Занурення та занурення підводного човна
Тепер, коли ми знаємо, як підводні човни витримують гідростатичний тиск і як вони обмежують свій гідродинамічний опір, виникає питання переміщення.
Першим кроком є переміщення підводних човнів у тривимірних просторах: океанах та морях земної кулі. Як і човен, вони можуть рухатися вперед, повертати ліворуч або праворуч і навіть рухатися назад: це горизонтальне переміщення. До цих функцій додається вертикальний зсув, занурення на дно або підйом на поверхню. Крім того, сучасні підводні човни виконують ці дії одночасно, під час занурення вони продовжують просуватися. На відміну від перших підводних човнів, які мали функцію лише вертикального переміщення (див вступ).
Як вертикально рухаються підводні човни в океані?
Для вивчення руху підводного човна необхідно розмежувати два режими руху, які сильно відрізняються. Ми зупинимося на вертикальному переміщенні підводного човна, тобто на фазах занурення та занурення, які є більш цікавими та специфічними для підводних човнів.
Фаза занурення - це фаза, коли підводний човен опуститься на дно моря. Тоді як випадання - це фаза, коли підводний човен наближається до поверхні моря.
Спочатку ми опишемо принципи вертикального руху підводного човна. Для цього ми пояснимо теорему Архімеда, яка дозволяє нам знати, занурюється чи плаває тіло. Потім ми проведемо експеримент, імітуючи баласти. Потім ми використаємо наші результати для опису вертикального переміщення підводних човнів. Нарешті, ми порівняємо стратегії переміщення риб вертикально до стратегій підводних човнів.
поштовх Архімеда
Зараз ми будемо вивчати механізм, що дозволяє підводним човнам спускатися вглиб і підніматися на поверхню, тобто вертикальне переміщення.
Важливо знати, що підводні човни не змінюють орієнтацію вниз, щоб зануритися, або вгору, щоб піднятися з гвинтами, вони використовують баластну систему, яка безпосередньо використовує принцип тяги Архімеда. Що таке поштовх Архімеда ?
При будівництві човна важливо розрахувати його розміри, щоб він плавав. Так само підводний човен повинен мати можливість пірнати і підніматися на поверхню. Ми можемо передбачити, чи буде тіло плавати чи тонути за будь-якою рідиною завдяки теоремі Архімеда, яку ми пояснимо.
Архімед із Сіракуз - грецький фізик, математик та інженер, який жив у Античності. Він особливо відомий своїми роботами з гідростатики, статичної механіки та поясненням принципу важеля. Він виклав теорему Архімеда:
«Будь-яке тіло, занурене в рідину в стані спокою, повністю змочене ним або перетинає його вільну поверхню, зазнає вертикальної сили, спрямованої знизу вгору і протилежною вазі об’єму витісненої рідини; ця сила називається поштовхом Архімеда. "
Перш ніж вивчати наслідки цієї сили для підводних човнів, можна задатися питанням, чому рідина чинить силу, спрямовану на її поверхню, на будь-яке занурене тіло.
Щоб відповісти на нього, ми повинні пам’ятати поняття гідростатичного тиску (див структурна частина). Тиск рідини зростає з глибиною. Таким чином, тиск, що чиниться на вершину зануреного тіла (зверненої вниз), буде слабшим, ніж на нижню сторону (зверненої вгору). Результатом цього гідростатичного тиску є висхідна сила: тяга Архімеда.
Іншими словами, тяга Архімеда походить від того, що тиск, що чиниться на основу зануреного тіла, завжди більший, ніж тиск, що чиниться на його верхівку.
Сила тиску, що штовхає тіло вниз, завжди слабша, ніж сила, що штовхає його вгору.
Тяга Архімеда обчислюється за такою формулою: PA = V.M.g с,
- PA в N,
- V занурений об’єм об’єкта в м³ (тобто об’єм об’єкта в рідині),
- M щільність рідини в кг/м³,
- g прискорення сили тяжіння в м/с².
Занурене тіло зазнає на додаток до поштовху Архімеда вагу, силу, спрямовану вниз. Тому вага буде протистояти натиску Архімеда. Щоб визначити, тоне чи плаває тіло, необхідно обчислити векторну суму цих сил. Ми називаємо р, вага в N і ПА тяги Архімеда в тій самій одиниці. Таким чином, можна виділити 3 випадки:
p> PA, вага перевищує поштовх Архімеда, отже результуюча сила - сила, спрямована вниз, тіло опускається на дно. (темно-сірим кольором на схемі)
Тепер перейдемо до цифрового додатку.
