Como medir a velocidade real do seu barco com GPS

Introdução

O seu marcador de nós indica 6,2 kn (7,1 mph)6,2 kn (11,5 km/h). O celular preso ao timão indica 7,4 kn (8,5 mph)7,4 kn (13,7 km/h). Mesmo barco, mesmo segundo, dois números com mais de um nó de diferença. Qual dos dois está mentindo?

Nenhum. O seu marcador de nós mede a que velocidade a água escoa ao longo do casco; o GPS mede a que velocidade o casco se desloca sobre o fundo. A diferença entre os dois é a corrente em que você está — misturada com o que quer que o seu marcador de nós esteja errando. Separar essas duas coisas é para isso que serve um teste de velocidade do barco, e ele leva uns dez minutos.

Pontos principais

• O seu marcador de nós mede a velocidade na água; o GPS mede a velocidade sobre o fundo. Em um rumo reto a favor ou contra a corrente, a diferença entre os dois é a corrente mais qualquer erro do marcador de nós.
• Uma única passada não serve de nada para medir o seu barco (ela é uma velocidade sobre o fundo perfeitamente válida para navegar). Faça o mesmo percurso nos dois sentidos e tire a média das duas — uma corrente constante se cancela exatamente.
• A média das duas passadas é a sua velocidade na água. É contra ela, e não contra uma única passada de GPS, que você calibra o marcador de nós; calibrar contra uma passada só grava a corrente dentro do instrumento.
• A velocidade média é o número honesto. Uma máxima é um pico de um segundo — ela conta sobre uma onda, não sobre o seu barco.
• 1 nó = 1 milha náutica por hora = 1,15078 mph1,852 km/h, e uma milha náutica são 1.852 metros (6.076 pés)1.852 metros exatos, por definição.

Por que os instrumentos do próprio barco se desviam

Instrumentos náuticos de velocidade não são engenharia ruim. São engenharia antiga, e todos eles medem algo que faz as vezes da velocidade, em vez de medir a velocidade em si.

A roda de pás conta voltas, não avanço. O instrumento mais comum em barcos de série é uma pequena roda de pás em um passador de casco. A água a gira, um ímã aciona um sensor, e o display converte pulsos em nós usando uma constante gravada de fábrica — uma constante que pressupõe a roda limpa, o mancal livre e o escoamento sem perturbação. As três coisas se degradam. Uma temporada de limo e cracas acrescenta arrasto, a roda gira mais devagar do que a água ao redor dela, e o instrumento marca abaixo. É o mesmo modo de falha de um carro que conta voltas de roda e pressupõe um diâmetro de pneu, que é exatamente por que a velocidade GPS é mais confiável que o instrumento do próprio veículo.

Tubos de Pitot medem pressão, não velocidade. Lanchas rápidas de planeio costumam usar uma tomada voltada para a frente que percebe a pressão da água forçada para dentro dela. A pressão sobe com o quadrado da velocidade, então o instrumento é sensível no topo da faixa e quase inútil na parte de baixo: abaixo de mais ou menos 8–10 kn (9–12 mph)8–10 kn (15–19 km/h), muitos marcam abaixo, marcam de forma errática ou simplesmente não registram nada. Eles também entopem com facilidade — um ninho de vespa no inverno, um pedacinho de alga — e um entupimento parcial alivia a pressão percebida, então o instrumento passa a marcar abaixo em silêncio, sem nada obviamente quebrado.

A posição do transdutor importa. Um transdutor de velocidade amostra a camada de água que o seu casco já perturbou, e não o mar aberto. Pior: o erro muda com o trim. Um barco parado fica nivelado; o mesmo barco em planeio fica com a proa alta e uma seção diferente do casco molhada. É por isso que um marcador de nós pode ser razoavelmente preciso em velocidade de deslocamento e bem errado em cruzeiro, e por isso que uma calibração de um ponto só raramente resolve um barco em toda a faixa dele.

Nada disso dá para resolver do timão. O que dá para resolver é ter uma segunda fonte de velocidade, independente, para conferir — que é o que um celular rodando um velocímetro GPS para barco oferece: sem passador de casco, sem peça móvel, sem nada para incrustar.

Velocidade na água x velocidade sobre o fundo

Existem duas respostas legítimas para “a que velocidade este barco está indo”, e elas são grandezas diferentes.

