Подводные лодки с точки зрения физики

Как плавают под водой

Подробности Категория: Человек и океан Опубликовано 05.09.2014 21:52 Просмотров: 6038

Класс кораблей, способных погружаться на глубину и действовать в подводном положении, называют подводными лодками.

Надводный корабль, благодаря действию выталкивающей силы, находится на поверхности воды. Но подводная лодка кроме надводного положения должна погружаться, идти на глубине и всплывать.

Плавучесть подводной лодки

Одно из основных мореходных качеств подводной лодки – плавучесть, благодаря которому она может находиться в двух положениях: надводном и подводном.

Плавучестью в физике называют способность тела, погружённого в жидкость, оставаться в равновесии, не погружаясь и не выходя из жидкости. А под плавучестью корабля понимают его способность оставаться на плаву при заданной нагрузке.

В надводном положении плавучесть подводной лодки характеризуют запасом плавучести, то есть, процентным отношением водонепроницаемых объёмов ПЛ выше ватерлинии ко всему водонепроницаемому объёму. Чем выше её корпус выступает из воды, тем больше запас плавучести.

где V_н — водонепроницаемый объём ПЛ выше ватерлинии,

V_o– весь водонепроницаемый объём ПЛ.

Чтобы ПЛ полностью погрузилась в воду, запас её плавучести должен стать нулевым, или нейтральным. Это означает, что по закону Архимеда её вес должен равняться весу вытесненной воды. То есть, вес лодки нужно увеличить. Но как это сделать? Очень просто — принять на борт дополнительный груз. Подводники называют его балластом. Им становится забортная вода, которой заполняют балластные цистерны на борту ПЛ.

Но объём балласта должен быть рассчитан очень точно. Ведь если вес принятого груза окажется больше веса полностью погруженной лодки, она не будет плавать в подводном положении, а продолжит погружаться, пока не достигнет грунта, или не разрушится её прочный корпус.

После полного погружения лодка меняет глубину с помощью рулей.

Для всплытия балласт продувается, то есть, вода выдувается из балластных цистерн сжатым воздухом, запасы которого всегда есть на борту. Вес лодки становится меньше. Она приобретает положительную плавучесть и всплывает.

На практике и вес подводной лодки, и плотность воды не остаются постоянными. А любая, даже самая незначительная разница между весом подводной лодки и выталкивающей силой заставляла бы её подниматься на поверхность или опускаться на дно. Для устранения такой ситуации служат горизонтальные рули. Они управляют движением подводной лодки в вертикальной плоскости.

Как устроена подводная лодка

Подводная лодка погружается на большие глубины, где давление воды огромное. Поэтому её корпус должен быть очень прочным.

Современная подводная лодка имеет 2 корпуса: водопроницаемый лёгкий корпус и водонепроницаемый прочный корпус.

Лёгкий корпус предназначен для придания лодке совершенных гидродинамических форм. В подводном положении внутри него находится вода, поэтому ему и не нужно быть прочным.

А прочный корпус, находящийся внутри лёгкого, способен выдержать огромное давление воды на большой глубине. От того, насколько он прочный, зависит глубина погружения лодки. Внутри прочный корпус разделён переборками на отсеки. Это сделано из соображений безопасности. При возникновении нештатной ситуации: пробоины или пожара, отсек герметизируется. Это повышает живучесть корабля.

На ПЛ имеются различные цистерны. В них хранятся запасы питьевой воды, топлива, сжатого воздуха и т.д.

Цистерны, которые заполняются забортной водой, и служат для изменения плавучести, называются цистернами главного балласта (ЦГБ). Они разбиты на 3 группы: носовую, кормовую и среднюю. Они могут заполняться и продуваться одновременно или независимо друг от друга. Их объём постоянен. Однако на практике действительный запас плавучести и расчётный могут отличаться. В теории это называется остаточная плавучесть подводной лодки. Для устранения разницы между объёмом цистерн главного балласта и объёмом воды, которую нужно принять для полного погружения, используют цистерны вспомогательного балласта. Остаточную плавучесть погашают, принимая или откачивая воду в уравнительную цистерну.

