Projeto – Freeship

Um dos problemas para se projetar um Footy é escolhermos um comprimento total porque, por regra, ele tem que caber dentro de um paralelepípedo de 301,5 x 153 x 301,5 mm de comprimento, largura e altura respectivamente.

Pool Shark 3D na caixa para medição

A diagonal maior da caixa é 457 mm e a da superfície horizontal é 341 mm.

A dificuldade consiste em termos que acomodar a quilha e o leme dentro da caixa.

Sabemos que quanto maior o comprimento da linha d’água maior será a velocidade máxima do barco.  Como curiosidade vamos verificar qual seria a velocidade máxima possível para dois Footy, um com 305 mm e outro com 457 mm:

Vmax = ((0,305/0,3048)^1/2 ) * 1,34 = 1 ,34 knot

Vmax = ((0,457/0,3048)^1/2) * 1,34 =  1,64 knot

cerca de 22 % maior.

No entanto a geometria de um Footy com comprimento de linha d’água de 0,457 m ou 457 mm seria bem interessante, eu diria que quase impossível e não sei se seria muito eficaz pois teria que ter uma popa e uma proa extremamente fina e inclinada para ré e popa para vante o que é normal.

Outro problema seria a altura disponível para o leme, veja a figura acima, para o comprimento do Pool Shark aumentar, o leme teria que ter sua altura reduzida e sua largura aumentada ou ter que avançar para vante, diminuindo sua eficiência.

A quilha teria o mesmo problema de altura, teria que ser mais baixa e mais larga, perdendo eficiência sendo que aqui teríamos um agravante, o bulbo ficaria mais perto do casco o que faria o barco perder capacidade de área velica.

A altura da quilha incluindo o bulbo a partir do fundo do barco no Pool Shark é de 17 cm e o leme tem altura de 11 cm, a largura da quilha é de 4,2 cm e a largura do leme é de 3,1 cm.

Medidas do Pool Shark:

Loa = 385 mm (comprimento total)

Lwl = 350 mm (comprimento da linha d’água)

Boca = 115 mm (Boca máxima)

Deslocamento = 600 g

Altura da proa acima da linha d’água = 60 mm

O Pool Shark 3D possui ótima manobrabilidade é bem estável e aguenta bem um vento mais forte.

Quando eu iniciei o projeto do Carcará eu tinha pego dados da internet e um dado fundamental de projeto é o deslocamento, eu diria que é o mais importante dado, e fui levado por esses dados a fazer o Carcará com um deslocamento de 400 g, quando eu recebi o Pool Shark 3D montei e vi o peso descobri que era de 600g.

Pelo tamanho do Carcará, que é praticamente igual ao Pool Shark 3D vi que teria que aumentar o deslocamento do Carcará, já que eu faria o Carcará em poliestireno em vaccum forming, como o Pool Shark 3D e não vi como poderia diminuir os pesos a bordo.

A saída foi aumentar o calado do Carcará  em 1 cm e para isso aumentei a borda livre em 1 cm (altura do casco acima da linha d’água). Para que não ficasse com a popa imersa mudei o CG (Centro de Gravidade) do barco para vante.

O Carcará tem para medidas:

Loa = 38o mm

Lwl = 360 mm

Boca =90 mm

Deslocamento = 600 g

Altura da proa acima da linha d’água = 40 mm

O Carcará anda tanto quanto o Pool Shark 3D sendo que em ventos mais fracos notei um melhor desempenho do Carcará, principalmente na orça. Não sei se por esses motivos, não acredito que para cascos de mesmo deslocamento, as dimensões sejam tão importantes como nos barcos maiores.

A perícia de cada velejador ( desde que o barco esteja balanceado) é que vai definir o resultado da regata, independente do barco.

Do meu ponto de vista, pelo menos por enquanto, o importante é a escolha do deslocamento e a capacidade de área velica, esta, em função do peso do bulbo.

Definir o peso do bulbo é fundamental, o do Pool Shark 3D é de 300 g.

Pela experiência do Pool Shark  3D e do Carcará o deslocamento deve ficar em torno de 600 g e área vélica máxima em torno de 1000 cm^2.

