poderá alcançar a vertical que passa pelo centro de gravidade G e o navio continuará a adernar, uma vez que as forças em estudo são maiores do que a força de empuxo e o navio entra na banda permanente por altura metacêntrica (GM) negativa. Não tem volta, o navio vai adernar.

Fig. 6: Equilíbrio Instável

Muito interessante, não é? A responsabilidade da equipe de estabilidade de uma embarcação é muito grande. A equipe precisa ficar atenta para transferência de lastros, transferência de cargas, movimentações de carga, utilização de guindastes, abastecimento de combustível ou outros produtos, offloading de fluidos, entre outros.

É isso. Espero que tenham gostado do texto. Tudo de bom a todos.