Для срочного погружения используют цистерну быстрого погружения. В неё принимают балласт, и лодка быстро погружается. После этого цистерна быстрого погружения немедленно продувается сжатым воздухом для удаления балласта.

После выхода торпед или ракет в торпедные аппараты или ракетные шахты поступает вода. Её сливают в специальные торпедо- и ракетозаместительные цистерны, чтобы сохранить общую нагрузку.

Движение в надводном положении дизель-электрической подводной лодки обеспечивает дизель, который является и двигателем, и приводом генератора. Генератор вырабатывает электрическую энергию. Его энергию запасает аккумуляторная батарея. В подводном положении она её выдаёт.

Источник энергии на атомной подводной лодке – ядерный реактор.

Другим источником энергии на ПЛ служит сжатый воздух. С его помощью заполняются и продуваются цистерны, выстреливаются торпеды. Он служит источником кислорода. При аварийном затоплении отсеков их продувают сжатым воздухом.

Подводный аппарат батискаф

Увеличение веса ПЛ происходит вытеснением воды сжатым воздухом. Но на большой глубине воздух перестаёт быть «сжатым». Он уже не может вытеснить воду из балластных цистерн. А в подводном аппарате батискафе в качестве балласта применяется тяжёлый груз, который позволяет погружаться, и сбрасывается, когда нужно всплывать.

Как и ПЛ, батискаф имеет 2 корпуса – лёгкий и прочный. Лёгкий называют поплавком. В его отсеках находится вещество легче воды. В первых батискафах использовали бензин. Позднее стали применять композитный материал.

Экипаж, приборы и другие системы размещаются в прочном корпусе, который называется гондолой.

Батискафы могут погружаться на гораздо большую глубину, чем лодки. Они способны достичь предельных океанских глубин.

«ФИЗИКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ Г. П. Гарнвэлл *) Современная подводная лодка в действительности представляет ныряющую лодку. Большую часть времени она находится в надводном положении и способна . »

1948 г. Декабрь Т. XXXVI, вып. 4

УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК

ФИЗИКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

Современная подводная лодка в действительности представляет

ныряющую лодку. Большую часть времени она находится в надводном положении и способна погружаться только на определённый

срок. Её очертания, заимствованные, как видно из рис. 1, от надводного корабля, обеспечивают ей устойчивость на поверхности воды.

Она снабжена большим мостиком для навигации, имеет спаренные винты, дизельный мотор примерно на 6500 л. с. для надводного плавания и обычное оборудование радио, радара и сигнализации.

Это обстоятельство очень важно, так как означает, что при проектировании подводных лодок приходится не только считаться с условиями подводного плавания, но и итти на множество компромиссов с требованиями плавания в надводном положении. После погружения водоизмещение лодки доходит до 1500 т, и по условиям работы она больше походит на самолёт или дирижабль, чем на надводный корабль. «Оторвавшись» от водной поверхности, она движется в трёх измерениях, и её вертикальное управление и устойчивость составляют предмет постоянной заботы. Всплытие и погружение её имеют много общих технических черт со взлётом и посадкой самолёта. Носовые и кормовые горизонтальные рули играют ту же роль при вертикальном маневрировании, как рули высоты и элероны.

Механические повреждения представляют собой в том и другом случаях происшествия, влекущие за собой последствия, несравненно более тяжёлые, чем при передвижении по поверхности земли и воды.

Физика подводной лодки занимается главным образом различиями между физическими свойствами морской воды и воздуха, которые определяют глубокое различие между устройствами, предназначенными для движения в. этих двух средах. Физические законы, разумеется, тождественны, но различия в химическом составе, плотности, сжимаемости и электропроводности так велики, что предъявляют совершенно различные требования к устройству и оборудованию.

*) American Journal of Physics 16, Ns 3, 127—150 (1948). Сокращённый перевод М. Антокольского.

ФИЗИКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

Работа в глубине мор я Д л я н а с привыкших жить, двигаться и общаться в воздухе, тр е бует полного отрешения от всех навыков и представлений. Как только прозвучал сигнал погружения и волны сомкнулись над лодкой, о н а вступает в новый и непривычный мир.