A velocidade na água (STW, speed through the water) é a sua velocidade em relação à água em que você flutua — o que uma roda de pás ou um tubo de Pitot mede, e o número que importa para o ajuste das velas e para o desempenho do casco. A velocidade sobre o fundo (SOG, speed over ground) é a sua velocidade em relação ao fundo do mar — o que o GPS mede, e o número que importa para planejar a travessia, para a sua hora de chegada e para saber se você vai passar daquela ponta antes de a maré virar.

A diferença entre as duas é a corrente. Isso não é regra de bolso, é aritmética vetorial: o seu movimento sobre o fundo é o seu movimento na água mais o movimento da própria água.

Volte ao par de números da introdução. O marcador de nós indica 6,2 kn (7,1 mph)6,2 kn (11,5 km/h) e o GPS indica 7,4 kn (8,5 mph)7,4 kn (13,7 km/h). Em um rumo reto com a corrente exatamente pela popa, essa diferença de 1,2 kn (1,4 mph)1,2 kn (2,2 km/h) é a maré te empurrando — mais o que quer que o seu marcador de nós esteja errando. Uma leitura só não separa as duas coisas. Dê meia-volta e faça o rumo recíproco, e a mesma maré agora subtrai: o marcador de nós continua marcando por volta de 6,2, mas o GPS cai para uns 5,6 kn (6,4 mph)5,6 kn (10,4 km/h).

Nada quebrou entre essas duas passadas. O barco não perdeu velocidade — você deixou de ser ajudado e passou a ser atrapalhado, e só o número do GPS percebeu, porque só ele está referenciado a algo que não se move. Os dois coincidem quando a água está parada e o marcador de nós é honesto: em um lago calmo eles devem bater, em um rio de maré podem diferir em vários nós e os dois estarem certos.

O que um teste de velocidade por GPS realmente mede

Um velocímetro GPS não tira duas posições e divide pelo tempo. Ele deriva a velocidade do desvio Doppler na portadora do sinal do satélite: o seu movimento em relação a cada satélite estica ou comprime a frequência recebida em uma medida minúscula e mensurável, e com quatro ou mais satélites à vista o receptor resolve esses desvios para um vetor de velocidade tridimensional. A velocidade sobre o fundo é a componente horizontal dele.

Duas coisas decorrem daí. Ela é rápida, porque uma medição de frequência não precisa de uma base longa — a leitura se estabiliza em um ou dois segundos após uma mudança de velocidade, em vez de ficar atrasada em relação a ela. E ela é precisa em velocidade: precisão de posição e precisão de velocidade são especificações separadas, então a sua posição pode oscilar alguns metros enquanto a solução de velocidade continua boa a alguns décimos de nó, com céu desobstruído. A mecânica está explicada direito em como funcionam os velocímetros GPS.

O que o GPS não consegue dizer é a sua velocidade na água. Ele não tem como saber que o oceano inteiro está derivando a dois nós — do ponto de vista de um satélite, água é cenário. Isso não é uma limitação a contornar; é exatamente a propriedade que faz do GPS a referência contra a qual você confere todo o resto.

A passada dupla: um teste de velocidade de barco que funciona

Se você pega uma leitura de GPS em um rumo só e chama aquilo de velocidade do seu barco, você mediu o seu barco mais o que a água estava fazendo. Em uma costa de maré, isso pode ser uma mentira de dois nós para qualquer lado.

A solução é a passada dupla, emprestada dos ensaios de milha medida que os estaleiros usam há um século. Você percorre o mesmo trecho nos dois sentidos e tira a média dos dois resultados. Uma corrente constante soma em uma passada e subtrai na outra na mesma medida, então a média é a sua velocidade com a corrente removida.

