Imersiunea și imersiunea unui submarin
Acum, că știm cum rezistă submarinele presiunea hidrostatică și cum își limitează rezistența hidrodinamică, se pune problema deplasării.
Primul pas este ca submarinele să se miște în spații tridimensionale: oceanele și mările globului. La fel ca o barcă, ei se pot deplasa înainte, se pot întoarce la stânga sau la dreapta și chiar se pot deplasa înapoi: aceasta este deplasarea orizontală. La aceste funcții se adaugă deplasarea verticală, scufundându-se în partea de jos sau urcând la suprafață. În plus, submarinele moderne efectuează aceste acțiuni în același timp, în timp ce scufundă continuă să avanseze. Spre deosebire de primele submarine care au avut doar funcția de deplasare verticală (vezi introducere).
Cum se mișcă vertical submarinele în ocean?
Pentru a studia mișcarea submarinului este necesar să se diferențieze cele două moduri de mișcare care sunt foarte diferite. Ne vom concentra asupra deplasării verticale a submarinului, adică a fazelor de imersiune și emersie, care sunt mai interesante și specifice submarinelor.
Faza de imersiune este faza în care submarinul va coborî pe fundul mării. În timp ce emersiunea este faza în care submarinul se va apropia de suprafața mării.
În primul rând, vom descrie principiile mișcării verticale a submarinului. Pentru a face acest lucru, vom explica teorema lui Arhimede pentru a ști dacă un corp se scufundă sau plutește. Apoi vom efectua un experiment, simulând balasturi. Apoi, vom folosi rezultatele noastre pentru a descrie deplasarea verticală a submarinelor. În cele din urmă, vom compara strategiile peștilor pentru a se deplasa pe verticală cu cea a submarinelor.
împingerea lui Arhimede
Vom studia acum mecanismul care permite submarinelor să coboare în adâncime și să se ridice la suprafață, adică deplasarea verticală.
Este important să știm că submarinele nu își schimbă orientarea în jos pentru a scufunda sau în sus pentru a urca cu elice, folosesc un sistem de balast care exploatează direct principiul forței lui Arhimede. Care este împingerea lui Arhimede ?
Când construiți o barcă, este important să calculați dimensiunile acesteia, astfel încât să plutească. La fel, un submarin trebuie să fie capabil să se scufunde și să se ridice la suprafață. Putem prezice dacă un corp va pluti sau se va scufunda pentru orice lichid datorită teoremei lui Arhimede pe care o vom explica.
Arhimede din Siracuza este un fizician, matematician și inginer grec care a trăit în Antichitate. Este cunoscut în special pentru munca sa privind hidrostatica, mecanica statică și explicația principiului pârghiei. El a afirmat teorema lui Arhimede:
„Orice corp scufundat într-un fluid în repaus, complet udat de acesta sau care își traversează suprafața liberă, suferă o forță verticală, îndreptată de jos în sus și opusă greutății volumului de fluid deplasat; această forță se numește împingerea lui Arhimede. "
Înainte de a studia consecințele acestei forțe asupra submarinelor, ne putem întreba de ce un fluid exercită o forță îndreptată spre suprafața sa asupra oricărui corp scufundat.
Pentru a răspunde la aceasta, trebuie să ne amintim noțiunea de presiune hidrostatică (a se vedea partea de structură). Presiunea unui fluid crește odată cu adâncimea. Astfel, presiunea exercitată pe partea de sus a unui corp scufundat (orientată în jos) va fi mai slabă decât cea de pe partea inferioară (orientată în sus). Rezultatul acestor presiuni hidrostatice este o forță ascendentă: împingerea lui Arhimede.
Cu alte cuvinte, forța lui Arhimede provine din faptul că presiunea exercitată pe baza unui corp scufundat este întotdeauna mai mare decât presiunea exercitată pe vârful său.
Forța de presiune care împinge corpul în jos este întotdeauna mai slabă decât cea care îl împinge în sus.
Impulsul lui Arhimede este calculat conform următoarei formule: PA = V.M.g cu,
- PA în N,
- V volumul scufundat al obiectului în m³ (adică volumul obiectului din fluid),
- M densitatea fluidului în kg/m³,
- g accelerația gravitației în m/s².
Un corp scufundat va suferi, pe lângă împingerea lui Arhimede, greutatea, forța îndreptată în jos. Prin urmare, greutatea se va opune forței lui Arhimede. Pentru a determina dacă un corp se scufundă sau pluteste, este necesar să se calculeze suma vectorială a acestor forțe. Numim p, greutatea în N și PA arhimede împins în aceeași unitate. Astfel putem distinge 3 cazuri:
p> PA, greutatea este mai mare decât împingerea lui Arhimede, rezultanta este deci o forță îndreptată în jos, corpul se scufundă în partea de jos. (cu gri închis pe diagramă)
Acum să trecem la aplicația digitală.
Formula pentru calcularea greutății unui corp cu masa m este: p = m.g cu,
- p în N
- m masa în kg
- g accelerația gravitației în m/s² (pe Pământ este de aproximativ 9,81 m/s²)
Să luăm un exemplu: Dacă așezăm o minge de 20g cu un volum de 3 cm³ în mijlocul unui castron umplut cu apă, se va scufunda ?
p = 20 x 10 -3 x 9,81 = 0,1962 = 1,96 x 10 -1 N
Greutatea mingii este de 1,96 x 10 -1 N.
PA = 3 x 10 -6 x 1000 x 9,81 = 0,02943 = 2,94 x 10 -2 N
Forța arhimedică exercitată asupra mingii este de 2,94 x 10 -2 N.
p> PA astfel încât bila să se scufunde în partea de jos a bolului.
În concluzie, forța lui Arhimede este o forță exercitată asupra tuturor corpurilor scufundate într-un fluid, orientată în sus, proporțională cu volumul scufundat al corpului, cu densitatea fluidului și cu accelerația gravitației.