Слегка увеличенное давление на уши говорит нам, о, с о что все отверстия герме- о.

тически закрыты и при достаточном удалении от поверхности воды всякое ощущение движения утра

выставляя на несколько футов над водой трубку не больше дюйма в диаметре. Шнорхель, представляющий собой двойную всасывающую и выхлопную трубу дизеля, поднимается с крыши лодки,, как рог улитки. Хотя он и обнаруживает лодку несколько в большей степени, чем перископ, он зато позволяет ей двигаться на дизелях, не расходуя батареи. Он возвышается лишь на несколько футов над поверхностью океана и снабжён пловучим затвором, предупреждающим попадание воды внутрь трубы при погружении последней под воду на волнении. Но эти два вспомогательных.

устройства, отражающих настойчивое желание заставить подводную лодку оставаться надводным судном,.

_ __— не принадлежат к числу деталей, характеризующих собственно подводный, корабль.

ПЛОВУЧЕСТЬ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ

МАНЕВРЕННОСТЬ

изготовления и сварки стальных плит, имеющих толщину, превышающую несколько сантиметров, ограничивает диаметр корпуса, и для увеличения площади поперечного сечения лодки иногда прибегают к сварке вместе двух обычных корпусов, образующих поперечное сечение в виде восьмёрки.

Когда подводная лодка находится в движении, то кормовой и носовой рули придают ей маневренность, но её равновесие зависит от тщательного отрегулирования распределения тяжести. Надводный корабль имеет большой избыток пловучести и, вообще говоря, обладает большой вертикальной остойчивостью.

Напротив того, погружённая подводная лодка, хотя и не испытывает качки, но находится в неустойчивом равновесии, и только при определённом весе и строго зафиксированном его распределении удерживается на постоянной глубине и в правильном положении.

Положительная пловучесть, необходимая для всплывания, осуществляется главной балластной цистерной, расположенной снаружи прочного корпуса, между ним и тонкой наружной обшивкой. Эти цистерны продуваются сжатым воздухом, выгоняющим воду через находящиеся в верхней части вентильные затворы, а заполняются для погружения—посредством открытия кингстонов вверху и внизу цистерн. Так как давление внутри цистерн всё время равно внешнему, то они не требуют конструктивного усиления. Совершенно независимая система уравновешивания состоит из цистерн в носу, средней части и корме судна и служит для корректирования нейтральной пловучести, изменяющейся по мере расходования горючего, боеприпасов и прочих запасов и для поддержания правильного момента пловучести. Поддержание поперечной устойчивости не представляет особой трудности ввиду относительно коротких плеч у вращающих сил, но в продольном направлении большая длина судна делает наклон киля весьма чувствительным к малым неравенствам в весе носа и кормы. Так как эти цистерны заполняются только частично, они должны противостоять наружному давлению. Самое уравновешивание выполняется посредством набора или откачки воды или перекачки её из одной цистерны в другую.

Для наилучшего управления лодкой необходима почти нейтральная пловучесть, но соблюдение этого требования может оказаться довольно трудным, так как и объём вытесняемой воды и её плотность меняются с глубиной погружения. Как подводная лодка, так и вода сжимаемы и занимают на больших глубинах меньший объём.

Точно так же и температура воды меняется с глубиной • обычно — вода теплее вблизи поверхности — и тепловое расширение воды также оказывает влияние на пловучесть.

В предположении, что лодка находится в температурном равновесии с водой на заданной глубине, можно выполнить нижеследующий анализ проблемы равновесия. Полная погружающая сила F равна Mg—Vpg, где —масса лодки, V—её объём, р—плотность 532 г. п. ГАРНВЭЛЛ воды и g — ускорение силы тяжести. При равновесии эта сила должна равняться нулю, и для устойчивости равновесия необходимо, чтобы перемещение вверх вызывало увеличение этой силы, и наоборот. Направляя положительную ось вниз в направлении F и вспоминая, что и V суть функции в силу их зависимости от давления и температуры Т, мы можем вычислить первую вариацию F.