Como fazer

1. Escolha uma água que dê para usar. Você quer um trecho reto e desobstruído, fundo o bastante para não estar lutando contra o arrasto de água rasa, fora do canal de navegação e livre de tráfego que te obrigue a mudar de rumo no meio da passada. A profundidade importa mais do que as pessoas imaginam, e não em uma direção só: água rasa freia um casco de deslocamento, enquanto um casco de planeio pode até andar mais rápido sobre um fundo raso. De um jeito ou de outro, a profundidade vira uma variável que você não pretendia medir, e o caso do planeio é o perigoso, porque ele embeleza o resultado.
2. Escolha um comprimento. Pelo menos 0,5 MN (0,58 milha terrestre)0,5 MN (0,93 km) por passada, e 1 MN (1,15 milha terrestre)1 MN (1,85 km) se você tiver espaço. Passadas mais longas diluem a variação de onda para onda. Passadas curtas são dominadas pelo momento que você por acaso amostrou.
3. Estabilize o barco antes. Chegue ao regime de aceleração que você quer testar, segure e dê tempo ao barco para atingir uma atitude e uma velocidade constantes antes de a passada começar. Em um casco de planeio isso pode levar quinze ou vinte segundos. Trim, flaps e carga devem estar exatamente onde você pretende deixá-los.
4. Faça a primeira passada em um rumo fixo, mantendo a aceleração constante e governando o mais reto que as condições permitirem. Não fique perseguindo o número da velocidade com a aceleração. Anote a velocidade média de GPS da passada.
5. Dê meia-volta e faça o rumo recíproco, mesma aceleração, mesmo trim, mesma água, sentido oposto. Faça uma volta larga o bastante para já estar em velocidade estabilizada quando a segunda passada começar.
6. Repita se os números parecerem estranhos. Dois pares de passadas custam cinco minutos a mais e dizem na hora se o primeiro par estava contaminado.

A conta

Pegue as duas médias, some e divida por dois. É só isso.

Digamos que a passada a favor tenha dado em média 7,4 kn (8,5 mph)7,4 kn (13,7 km/h) e a passada contra tenha dado 5,6 kn (6,4 mph)5,6 kn (10,4 km/h):

velocidade real = (7,4 + 5,6) / 2 = 6,5 kn
corrente        = (7,4 − 5,6) / 2 = 0,9 kn

O seu barco está fazendo 6,5 kn (7,5 mph)6,5 kn (12,0 km/h) na água naquele regime de aceleração, e você estava em uma corrente de 0,9 kn (1,0 mph)0,9 kn (1,7 km/h). Os dois números saíram das mesmas duas passadas.

A média aritmética cancela exatamente uma corrente constante e alinhada com o percurso. Essa é a suposição em que todo o método se apoia, e ela tem três formas de falhar.

Uma maré virando. Se a corrente muda enquanto você faz as passadas, a média fica enviesada pelo tanto que ela se moveu entre elas — que é por que as passadas são feitas uma logo depois da outra, e não com uma hora de almoço no meio. Fazer dois pares e compará-los detecta isso, mas não corrige. Se você quer a correção, a resposta da milha medida são quatro passadas ponderadas em 1:3:3:1 e divididas por oito, o que cancela exatamente uma corrente que varia de forma constante:

velocidade real = (passada1 + 3 × passada2 + 3 × passada3 + passada4) / 8

Uma corrente atravessada ao seu percurso. O método pressupõe que a água se move ao longo do seu rumo, e não de través. Uma corrente puramente de través é o caso desagradável: ela te freia na mesma medida nas duas passadas, então as duas leituras coincidem, a conta reporta corrente zero, e a média sai um pouco alta demais. Parece um resultado limpo, e não é. Escolha um percurso alinhado com a corrente de maré, o que na maioria das costas quer dizer ao longo do canal, e não atravessado a ele.

Um barco que não está fazendo a mesma coisa duas vezes. Vento e estado do mar mudam a sua velocidade na água, então se o vento aumenta entre as passadas, as duas não estão medindo o mesmo barco.

O vento é um caso à parte, e vale ser claro sobre ele. O vento empurra o seu aparelho e a sua obra morta e muda a sua velocidade na água, então um vento de proa realmente freia o barco e a média das duas passadas vai ser menor do que em um dia calmo. O que o vento não faz é enviesar a leitura do GPS. O receptor informa a que velocidade o casco está se movendo sobre o fundo, seja qual for a combinação de empuxo, corrente e ação do vento que produziu aquilo.

O que anotar

A maioria dos aplicativos de velocidade oferece máxima, média e distância. Elas não são igualmente úteis, e tratá-las como intercambiáveis é o jeito de acabar citando uma velocidade máxima que o seu barco nunca sustentou de verdade.

A velocidade máxima é a maior leitura isolada da passada — o número que todo mundo quer e o que menos significa. Ela é um evento de um segundo: o barco surfando a face de uma onda, ou pegando um momento de corrente favorável. Ótima para se gabar, inútil para comparar.

