Потапяне и поглъщане на подводница
След като вече знаем как подводниците издържат на хидростатично налягане и как ограничават хидродинамичното си съпротивление, възниква въпросът за изместването.
Първата стъпка е подводниците да се движат в триизмерни пространства: океаните и моретата на земното кълбо. Подобно на лодка, те могат да се движат напред, да се обръщат наляво или надясно и дори да се движат назад: това е хоризонтално изместване. Към тези функции се добавя вертикалното изместване, гмуркане към дъното или изкачване към повърхността. Освен това съвременните подводници извършват тези действия едновременно, докато се гмуркат продължават да напредват. За разлика от първите подводници, които имаха само вертикално изместване (вж Въведение).
Как подводниците се движат вертикално в океана?
За да се изследва движението на подводницата е необходимо да се разграничат двата режима на движение, които са много различни. Ще се съсредоточим върху вертикалното изместване на подводницата, тоест фазите на потапяне и потъване, които са по-интересни и специфични за подводниците.
Фазата на потапяне е фазата, при която подводницата ще слезе на дъното на морето. Докато емерсията е фазата, в която подводницата ще се приближи до повърхността на морето.
Първо ще опишем принципите на вертикалното движение на подводницата. За да направим това, ще обясним теоремата на Архимед, която ни позволява да знаем дали тялото потъва или плава. След това ще извършим експеримент, симулиращ баласти. След това ще използваме нашите резултати, за да опишем вертикалното изместване на подводниците. Накрая ще сравним стратегиите на рибите да се движат вертикално спрямо тези на подводниците.
тласъкът на Архимед
Сега ще проучим механизма, позволяващ на подводниците да се спускат в дълбочина и да се издигат на повърхността, т.е. вертикалното изместване.
Важно е да се знае, че подводниците не променят ориентацията си надолу, за да се гмуркат или нагоре, за да се изкачат с витла, те използват баластна система, която пряко използва принципа на тягата на Архимед. Какво е тласъкът на Архимед ?
При изграждането на лодка е важно да се изчислят нейните размери, така че да плава. По същия начин подводницата трябва да може да се гмурка и издига на повърхността. Можем да предскажем дали тялото ще плава или ще потъне за някаква течност благодарение на теоремата на Архимед, която ще обясним.
Архимед от Сиракуза е гръцки физик, математик и инженер, живял в Античността. Той е особено известен с работата си по хидростатиката, статичната механика и обяснението на принципа на лоста. Той заяви теоремата на Архимед:
„Всяко тяло, потопено в течност в покой, напълно навлажнено от него или пресичащо свободната му повърхност, се подлага на вертикална сила, насочена отдолу нагоре и противоположна на теглото на обема на изместената течност; тази сила се нарича тласък на Архимед. "
Преди да проучим последиците от тази сила за подводниците, може да се запитаме защо дадена течност упражнява сила, насочена към повърхността си върху всяко потопено тяло.
За да отговорим на него, трябва да помним понятието хидростатично налягане (вж структурна част). Налягането на течността се увеличава с дълбочина. По този начин натискът, упражняван върху върха на потопено тяло (обърнат надолу) ще бъде по-слаб от този от долната страна (обърнат нагоре). Резултатът от този хидростатичен натиск е възходяща сила: тягата на Архимед.
С други думи, тягата на Архимед идва от факта, че натискът, упражняван върху основата на потопено тяло, винаги е по-голям от натиска, упражняван върху върха му.
Силата на натиск, която тласка тялото надолу, винаги е по-слаба от тази, която го тласка нагоре.
Тягата на Архимед се изчислява по следната формула: PA = V.M.g с,
- PA в N,
- V потопения обем на обекта в m³ (т.е. обема на обекта във флуида),
- M плътността на течността в kg/m³,
- g ускорението на гравитацията в m/s².
Потопеното тяло ще претърпи освен натиска на Архимед и тежестта, силата, насочена надолу. Следователно тежестта ще се противопостави на натиска на Архимед. За да се определи дали тялото потъва или плава, е необходимо да се изчисли векторната сума на тези сили. Назоваваме p, теглото в N и PA тласъка на Архимед в една и съща единица. По този начин можем да разграничим 3 случая:
p> PA, теглото е по-голямо от тягата на Архимед, следователно резултантната е сила, насочена надолу, тялото потъва на дъното. (в тъмно сиво на диаграмата)
Сега да преминем към цифровото приложение.
Формулата за изчисляване на теглото на тяло с маса m е: p = m.g с,
- p в N
- m маса в kg
- g ускорението на гравитацията в m/s² (на Земята е приблизително 9.81 m/s²)
Да вземем пример: Ако поставим 20g топка с обем 3 cm³ в средата на купа, пълна с вода, ще потъне ли ?
p = 20 x 10 -3 x 9,81 = 0,1962 = 1,96 x 10 -1 N
Теглото на топката е 1,96 x 10 -1 N.
PA = 3 x 10 -6 x 1000 x 9,81 = 0,02943 = 2,94 x 10 -2 N
Тягата на Архимед върху топката е 2,94 х 10 -2 N.
p> PA, така че топката потъва на дъното на купата.
В заключение, тягата на Архимед е сила, упражнявана върху всички тела, потопени в течност, ориентирана нагоре, пропорционална на потопения обем на тялото, на плътността на течността и на ускорението на гравитацията.