Introdução:

A navegação a vela começou há milhares de anos, quando um ser humano primitivo segurou um pedaço de pele contra o vento e descobriu que podia se deslocar sem utilizar remos, sempre que o vento fosse bom. Quando o vento não fosse bom, ele aceitava o fato de ainda ter que remar. Com o decorrer dos séculos, embarcações movidas a vela foram desenvolvidas para a pesca, o comércio e para fins militares. A pele primitiva para prender o vento foi substituída por velas de tecido. Essas embarcações eram razoavelmente eficientes para a navegação com o vento a favor ou lateral, mas extremamente lentas para navegar contra o vento. Como elas tinham que velejar em cursos de água estreitos, nos quais a única opção era navegar contra o vento boa parte do tempo, embarcações menores de vários tipos surgiram: as embarcações árabes (dhows), do mar Vermelho, e inglesas (cutters), no Canal de Bristol, foram as primeiras a demonstrar uma boa capacidade de velejar na direção do vento.

Hoje em dia, os modernos barcos a vela podem velejar normalmente contra o vento e, em alguns casos, serem mais rápidos que ele. A partir do momento em que motores foram instalados nos barcos, a navegação a vela se tornou uma atividade de lazer: um esporte no qual o entendimento da física envolvida é extremamente útil.

Como as Velas Funcionam

Poderíamos pensar que uma embarcação só poderia se mover na direção para onde o vento sopra - ou seja, a favor do vento. Porém, uma vela triangular permite que um barco se mova na direção do vento (barlavento). Para entender como esse movimento é obtido, precisamos primeiro identificar algumas das partes de uma vela.

A borda frontal de uma vela é chamada de ló; ela se posiciona na proa do barco. A borda posterior na popa é chamada de testa. A linha horizontal imaginária do ló à testa é chamada de corda. A curvatura em uma vela é chamada de calado, e a medição perpendicular da corda até o ponto de calado máximo é chamada de profundidade da corda. O lado da vela preenchido pelo ar para criar uma curva côncava é chamado de lado de barlavento. O lado que é insuflado para fora, criando uma forma convexa, é chamado de lado de sotavento. Voltaremos a esses termos na continuação do texto.

Partes da vela e terminologia

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Um barco se move na direção do vento por meio das forças criadas em cada lado da vela. Essa força total é uma combinação de uma força positiva (empurrar) sobre o lado de barlavento e uma força negativa (puxar) no lado de sotavento, ambas atuando na mesma direção. Apesar de não parecer, a força de puxar é, na realidade, a mais forte das duas.

Em 1738, o cientista Daniel Bernoulli descobriu que um aumento na velocidade do fluxo de ar em relação à corrente de ar livre ao seu redor provoca uma diminuição da pressão no local onde ocorre o fluxo de ar mais rápido. Isso é o que ocorre no lado de sotavento da vela - o ar aumenta de velocidade e cria uma área de baixa pressão atrás da vela.

O princípio de Bernoulli agindo sobre um guarda-chuva

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Por que o ar aumenta de velocidade? O ar, como a água, é um fluido. Quando o vento encontra a vela e é dividido por ela, uma parte dele adere no lado convexo (sotavento) e permanece ali. Para que o ar "livre" logo acima do ar "aprisionado" possa passar pela vela, ele tem que se curvar para fora, na direção do ar não afetado pela vela. Porém, essa corrente de ar livre tende a manter seu escoamento em linha reta e atua como uma espécie de barreira. A combinação da corrente de ar livre com a curva da vela cria um canal estreito através do qual o volume inicial do ar tem que passar. Como ele não pode comprimir a si próprio, esse ar tem que aumentar a velocidade para se comprimir através do canal. Esse é o motivo pelo qual a velocidade de escoamento aumenta no lado convexo da vela.

Uma vez que isso ocorre, a teoria de Bernoulli entra em ação. O escoamento de ar aumentado no canal estreito é mais rápido que no ar ao seu redor, e a pressão diminui nessa área de escoamento mais rápido. Isso cria uma reação em cadeia. À medida que o ar novo se aproxima da borda frontal da vela e se divide, uma parte maior dele escoa para o lado de sotavento - o escoamento de ar é atraído para as áreas de baixa pressão e repelido pelas áreas de alta pressão. A seguir, uma massa ainda maior de ar deverá passar com maior velocidade para se comprimir através do canal causado pela vela convexa e pelo fluxo de ar livre, causando uma pressão de ar ainda mais baixa. Esse processo continua a se formar até que a velocidade máxima seja atingida para a condição de vento existente e uma área de baixa pressão seja criada no lado de sotavento. Observe que o escoamento de ar aumenta somente até alcançar o ponto mais profundo da forma curva (a profundidade da corda). Até esse ponto, o ar está convergindo e aumentando de velocidade. Além desse ponto, o ar diverge e diminui de velocidade até o valor da velocidade do ar ao redor.

Escoamento laminar de ar em torno de uma vela (ângulo ideal entre a vela e o vento)

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Enquanto isso, exatamente o oposto está ocorrendo no lado de barlavento da vela. À medida que mais ar passa pelo lado de sotavento, haverá menos ar no lado de barlavento para passar através do espaço expandido entre o lado côncavo da vela e a corrente de ar livre. Como esse ar se espalha para fora, ele diminui de velocidade até um valor menor que a velocidade do ar ao redor, criando um aumento na pressão.

Forças desenvolvidas por uma vela no escoamento laminar.

