Tengeralattjáró merítése és merítése
Most, hogy tudjuk, hogy a tengeralattjárók hogyan ellenállnak a hidrosztatikus nyomásnak, és hogyan korlátozzák hidrodinamikai ellenállásukat, felmerül az elmozdulás kérdése.
Az első lépés a tengeralattjárók háromdimenziós terekben való mozgása: a földgömb óceánjai és tengerei. A hajóhoz hasonlóan előre tudnak haladni, balra vagy jobbra fordulhatnak, sőt hátra is mozoghatnak: ez vízszintes elmozdulás. Ezekhez a funkciókhoz hozzáadódik a függőleges elmozdulás, merülés az aljára vagy felemelkedés a felszínre. Sőt, a modern tengeralattjárók egyszerre hajtják végre ezeket a műveleteket, miközben búvárkodnak, és tovább haladnak. Ellentétben az első tengeralattjárókkal, amelyek csak a függőleges elmozdulást látták el (lásd bevezetés).
Hogyan mozognak függőlegesen a tengeralattjárók az óceánban?
A tengeralattjáró mozgásának tanulmányozásához meg kell különböztetni a két nagyon eltérő mozgási módot. A tengeralattjáró függőleges elmozdulására fogunk összpontosítani, vagyis a merítések és emerziók fázisaira, amelyek érdekesebbek és specifikusabbak a tengeralattjárók számára.
Az merítési szakasz az a szakasz, amikor a tengeralattjáró leereszkedik a tenger fenekére. Míg az emerzió az a fázis, amikor a tengeralattjáró megközelíti a tenger felszínét.
Először leírjuk a tengeralattjáró vertikális mozgásának alapelveit. Ehhez elmagyarázzuk Archimédész tételét, hogy megtudjuk, egy test süllyed-e vagy lebeg. Ezután kísérletet hajtunk végre, előtéteket szimulálva. Ezután az eredményeinkkel leírjuk a tengeralattjárók függőleges elmozdulását. Végül összehasonlítjuk a halak vertikális elmozdulásának stratégiáját a tengeralattjárókéval.
Archimédész nyomására
Most azt a mechanizmust fogjuk tanulmányozni, amely lehetővé teszi a tengeralattjárók mélységben történő leereszkedését és felszínre emelkedését, vagyis a függőleges elmozdulást.
Fontos tudni, hogy a tengeralattjárók nem változtatják irányukat lefelé, hogy merüljenek, vagy felfelé, hogy felemelkedjenek a légcsavarokkal, hanem olyan előtétrendszert használnak, amely közvetlenül kihasználja Archimédész tolóerejének elvét. Mi Archimédész nyomulása ?
A csónak építése során fontos kiszámítani annak méreteit, hogy lebegjenek. Hasonlóképpen, a tengeralattjárónak képesnek kell lennie a merülésre és a felszínre emelkedésre. Megjósolhatjuk, hogy egy test lebeg-e vagy süllyed valamilyen folyadékért Archimédész tételének köszönhetően, amelyet elmagyarázunk.
A szirakúzi Archimédész görög fizikus, matematikus és mérnök, aki az ókorban élt. Különösen ismert a hidrosztatika, a statikus mechanika munkájáról és a kar elvének magyarázatáról. Megállapította Archimédész tételét:
„Bármely test nyugvó folyadékba merül, teljesen megnedvesedik vagy átlépi a szabad felületét, függőleges erőnek van kitéve, alulról felfelé irányítva, szemben a kiszorított folyadék térfogatának súlyával; ezt az erőt Archimédész tolásának hívják. "
Mielőtt tanulmányoznánk ennek az erőnek a tengeralattjárókra gyakorolt következményeit, felmerülhet a kérdés, hogy egy folyadék miért fejt ki a felszínére irányított erőt bármely elmerült testen.
Válaszra emlékeznünk kell a hidrosztatikus nyomás fogalmára (lásd szerkezeti rész). A folyadék nyomása a mélységgel növekszik. Így a merülő test tetején (lefelé nézve) kifejtett nyomás gyengébb lesz, mint az alsó oldalon (felfelé néző). Ezeknek a hidrosztatikus nyomásoknak az eredménye egy felfelé irányuló erő: Archimédész tolóereje.
Más szavakkal, Archimédész tolóereje abból a tényből fakad, hogy az elmerült test alapjára gyakorolt nyomás mindig nagyobb, mint a tetején kifejtett nyomás.
A testet lefelé nyomó nyomóerő mindig gyengébb, mint a felfelé nyomó erő.
Archimédész tolóerejét a következő képlet alapján számítják ki: PA = V.M.g with,
- PA N,
- V az objektum víz alatti térfogata m³-ben (azaz az objektum térfogata a folyadékban),
- M a folyadék sűrűsége kg/m³-ben,
- g a gravitáció gyorsulása m/s²-ben.
Archimedes nyomása, a súly és a lefelé irányuló erő mellett egy víz alá merülő testen is átesik. A súly ezért ellenzi Archimedes tolását. Annak megállapításához, hogy egy test süllyed vagy lebeg, meg kell számítani ezen erők vektorösszegét. Hívjuk p-nek, N és PA súlyt, amelyet Archimédész ugyanabba az egységbe tol. Így 3 esetet különböztethetünk meg:
p> PA, a súly nagyobb, mint Archimédész nyomása, az eredmény tehát lefelé irányuló erő, a test az aljára süllyed. (sötétszürke az ábrán)
Most térjünk át a digitális alkalmazásra.
Az m tömegű test tömegének kiszámításához a képlet a következő: p = m.g with,
- p az N-ben
- m tömeg kg-ban
- g a gravitáció gyorsulása m/s²-ben (a Földön körülbelül 9,81 m/s²)
Vegyünk egy példát: Ha egy 20 cm-es, 3 cm3 térfogatú gömböt a vízzel töltött edény közepére teszünk, süllyed ?
p = 20 x 10-3 x 9,81 = 0,1962 = 1,96 x 10-1 N
A gömb tömege 1,96 x 10-1 N.
PA = 3 x 10-6 x 1000 x 9,81 = 0,02943 = 2,94 x 10 -2 N
A gömbre kifejtett arkhimédészi tolóerő 2,94 x 10 -2 N.
p> PA, így a labda a tál aljára süllyed.
Összegzésképpen elmondható, hogy Arkhimédész tolóereje minden folyadékba merülő testre kifejtett erő, amely felfelé orientálódik, arányos a test elmerült térfogatával, a folyadék sűrűségével és a gravitáció gyorsulásával.