Рв ^ Рл то -^— должно быть отрицательным и больше по абсолютной величине, чем pg • ^ а • Внося типовые значения = 10

и приведённые выше величины ав и а л, мы находим, что температурный градиент для устойчивого равновесия должен превышать примерно 5 · 10

°С на метр глубины. Подобные градиенты часто встречаются на глубинах, меньших 100 м, и в таких участках, получивших название «термоклин» (рис. 3), подводная лодка может сохранять устойчивое равновесие с неработающим двигателем. Ещё одно обстоятельство заслуживает упоминания — ФИЗИКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ 533 это то, что плотность воды возрастает с её солёностью. Это может оказаться весьма опасным для подводной лодки, движущейся по направлению к речному устью: она может при отсутствии внимательного наблюдения за манометром внезапно оказаться на дне. Ввиду этого разнообразия факторов, влияющих на пловучесть, лодки снабжаются не только манометрами, указывающими глубину, но и самопишущими термометрами, а иногда также и измерителями солёности.

ПРОДВИЖЕНИЕ ЛОДКИ И ЕЁ СКОРОСТЬ

Самым главным различием между воздухом и водой, с точки зрения самодвижущегося судна, является то, что только первый содержит необходимую компоненту для химической реакции, служащей источником энергии для движения. Самолёту для работы мотора на больших высотах может потребоваться применение компрессора, но пока он остаётся в земной атмосфере, он имеет кислород для сжигания горючего. Погружённая подводная лодка не располагает свободным кислородом, а иногда выдвигаемое предложение об электролитическом разложении воды и сжигании полученных кислорода и водорода противоречит принципу сохранения энергии. В силу этого у подводной лодки вся энергия, потребная для её передвижения, должна быть запасена в удобной форме.

Если энергия запасена в химической форме, то горючее может быть таким же, как у любого другого судна, но разница заключается в снабжении кислородом. Техника даёт две возможности решения этой задачи: сжатый кислород в баллонах и перекись водорода. Оба способа дороги и не вполне безопасны. Наиболее дешёвым и удобным горючим являются углеводороды, вследствие чего продуктом сгорания является углекислота, большое количество которой должно откачиваться из лодки против давления наружной воды, что значительно понижает коэффициент полезного действия.

Таким образом, применение двигателей внутреннего сгорания представляет серьёзные трудности. Они частично разрешаются такими моторами, как двигатель Вальтера, хотя стоимость горючего чрезвычайно велика. Единственным практическим методом запасания энергии для настоящего времени остаётся аккумуляторная батарея, обладающая по сравнению с химическими способами всеми преимуществами, за исключением только значительно меньшего удельного запаса энергии на 1 кг веса. Батарея имеет высокий коэффициент полезного действия, весьма безопасна при надлежащем размещении, развивает мало тепла, не даёт никакого шума, имеет относительно долгий срок службы и превращает энергию в механическую при помощи удобных двигателей. Вследствие этого батареи являются общеупотребительным источником энергии для лодок при подводном ходе, однако в противоположность, например, нефти, имеющей теплоту сгорания 10 квт-ч\кг, они запасают энергию лишь в количестве 534 г. п. ГАРНВЭЛЛ

Таким образом, самолёт с мотором в 8000 л. с, как можно ожидать, будет перемещаться в 20 раз быстрее, чем лодка в 1000 л. с.

в воде, в 1000 раз более плотной, чем воздух. Это иллюстрирует разницу между самолётом, делающим 300 миль в час, и 15 узлами хода подводной лодки. Очевидно, это фундаментальное обстоятельство ограничивает величину скоростей, достижимых для подводных лодок.

Интересно отметить, что один из источников сопротивления движению надводного судна отсутствует у подводных лодок — это поверхностная волна, расходящаяся при движении надводного судна от каждого его борта. Количество энергии, расходуемое на создание этой волны, весьма приближённо может быть вычислено следующим образом. Рассмотрим Р и с — 5 — Потенциальная энергия посистему стоячих волн, изображён- верхностной волны, ную на рис. 5 в момент максимума. Поверхность жидкости находится в этот момент в покое и, по предположению, имеет форму синусоиды. Количество энергии на

•единицу ширины и на длину, равную длине волны (в момент максимума вся энергия имеет форму потенциальной), даётся уравнением () б

•где А’— амплитуда стоячей волны. Эту волну можно представить

•состоящей из двух бегущих волн амплитуды А —-г,-А’, распространяющихся в противоположных направлениях. Отсюда энергия на единицу площади в бегущей волне равна — р^Л. Таким образом, если волна, созданная кораблём, имеет амплитуду 1 м, ширину в направлении, нормальном к гребню, около 5 м- и распространяется со скоростью в 10 MJce/e, то мощность, необходимая для создания двух таких волн с каждой стороны от судна, примерно равна 700 л. с.