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Agora que conhecemos essas forças potenciais, como realmente trabalhamos com elas para movimentar nosso barco? Precisamos criar um relacionamento ideal entre a vela e o vento, que permitirá que o vento aumente de velocidade e escoe ao longo da curva convexa da vela. Uma parte desse relacionamento entre vela e vento é chamado de ângulo de ataque. Imagine uma vela apontando diretamente para o vento. O ar será dividido igualmente de cada lado - a vela cede em vez de se inflar em uma forma curva, o ar não aumenta de velocidade para formar uma área de baixa pressão no lado de sotavento e o barco não se movimentará. Porém, se a vela formar um ângulo com o vento de valor adequado, ela se inflará repentinamente e aparecerão forças aerodinâmicas.

O ângulo de ataque deve ser muito preciso. Se ele permanecer muito próximo ao vento, a frente da vela baterá. Se ele for muito amplo, as linhas de escoamento ao longo da curva da vela se descolarão e se juntarão com o ar ao redor. Essa separação cria uma "zona de estol" de redemoinho de ar que causa uma diminuição na velocidade e um aumento na pressão. Como a curvatura de uma vela sempre fará com que sua extremidade posterior esteja posicionada em relação ao vento com um ângulo maior que a borda frontal, o ar na testa da vela será incapaz de acompanhar a curva e retornará em direção do ar livre ao redor. Idealmente, a separação não deveria começar até que o ar alcance a testa da vela. Porém, à medida que o ângulo de ataque da vela aumenta, esse ponto de separação se desloca gradualmente para a frente e deixa tudo o que está atrás dele em uma zona de estol.

Influência do ângulo de ataque

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Podemos observar que, além de obter o ângulo de ataque correto para permitir que o ar passe sem obstáculos sobre a vela, o outro fator importante no relacionamento vento-vela é que esta deve ter a curvatura correta, de forma que o ar fique colado em todo o caminho até a extremidade posterior. Se a curva for muito suave, o ar não se curvará e não haverá o efeito de compressão que aumenta a velocidade. Se a curva for muito acentuada, o escoamento não poderá permanecer colado. Portanto, a separação pode ocorrer com muita curvatura, bem como com um ângulo de ataque muito grande.

Portanto, agora sabemos como as pressões sobre a vela se desenvolvem na teoria e na prática. Mas como essas pressões movem o barco para a frente? Vamos dar uma olhada mais de perto.

A pressão do ar ao nível do mar é de 10 toneladas por metro quadrado. Você deve estar lembrado de que, se o escoamento de ar no lado de sotavento da vela aumenta, a pressão do ar diminui. Suponha que haja uma diminuição de 20 quilos por metro quadrado. Do mesmo modo, a pressão do ar no lado de barlavento aumenta - vamos dizer, em 10 quilos por metro quadrado (lembre-se de que a pressão de puxar é mais forte que a de empurrar). Mesmo que a pressão no lado de sotavento seja negativa e no lado de barlavento seja positiva, as duas trabalham na mesma direção. Portanto, teremos um total de 30 quilos por metro quadrado. Multiplique esse valor por uma vela de 10 metros quadrados e teremos criado uma força total de 300 quilos sobre a vela.

Cada ponto da vela apresenta pressões diferentes atuando sobre ela. A força mais forte ocorre na profundidade da corda, onde a curva da vela é a mais profunda. É aí que o ar escoará com maior velocidade e haverá a maior queda de pressão. A força diminui à medida que o escoamento de ar se move para a parte posterior e se separa. A direção dessas forças também muda. Em cada ponto da vela, a força será perpendicular à superfície. As forças de maior intensidade na parte dianteira da vela também estão na direção mais avançada. No meio da vela, a força muda para uma direção lateral ou inclinada. Na parte posterior da vela, a força enfraquece ainda mais à medida que a velocidade do vento diminui e provoca uma direção reversa ou de arrasto.

Cada força sobre uma vela pode ser calculada para determinar a intensidade relativa de seus componentes de avanço, inclinação e arrasto em cada lado. Como as forças de avanço também são as mais fortes, a força total atuando sobre a vela estará em uma direção ligeiramente para a frente, mais para as laterais. O aumento da capacidade de uma vela em ganhar maior impulso para a frente também resultará em um maior aumento da força de inclinação. Dessa forma, como nos movemos para dentro do vento, quando a maior força é para o lado? Isso envolve o ângulo de ataque da vela para o vento e a resistência do barco para o outro fluido aqui envolvido: a água.

Forças atuando sobre um barco navegando contra o vento

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A direção da força total é aproximadamente perpendicular à corda da vela. Quando a corda de uma vela estiver paralela à linha central do barco, a força principal estará quase totalmente para o lado. Porém, se a vela formar um pequeno ângulo de forma que a força esteja em uma direção ligeiramente para a frente, o próprio barco se moverá um pouco para a frente. Por quê? A linha central do barco, ou quilha, atua contra a água de forma semelhante àquela da vela contra o vento. A quilha produz uma força que se opõe à força de inclinação da vela - ela impede o barco de avançar simplesmente na direção da força da vela. Além disso, apesar de a força total da vela estar sempre para o lado ao navegar dentro do vento, um ângulo de ataque apropriado moverá o barco para a frente.

Quanto maior o ângulo formado pela vela com a linha central do casco, maior será a força que aponta para a frente em relação à força lateral. Combine esse ligeiro ajuste na força para a frente com a oposição da água ao ar e teremos um barco avançando na direção do vento, pois agora esse é o curso que apresenta menor resistência.

Texto: Guillaume Florent (Ex-Engenheiro de TI da SCHLUMBERGER)
Tradução: Corinne Damas-Sandiford (Tradutora SEED)
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