A planilha de pesos do Carcará :

Planilha de pesos Carcará

Temos uma referência de pesos:

Como não existe um limite  para a área velica o projeto fica com mais liberdade ainda para o peso total a ser escolhido e pode-se jogar com peso do bulbo e a área velica.

O valor de 1000 cm2 pode ser aumentado se o vento for fraco.

Bem, como temos que definir as dimensões comprimento total, boca máxima e calado para podermos usar o freeship vamos começar com:

Comprimento Total = 380 mm

Boca máxima = 100 mm

Calado = 40 mm

Entrando no Freeship no menu File clicamos em New

a janela vem preenchida com dados primários do Freeship, vamos alterar os valores para os do nosso barco, só que se usarmos os valores reais não poderemos aproveitar os cálculos realizados pelo software devido a precisão dos números usada. Assim multiplicaremos por 100 as medidas do nosso barco. Assim as medidas para colocarmos na janela de diálogo será:

comprimento = 380 mm = 0,38 m –> x 100 = 38 m

boca = 100 mm = 0,1 m –> x 100 = 10 m

calado = 40 mm = 0,04 m –> x 100 = 4 m

Para passarmos os valores calculados para o o tamanho real do Footy  dividiremos os comprimentos por 100 as áreas por 10.000 e os volumes por 1.000.000

Além disso vamos mudar :

no. points in longitudinal direction –> passaremos de 6 para 7

no. points in vertical direction –> passaremos de 5 para 6

esses pontos são os pontos que modificamos suas posições para mudar a forma do barco.

Mudando para 7 e 6 passamos a contar com 7 x 6 = 42 pontos para modificarmos a forma do casco.

Clicando em OK passamos para a tela:

esse é o casco padrão Freeship para as medidas que fornecemos.

O meio padrão para a água no Freeship é água salgada e a condição crítica é a de água normal, então precisamos fazer esta alteração.

Para isto vamos em Project e clicamos em Project settings e obtemos:

Aqui podemos preencher os espaços em branco, mas vamos clicar em Hydrostatics e obtemos:

Vamos alterar a densidade de 1.025 (água salgada) para 1.000 (água normal):

Clicamos em OK e os cálculos passarão a ser feitos para água normal.

Temos agora que avaliar suas características para termos noção das modificações que teremos que fazer, para isso vamos no menu Calculations e clicamos em Design hydrostatics e obtemos:

As grandezas que precisamos monitorar de início é:

Displacement =deslocamento = peso da água deslocada pelo volume imerso, que é igual ao peso do barco (Princípio de Arquimedes)

Prismatic coefficient = coeficiente prismático

Wetted Surface Area = superfície molhada

Longitudinal center of buoyancy = centro de empuxo longitudinal

Waterplane center of floatation = centro de flutuação

Para quem não tem muita familiaridade com essas grandezas sugiro fazer uma leitura nesta página:

http://frediom.wordpress.com/projeto/

Displacement = 418.43 tonnes

Prismatic coefficient = 0.5287

Wetted Surface Area = 274.5 m2

Longitudinal center of buoyancy = 18.384 m

Waterplane center of floatation = 17.642 m

Esses valores são para um barco de 38 m de comprimento, para passar para nosso Footy ficaria:

Displacement = 418.43 tonnes = 418340 kg => 418340 kg/1.000.000 = 0.418340 kg =418,43 g

Vemos então aqui que como trabalhamos em kg e o Freeship em toneladas basta dividirmos o peso dos cálculos do Freeship por mil ou seja 418,34 tonnes => 0,41834 kg ou lermos o valor do Freeship direto em gramas 418,34 tonnes => 418,34 g para passarmos os valores achados para o nosso Footy.

Prismatic coefficient = 0.5287

Wetted Surface Area = 274.5 m2 => 274.5/10000 = 0.02745 m2 (área molhada do nosso Footy)

Longitudinal center of buoyancy = 18.384 m => 18.384/100 = 0.1834 m = 18,384 cm (CE do nosso Footy)

Waterplane center of floatation = 17.642 m => 17.642/100 = 0.17642 m = 17, 642 cm(CF do nosso Footy)

Vemos então que podemos ler as dimensões lineares (comprimentos) dadas pelo software em cm diretamente, para levarmos para o nosso Footy.