Формула для обчислення ваги тіла масою m має вигляд: p = m.g с,
- р в N
- м маса в кг
- g прискорення сили тяжіння в м/с² (на Землі воно становить приблизно 9,81 м/с²)
Візьмемо приклад: Якщо ми помістимо кульку об'ємом 3 см³ об'ємом 3 см3 посередині чаші, наповненої водою, вона тоне ?
p = 20 x 10 -3 x 9,81 = 0,1962 = 1,96 x 10 -1 N
Вага кулі 1,96 х 10 -1 Н.
ПА = 3 х 10 -6 х 1000 х 9,81 = 0,02943 = 2,94 х 10 -2 Н
Тяга Архімеда, що діє на кулю, становить 2,94 х 10 -2 Н.
p> PA, тому кулька опускається на дно чаші.
На закінчення, тяга Архімеда - це сила, що діє на всі тіла, занурені в рідину, орієнтована вгору, пропорційна зануреному об’єму тіла, щільності рідини та прискоренню сили тяжіння.
експеримент, імітація баласту
Ми спробували висвітлити поштовх Архімеда. Раніше ми виділили 3 випадки: тіло плаває, тіло залишається на постійній глибині, тіло тоне.
Для цього ми використовували порожню пляшку ємністю близько 55 кл (на пляшці було позначено, що вона містила 50 кл води до спорожнення, проте все ще залишалося простір, зайнятий повітрям, близько 5 кл), кришка якої була пробито, щоб соломинка могла пройти крізь яку проклеєна стрічка, щоб зробити монтаж водонепроникним. Солома з'єднана з іншими соломинками до пляшки для віджимання; цей вузол дозволяє транспортувати воду в пляшку контрольовано і точно.
Ця пляшка спочатку буде плавати, тому що вона буде наповнена повітрям, потім ми наповнимо її водою до тих пір, поки вона не стабілізується на певній глибині, не виміряємо об’єм впорскуваної води. Потім ми додамо воду, щоб вона текла, ми виміряємо об’єм впорскуваної води.
Герметично закриту пляшку, спочатку порожню, поміщали посередині великої пластикової ємності, наповненої приблизно 15 літрами води. Якщо ми впустимо цю пляшку, вона вийде на поверхню. Не маючи сили утримати його посередині води, воно пливе на поверхню.
Ми вливали воду в пляшку, поки вона не потонула, вона була повністю занурена, коли ми перевищили 53 мл води в пляшці.
Однак ми не змогли розрахувати об’єм води, яку потрібно було залити в пляшку, щоб вона стабілізувалась на певній глибині з двох причин:
- по-перше, занурений об'єм змінювався під час експерименту, оскільки нахил пляшки був неконтрольованим, тобто від 40 мл води в пляшці кришка пляшки мала більше занурення, ніж дно. Отже, під час експерименту ми отримали щось на зразок нижче:
- по-друге, наша збірка не була ідеально водонепроникною, вода з акваріума встигла поміститися в пляшку. Це дуже ускладнило контроль нахилу та обсягу впорскуваної води.
Ми все ще можемо розрахувати вагу пляшки залежно від кількості впорскуваної води.
Пляшка з водою була повністю занурена, коли було перевищено 53 кл впорскуваної води, це означає, що приблизно при 53 кл води вага і тяга Архімеда виключають один одного.
Ми вважаємо, що вага пляшки (пластику) є незначною порівняно з вагою води.
Для 53cl ми маємо таку рівність:
p = PA ⇔ p = m.g = ПА
проте щільність води = 1,00 кг/л, тому маса 53кл води становить: 0,53 кг
р = 0,53 х 9,81 = 5,20 Н = ПА
Точка балансу між вагою та тягою Архімеда для нашої пляшки полягає в тому, що коли вона наповнена 53кл води, ці сили тоді були приблизно 5,2 Н.
Отже, коли кількість води в пляшці було менше 53 кл, тяга Архімеда була більшою за вагу, пляшка спливла. У той час, коли коли було більше 53 кл, вага перевищувала тягу Архімеда, пляшка тонула.
Цей досвід дозволив нам зрозуміти складність баластів, які повинні дозволяти занурення та висадку підводних човнів, зберігаючи фіксований нахил.
баласти на підводних човнах
Тепер, коли ми знаємо Принцип Архімеда, давайте застосуємо його до підводних човнів. Давайте вивчимо баластну систему на підводних човнах. Як ми вже згадували раніше, щоб рухатися вертикально, підводні човни не намагатимуться нахилятись вниз (опускатися вниз) або вгору (підніматися), вони змінюватимуть свою масу, зберігаючи той самий обсяг. Таким чином, тяга Архімеда, незалежно від маси тіла, не зміниться, але вага, пропорційний масі, зміниться.