A velocidade média é o número honesto — o que o barco de fato sustentou ao longo de toda a passada, e o único dos três que compara de forma significativa entre passadas, regimes de aceleração ou temporadas. É também sobre ela que a passada dupla se apoia: você tira a média das médias de cada passada, nunca dos picos.

A distância é a sua conferência. Se o aplicativo diz que você percorreu 0,94 MN (1,08 milha terrestre)0,94 MN (1,74 km) em uma passada que você pretendia que tivesse 1 MN (1,15 milha terrestre)1 MN (1,85 km), a passada foi cortada e a média está descrevendo um trecho de água menor do que você planejou.

Anote as condições ao lado dos números: regime de aceleração ou RPM do motor, posição do trim e dos flaps, combustível e água a bordo, número de pessoas, estado do mar e direção do vento em relação ao percurso. Um barco que fez 6,5 kn (7,5 mph)6,5 kn (12,0 km/h) leve e em água chapada não vai repetir isso com os tanques cheios e quatro convidados, e se você não anotou a diferença vai passar o inverno se perguntando o que houve com o motor.

É por isso que o aplicativo que você usa deve gravar a viagem, e não só mostrar um ponteiro: gravar a passada te dá uma média sobre um trecho definido, em vez de um número que você espiou de canto enquanto governava. Um velocímetro GPS configurado em nós guarda máxima, média e distância por viagem — exatamente o registro de três colunas que este método pede.

Por que a velocidade dos barcos é medida em nós

Um nó é uma milha náutica por hora, e uma milha náutica são 1.852 metros (6.076 pés)1.852 metros exatos, por definição — um valor escolhido para ficar bem perto de um minuto de latitude. Isso lhe dá uma propriedade que nenhuma milha terrestre ou quilômetro tem: a escala de latitude na lateral de uma carta náutica funciona também como escala de distância, então um barco a 10 nós cobre dez minutos de latitude em uma hora. Meça com o compasso contra a parte dessa escala que está no seu través, e não contra a borda de cima ou de baixo da folha — em uma carta de Mercator a escala se estica conforme você sobe ou desce em latitude.

As conversões, para quando você precisar conversar com alguém em terra:

Calibrando o marcador de nós a partir do resultado do GPS

A passada dupla te dá o fator de correção de graça. Você já tem a velocidade real na água; só falta o que o marcador de nós indicava enquanto você a fazia.

Do exemplo trabalhado: a média das duas passadas foi 6,5 kn (7,5 mph)6,5 kn (12,0 km/h), e o marcador de nós indicou 6,2 kn (7,1 mph)6,2 kn (11,5 km/h) nas duas passadas. O instrumento está marcando abaixo:

correção = 6,5 / 6,2 = 1,048  →  informe +4,8% (o marcador de nós marca abaixo)

A maioria dos displays de instrumentos modernos expõe um ajuste de calibração da velocidade do barco, seja como um percentual único, seja como uma tabela de vários pontos em que você informa uma correção para várias velocidades. Aplique o fator e depois refaça o teste para confirmar que pegou. Três coisas que vale saber antes:

Limpe o transdutor primeiro. Não adianta calibrar a incrustação para fora. Tire a roda de pás, remova o crescimento, confira se ela gira livre e só então meça — senão você grava as cracas desta temporada nos ajustes do instrumento e vai ter que refazer tudo quando elas caírem.

Calibre em mais de uma velocidade, se o seu sistema permitir. Rodas de pás não são lineares. Uma roda que marca 5% abaixo em velocidade de deslocamento pode marcar certo em cruzeiro, ou pior, então uma correção de ponto único conserta uma velocidade e desloca o erro para outro lugar. Se o seu display só aceita um número, calibre na velocidade em que você de fato passa o seu tempo.

Refaça uma vez por temporada. O crescimento volta e os mancais desgastam; a correção que estava certa em maio não vai estar certa em setembro.

Se o marcador de nós estiver errado em mais de uns 15% depois de limpo, ou se o erro dele mudar muito com a velocidade, a calibração está maquiando um problema de hardware — uma pá danificada, um sensor falhando ou um transdutor em escoamento ruim. Isso é serviço de docagem, não item de menu.

Perguntas frequentes

Como vejo a velocidade do meu barco em nós agora mesmo?