Это составляет весьма значительную часть от общей мощности небольшого судна и заметно снижает его скорость. Но поверхностное возмущение экспоненциально падает с глубиной, так что это сопротивление отсутствует для достаточно погружённой подводной лодки.

Таким образом, если судну придана хорошо обтекаемая форма, то при том же расходе мощности оно может двигаться в подводном (положении быстрее, чем в надводном.

ПОДВОДНЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ

Быть может, наибольшая разница между существующими под водой и привычными для нас условиями заключается в мутности воды океанов и её непрозрачности для электромагнитных волн.

536 Г. П. ГАРНВЭЛЛ

сивности, в тысячу раз меньшей, чем его интенсивность на поверхности воды, ещё может быть принят подводной лодкой, мы заключим, что её антенна может находиться на максимальной глубине 9 м.

Важно отметить, что это относится к приёму сигнала, но отнюдьне к чему-нибудь напоминающему видение: такие радиоволны не могут быть применены для обнаружения контуров какого-либо· объекта, имеющего размеры меньше чем несколько сот километров.

Волны, употребляемые в радарах, в состоянии обнаружить предмет, имеющий размеры судна, но малое проникновение этих волн в воду делает их непригодными в случае подводных лодок. Интересно для.

полноты проверить, нельзя ли пользоваться электромагнитными волнами частоты более высокой, чем у видимого света. В области рентгеновых лучей, -лучей и космических лучей механизмами, обусловливающими поглощение энергии в пучке лучей, являются квантовые процессы фотоионизации, комптоновское рассеяние и рождение пар электрон-позитрон. Кривые поглощения в воде радиации с высокой энергией показывают, что коэффициент поглощения мало изменяется с энергией, однако он проходит через минимум при нескольких миллионах электрон-вольт. Но даже эта наиболее проникающая радиация ослабляется на одну десятую интенсивности на пути в 15 см.

Таким образом, эта радиация также малопригодна для подводной связи или сигнализации.

Поскольку электромагнитные волны оказываются столь малопригодными для целей связи или навигации, единственной альтернативой для их замены оказывается звук. Для использования звука свойства чистой воды являются чрезвычайно благоприятными. Ослабление звуковых волн в воде много меньше, чем в воздухе. Теплопроводность и вязкость не в состоянии объяснить наблюдаемых величин коэффициента поглощения звука, и истинный механизм потери энергии остаётся ещё до некоторой степени тёмным * ). Однако ослабление интенсивности плоской звуковой волны может быть приближённо выражено эмпирической формулой I0

12j2xлля диапазона частоту от 50 до 50 000 пер/сек., где выражено в метрах. Таким образом, звуковая волна в морской воде ослабевает до одной десятой интенсивности на пути х= 10iav—2 м для = 100 пер/сек. Это весьма большое расстояние, и даже для = 1 0 4 пер/сек. д г = 1 0 км.

Отсюда следует, что поглощение играет весьма малую роль, за исключением самых высоких частот, и ослабление звуковых волн в воде вызвано в основном расхождением сферической волны от её источника. Скорость распространения звука в воде примерно в пять раз выше, чем в воздухе, дисперсия практически отсутствует и допплеровские эффекты, вызванные потоком в среде, незначительны, так как здесь совмещаются высокие скорости звука с обычно низкими скоростями течений.

*) Обсуждение этого интересного вопроса см. у F,. В. Fox and G. D. Rock.

Physical Review 70, 68 (946).