Підводні човни складаються з 2 корпусів, зовнішнього корпусу використовується для оптимізації гідродинаміки (див поверхнева частина), а той, що знаходиться всередині, чинить опір гідростатичному тиску (див структурна частина). Між цими двома корпусами є простір, баласти, резервуар, що містить воду або повітря або обидва.
Коли підводний човен знаходиться на поверхні і хоче рухатися вниз, повітрозабірники та отвори води відкриваються, вода потрапляє в баласти, заповнює простір і виганяє повітря, яке виходить через повітрозабірник. З водою маса підводного човна збільшується, а отже, і його вага, і вага стає більшою, ніж тяга Архімеда. Підводний човен починає тонути.
Коли підводний човен перебуває під водою і прагне повернутися на поверхню, він відкриває резервуар для стисненого повітря, попередньо закривши повітрозабірники (щоб повітря не виходило), повітря подаватиме воду з баластів через вхід води, баласти наповняться повітрям і зменшать масу підводного човна. Вага знову стає менше тяги Архімеда, і тому підводний човен піднімається на поверхню і плаває.
на діаграмі нижче показано фазу занурення (зображення 1-3) та фазу спалаху (зображення 3-6), ( http://journaldeclasse.eklablog.com/de-la-bouteille-au-sous-marin-a112667116?noajax&mobile)
Також можна зрівняти 2 сили, щоб підводний човен стабілізувався і залишався нерухомим вертикально, залишаючи в баласті достатньо повітря та води. Підводний човен ні потопити, ні плисти не буде, він буде “між двома водами”. Ця конфігурація дозволить їй рухатися як човен, рухаючись вперед, вліво, вправо ...
Однак об'єм води в баластних цистернах повинен постійно регулюватися: проста різниця в солоності або температурі води змінює її щільність, і тому тяга Архімеда підводного човна.
порівняння з рибою: плавальний міхур
Зараз ми розглянемо риб, як вони рухаються вертикально?
У більшості кісткових риб (тих, що мешкають на невеликій глибині) є плавальний міхур. Цей орган знаходиться в їх животі, під хребтом.
Ця кишеня дуже корисна для риби: насправді вона наповнена сумішшю діоксиду, вуглекислого газу та азотного газу, щоб риба могла досягти нульової плавучості і, отже, стану невагомості, тобто, вони залишаються на бажаної глибини, вони стоять між двома водами. Рибі вдається вирівняти тягу Архімеда і її вагу, щоб вона стояла невагомою у воді і, отже, могла годуватися, розмножуватися, ... зберігаючи максимум енергії.
Якби у риби не було цього плавального міхура, їм доведеться постійно плавати, щоб залишатися на одному рівні води, що призведе до великих втрат енергії. Тож із плавальними міхурами риби, що володіють ними, можуть залишатися на одному місці, майже не витрачаючи енергії.
Підводні баласти натхнені плавальними міхурами, насправді вони виконують ту саму функцію, це біоміміка. Однак ми можемо кваліфікувати цю схожість, оскільки плавальний міхур для занурення риби зменшить загальний обсяг і не збільшить вагу, як це зробив би баластний резервуар, наповнивши морською водою, так само, як для того, щоб риба плавала, плавальні міхури збільшуватимуть обсяги, не впливаючи на їх вагу (маса газів незначна), тоді як баласти зменшать вагу підводного човна (шляхом евакуації води) без зміни обсягу.
Таким чином, щоб змінити глибину риби, плавальні міхури будуть змінювати обсяг риби і, отже, тягу Архімеда, тоді як баласти змінюватимуть масу підводного човна і, отже, його вагу.
Не у всіх риб є плавальний міхур, наприклад, у акул немає. Тим не менше, у них величезна печінка, яка діятиме однаково, замість того, щоб регулювати об'єм газу, як плавальний міхур, вона регулюватиме обсяг олії для досягнення того самого результату (див. структурна частина).
Ми також можемо навести бездонні види, такі як крапля, які не мають плавальних міхурів і мешкають на глибинах від 600 до 1200 м, на цих глибинах плавальні міхури будуть неефективними. Саме їх м’якоть у драглистій масі дозволяє їм плавати над морським дном, економлячи енергію, оскільки вона має щільність трохи нижчу за воду. Незначне падіння щільності води (через солоність або температуру) може дозволити цим рибам плавати у воді та підніматися (використовуючи товщу води як підйомник).
На додаток до цього, ви повинні знати більше про це.