Qualquer velocímetro GPS configurado em nós mostra. O GPS te dá a velocidade sobre o fundo diretamente, sem passador de casco, sem calibração e sem nada para incrustar, então um celular no timão não precisa de nenhuma preparação além de céu desobstruído e alguns segundos para pegar a primeira fixação. Tenha em mente que essa é a sua velocidade em relação ao fundo do mar, então em uma corrente ela vai diferir do marcador de nós do próprio barco — essa diferença é a corrente, e não um defeito em nenhum dos dois aparelhos.

Por que o meu marcador de nós discorda do GPS do meu celular?

Porque eles medem coisas diferentes. O marcador de nós mede a velocidade na água; o GPS mede a velocidade sobre o fundo. Qualquer corrente separa os dois. Em um rumo reto contra ou a favor da corrente, a diferença é a corrente mais qualquer erro do marcador de nós — que é por que uma leitura só não te dá nenhum dos dois números sozinha. Se os dois continuarem discordando em água genuinamente parada — um lago em um dia calmo —, então você tem um erro real de instrumento, na maioria das vezes incrustação na roda de pás, e a passada dupla dirá o tamanho dele.

Qual é a precisão de um teste de velocidade de barco por GPS?

Em velocidade e com céu desobstruído, uma solução de velocidade por GPS costuma ser boa a alguns décimos de nó, porque a velocidade vem do desvio Doppler no sinal do satélite, e não da diferença entre posições. Isso é bem mais apertado que uma roda de pás ou um tubo de Pitot. A velocidade é a magnitude de um vetor de velocidade com ruído, então em repouso esse ruído não consegue se cancelar até zero — ele se retifica em um pequeno número positivo. Uma leitura de GPS de “0,3 nó” com o barco amarrado no cais é esse artefato, não movimento.

Que comprimento deve ter um percurso de teste de velocidade de barco, e quantas passadas?

Pelo menos 0,5 MN (0,58 milha terrestre)0,5 MN (0,93 km) por passada, idealmente 1 MN (1,15 milha terrestre)1 MN (1,85 km), e sempre duas passadas em rumos recíprocos, feitas uma logo depois da outra. Uma passada em cada sentido é o mínimo que permite a corrente se cancelar; dois pares é melhor, porque a concordância entre os pares mostra que a água estava estável enquanto você testava.

Vento e corrente afetam a leitura de velocidade do GPS?

Eles afetam o seu barco, não a leitura. Uma corrente move fisicamente o seu casco sobre o fundo, então o GPS corretamente mostra você indo mais rápido ou mais devagar — isso é a medição funcionando, não falhando. O vento muda a sua velocidade na água ao empurrar o aparelho e a obra morta, o que o GPS também informa corretamente. Nenhum dos dois introduz erro no próprio número do GPS; tirar a média de duas passadas recíprocas remove a contribuição da corrente e deixa o desempenho do seu barco.

Fontes e leituras adicionais

• BIPM — Brochura do SI, Tabela 8 (unidades fora do SI) — a milha náutica internacional como exatamente 1.852 metros.
• Desempenho do GPS Standard Positioning Service (gps.gov) — a especificação oficial de precisão do GPS civil, incluindo os números de velocidade por trás das afirmações sobre Doppler acima.
• NOAA — Uso de cartas náuticas e a escala de latitude — por que a distância é medida contra a escala de latitude no seu través.

Conclusão

O marcador de nós e o celular nunca estiveram competindo. Um diz como o casco está se movendo na água, que é o que você governa e ajusta. O outro diz como você está se movendo pela carta, que é o que te leva para casa antes de a maré virar. Um barco que conhece os dois números ganha a corrente de brinde.

Uma conferência de velocidade de barco pede um trecho reto de água funda: estabilize no regime de aceleração que te interessa, faça meia milha náutica, dê meia-volta, faça de volta e tire a média das duas. Anote a média, não a máxima, e registre as condições ao lado. Faça isso uma vez por temporada e você vai flagrar uma roda de pás incrustada direto do timão, em vez de descobrir na hora de tirar o barco da água.

Se você quer a configuração náutica — nós como unidade padrão, máxima, média e distância registradas por viagem, e um display que dá para ler no timão —, a página do velocímetro GPS para barco explica como funciona na água.

Baixe o GPS Speedometer e faça a sua primeira passada dupla neste fim de semana. O rastreamento de velocidade principal funciona offline e mostra nós, mph e km/h; recursos PRO opcionais estão disponíveis.