Bem vamos a análise dos valores. O Freeship nos informa que o deslocamento é de 418,43 g o que é pouco pois queremos 600 g. Temos que então, aumentar o volume imerso até que fique com 600 tonnes.

O c0eficiente prismático Cp é de 0,5287. Este coeficiente deve ficar entre 0,52 e 0,60. Para baixas velocidades o casco deve ter 0 Cp baixo e ir aumentando de acordo com o aumento de velocidade. Como só podemos ter um Cp para cada deslocamento me parece que no caso do Footy, que não tem limitação para área velica, é melhor termos um Cp alto, digamos de 0,58 e termos uma vela com mais de 1000 cm2 para ventos fracos para o Footy poder chegar mais fácil à velocidade máxima.

Assumindo que o Cp seja de 0,58 precisaremos aumentar o Cp do barco sugerido pelo software.

A fórmula do Cp é:  Cp = Volume/Área da seção mestra (Asm) * Comprimento da linha d’água de flutuação (Lwl).

Vemos então que para aumentarmos o Cp é preciso ou aumentar o Volume ou diminuir a área da seção mestra. Como temos que aumentar o volume de 418,43 m3 para 600 m3 vamos ver qual seria a área da seção mestra necessária para obtermos o Cp de 0,58:

Do Freeship: Total length of submerged body = 30.776 m . Vemos aqui uma diferença grande entre o Comprimento Total (L0a) = 38 m e o Lwl e vamos ver o porquê no desenho. O motivo é a popa muito levantada do barco padrão Freeship. O nosso poderá ter a popa mais perto da superfície d’água o que aumentará o Lwl para obtermos um potencial de velocidade maior. Nossa fórmula fica:

0,58 = 600/Asm*Lwl

Então a primeira mexida que vamos fazer no desenho é abaixarmos a popa. Uma vez mudado veremos o Lwl e voltaremos a fórmula.

A janela do Freeship é composta de 4 janelas, 3 delas correspondem as vistas necessárias para a definição das formas do casco: O Profile View que são as seções longitudinais, o Bodyplan View que são as seções transversais e o Plan View que são as seções horizontais, e a quarta janela é uma vista real em 3D do nosso barco.

Para mudarmos a popa iremos maximizar a janela Profile view que ficará assim:

Note a malha desenhada em linhas azuis com contorno vermelho e pontos pretos, estes pontos pretos são aqueles 42 que falamos aí em cima. Esta malha envolve o casco e para mudar a forma do casco mexemos nestes 42 pontos. Esta malha pode ser retirada da tela indo no menu Visibility e clicando em Control net, se fizermos isso ficaremos com a tela assim:

Podemos acessar este comando procurando o ícone na barra de menus e clicando nele:

é o primeiro ícone da barra.

Se tiver dificuldade em ver a malha clique várias vezes no ícone que ela irá aparecer e desaparecer e poderá ser melhor visualizada. É importante você visualizar sempre a malha e o desenho para não se confundir. Você só consegue mexer no desenho clicando em cima dos pontos pretos e arrastando, fazendo isso você verá o casco se modificando.

A linha vermelha inferior da malha corresponde a linha de centro, a parte vertical corresponde a proa e popa e a superior ao convés, mexeremos então nos dois pontos  mais a ré da linha vermelha inferior na região da popa:

Abaixada a popa na linha de centro podemos voltar aos cálculos. Aqui vale comentar sobre a pequena janela que se abre quando você clica num ponto da malha. Ela mostra as  coordenadas do ponto. Como os dois pontos que mexemos está na linha de centro o valor y do ponto tem sempre que ficar 0.0, se não ficar o Freeship nada calculará. Depois de colocar o ponto onde queremos vamos na pequena janela e digitamos 0.0 para o valor de y. Passemos aos cálculos:

e vemos que o Total length of submerged body = 33.922 m que no nosso Footy ficará como 33.922 cm. Esse valor pode ser aumentado se mexermos na inclinação da proa. O Footy, ao contrário do IOM ou do RG 65, tem a proa inclinada, isso por que a proa tem que ficar dentro da caixa, dê uma olhada na foto acima. E essa inclinação é função do comprimento do barco. Mas não vamos nos preocupar com isso agora, vamos calcular a área necessária para que o barco fique com Cp = 0,58:

0,58 = 600/Asm*Lwl

com Lwl = 33.922 m (pois estamos trabalhando com o barco de 38.00 m de comprimento)

0.58 = 600/Asm * 33.922   logo

Asm = 600 / 33.922 * 0.58

Asm = 30,495 m2 = 30,5 m2

Se formos nos cálculos vemos que a Midship section area = Asm = 25.714 m2, logo precisamos aumentar a área da seção mestra e aumentar o volume.

Isso será possível aumentando a área da seção  mestra e aumentando a área das outras seções (seção mestra é a seção transversal de maior área). Para fazermos isto minimizaremos o Profile view e trabalharemos no Bodyplan view:

Como mexemos nos dois pontos da malha no Profile View não víamos a consequência desta mexida nas seções transversais, o que podemos ver agora. As últimas seções ficaram deformadas, para acertamos vamos mexer nos pontos da malha. O primeiro é o que está selecionado na figura abaixo. Quando selecionamos um ponto (clicando em cima dele) um quadrado envolve o ponto:

Clicando e arrastando o ponto para baixo fica:

Neste ponto, em que vamos ter que mexer na seção mestra e nas outras seções notamos que o Bodyplan view tem muitas seções transversais. Vamos diminuir o número destas seções. Como sabemos que o LWL é de 33,922 m, podemos estipular um espaçamento entre seções de: 33,922 / 10 = 3,3922 m, o que nos dará 11 seções dentro do Lwl o que nos facilitará o trabalho. Para fazermos isso vamos no menu Calculations e clicamos em Intersections e depois no primeiro ícone que são as seções transversais (Stations):

Clicamos no ícone lixeira e vemos que por detrás da janela todas as seções se apagam, clicamos então no ícone +N e surge uma caixa de diálogo onde colocaremos o valor acima –> 3.3922 e em seguida clicaremos em OK:

Vemos então as novas seções transversais, agora espaçadas de 3,3922.

Cabe aqui atenção – o software usa a grafia inglesa, então a nossa vírgula tem que ser substituída por um ponto ao colocarmos nossas medidas no software.

As novas seções transversais ficam assim:

Como procedimento padrão o Freeship coloca a seção mestra – seção de maior área transversal imersa no meio do comprimento total, mas vamos colocá-la na posição 16.961 m que corresponde a maior seção  do lado esquerdo, seções de ré. Para fazer isto vamos no menu Project –> Project settings –> Main Dimensions e colocar este valor na janela Midship or maximal area station location retirando a seleção no quadrado Default at 0.5*L:

Feito isso vamos aumentar a parte submersa da maior seção submersa do lado esquerdo, nossa seção mestra:

Vamos em Calculations –> Design Hydrostatics e vemos que nossa área passou para 27.396 m2, como precisamos de 30.5 m2 precisamos continuar aumentando:

Vamos repetir este processo até chegarmos a 30.5 m2. Neste ponto de modificar a seção transversal podemos introduzir a forma que queremos para as seções transversais, circulares, parabólicas, quadradas, triangulares, etc ou uma mistura entre elas. Eu vou deixá-las aproximadamente circulares:

Vemos então que a minha seção final ficou com 30.506 m2 e o meu deslocamento aumentou para 493.70. Para chegar a 600 tonnes vamos aumentar as demais seções e ir monitorando o deslocamento. Uma observação interessante é vermos o Cp que passou para 0.4821, isto porque aumentamos bem a área da seção mestra mas o deslocamento aumentou pouco, mas quando o deslocamento chegar a 600 ele vai ficar com 0.58.

A modificação das áreas das outras seções podem seguir algum critério – senoidal ou trocoidal ou qualquer outro que o projetista queira e isso nós acompanhamos na curva de áreas mostrada no Profile view, mas nós vamos nos preocupar que estas modificações que vamos fazer apenas não deforme a curva de áreas e a mantenha contínua e sem cavados ou cumes bruscos:

Vemos que nesta figura o Displacement indicado se encontra avante da seção 16961 e por isso vou procurar colocá-lo um pouco mais para ré aumentando um pouco mais as seções de ré do que as de vante.

O resultado do meu trabalho foi este, procurei fazer um casco bem tradicional, sem quina, sem maiores novidades:

O resultado dos cálculos foi este:

Vou colocar abaixo as 3 vistas aumentadas para servir como referência:

O próximo passo é acertar a parte acima da linha d’água de projeto. vemos que a altura máxima na proa, indicada no Profile view é 1502 ou seja 1102 acima da linha d’água de projeto, no nosso Footy seria 11 cm acima. Pela experiência do Carcará e Footy eu diria que 5 cm acima seria razoável, assim vamos ter baixar a parte superior para 9002:

Vamos abaixando todos os pontos superiores da malha, até ficar assim:

Eu deixei a altura da popa fora d’água com 4 cm, tendo assim o convés uma queda de 1 cm.

Dependendo do percurso da regata o barco pode passar mais tempo inclinado que na vertical, então eu estudo muito bem o barco inclinado. Vamos então ver as linhas d’águas inclinadas e os cálculos do barco inclinado.

Vamos ao menu Transform –> Mirror:

Click em OK e depois marque a caixa Vertical Plane e click em OK

Vamos rotacionar o casco em 35 graus  –> Menu :  Transform –> Rotate

Click em OK, e depois na caixa Longitudinal Axis coloque 35 e teremos a janela:

Veja as várias janelas principalmente a Plan View, mas podemos ver em 3D na janela Perspective View. Maximize a Perspective View. Clique o botão direito do mouse e escolha no menu –> Mode –> Shade e use as réguas da janela para movimentar o casco:

See the waterlines ends, they are inclined in relation to the old centerline and has a curvature between them. I think that this tends to put the boat crossed over the direction of the course. Normally I work to eliminate this distortion to the maximum I can.

An other interesting point is the chine in the fore centerline formed by the two sides of the boat.

Let’s go work on waterlines. Minimize Perspective View and maximize Plan View.

Trigger the Control net:

Select the point in the stern showed in the figure below:

Let’s take it closer to the center line and then do the same with the stern point above this and we have:

See that I also moved the selected point in the figure above.

Let’s minimize the Plan View and maximize the Perspective View:

See the step in the stern, as we do a mirrored when we change one side the other do not change, and here we have a problem: how we can do exactly the same modification?

1 – Go to eliminate the rotation ==>  Menu Transform –> Rotate –> Longitudinal Axis –> (Type) – 35    –> Click OK       and we have a rotation for the other side.

2 – Before we adjust the mirrored I will go adjust the points changed in the Plan View in the transverse section:

Minimize the Plan View, maximize the Bodyplan View:

Note that the aft section is decentralized in relation to the fore sections, but the control net points are with right measures.

Let’s adjust this, clicking in the two centerlines points in the left side and in the right side we can see that they are 0.6657 away from centerline.  Remove the control net. Going to the Menu ==> Transform –> Move –> OK –> Transverse Axis –>  type 0.6657 –> OK :

(NOTE: I don’t know why this occurs – the transverse translation)

I was able to make new waterlines like explained before.

Select Control Net and select the left point:

The next step is adjust the points, but care, adjust only the points in the aft sections positioned on the left side, the other side, right side, we will use the points window to take them equal to the left side.

Now we will go select the points changed in the left side take the measures from the point window and transfer to symmetric points at right:

X = 0.00;   Y = 0.8136;   Z=4.2792

Choose the symmetrical:

Change the values on window  – Change the signal for Y:

Do the same for the others points and we have:

Let’s rotate 35 degree and see as was the changes:

Lets maximize the Perspective view and see the inclined stations , see how they are more similar port and starboard even inclined:

Let’s try improve the bow, see the fore sections:

The worst section is the 30530, let’s try improve.

Is more easy unrotate and work with the boat up:

I made the station more in U:

Improved?

CONTINUA…

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