538 г. п. ГАРНВЭЛЛ

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРЯ

Хотя, таким образом, звук представляет наилучшее средство для передачи информации под водой, его использование связано со всевозможными трудностями, и подводные лодки до настоящего времени принуждены действовать, располагая несравненно меньшим знанием обстановки, чем самолёты. В этом отношении различие столь же велико, как и в скорости. Некоторые из затруднений, с которыми связано использование звука, станут ясными из краткой характеристики акустических свойств моря.

Уравнение, выражающее смещение частицы в одном измерении в идеально упругой среде, представляет собой уравнение движения плоской звуковой волны где t—время, а прочие обозначения были указаны выше. Решением этого уравнения служит любая функция в и д а / — — J, где v = = —-. Исходя из вышеприведённых значений этих величин, окаV р зывается близким к 1500 м/сек. Это много ниже скорости электромагнитных волн, так что сведения об удалённых событиях заметно запаздывают. Уравнение непрерывности связывает давление и смещение. Амплитудное значение давления в волне ограничено приблизительно гидростатическим давлением вследствие появляющейся при отрицательных давлениях наклонности к кавитации. Это ограничивает интенсивность звуковой волны величиной — · Вблизи поверхности воды, где/? не намного превосходит

— у атмосферное давление, интенсивность гармонической волны с большой длиной волны не может превзойти 1 emjCM2. При практически допустимой площади излучателя порядка 1 000 см? эта радиация весьма слаба по сравнению с мощными радиопередатчиками.

Интересно отметить, что отношение давления к скорости частичек в звуковой волне, известное под названием акустического импеданса, определяется формулой 1/ — или. Для воды эта величина соъ 9 ставляет около 1,5· 10° дан сек\см, а для воздуха — 36 дан сек /см.

Таким образом, звуковая волна в воде по сравнению с волной в воздухе характеризуется высокими давлениями и малыми смещениями.

Уто совершенно меняет характер микрофонов и излучателей. В них применяются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи, так как они дают оптимальное соотношение импедансов и ФИЗИКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ 539 вместе с тем наивыгоднейшие условия преобразования между электрической и акустической энергиями. По той же причине звук весьма слабо передаётся через поверхность вода — воздух: соотношение импедансов здесь так неблагоприятно, что не больше чем 10

4 от интенсивности падающей волны переходит в другую среду. Таким образом, поверхность моря является почти ицеальным отражателем звуковых волн; однако благодаря колеблющейся и неровной форме она даёт -правильное отражение только при очень длинных волнах «ли косом падении.

Вблизи поверхности моря обычно присутствуют мелкие пузырьки.

•Они возникают вследствие волнения и других причин, как, например, движения судов при неспокойном море. Влияние, которое они оказывают на распространение звука, далеко не пропорционально малому объёму, который они занимают. Вода, содержащая небольшое количество малых пузырьков, по плотности мало отличается от чистой воды, но в силу того, что воздух в пузырьках легко сжимаем, величина в ней значительно выше. В самом деле, эффективное значение а, как легко видеть, равно / 1 ^ а возд возд \ 1 -f- — у У воды воды/ Если, например, один пузырёк диаметром в 1 мм приходится в среднем на 1 мь воды, то написанное выражение даёт для сжимаемости воды с таким содержанием пузырьков величину 20 «„оды!

здесь а а о з д, равное —, взято для глубины около 10 м. Это уменьшает скорость распространения примерно в 4,5 раза и приводит к значительному нарушению согласования импедансов как излучателей, так и приёмников. Пузырьки, животный и растительный планктон и рыбы действуют как рассеивающие центры для энергии, сконцентрированной в каком-либо ограниченном звуковом пучке. Океан содержит большое количество такого рассеивающего материала, а некоторые рыбы и ракообразные сами производят звуки вибрацией плавательного пузыря или щёлканьем клешней, Очевидно, что эти разнообразные факторы создают большие помехи при использовании звука для получения точной информации под водой.

Диффракционные явления в море отличаются от таких же явлений в воздухе только количественно. Так как длина волны в воде в 5 раз больше, чем в воздухе, то нужна в 5 раз более высокая частота, чтобы сохранить то же соотношение между длиной волны и линейными размерами приёмников, излучателей и прочего оборудования.

В первом приближении пучок, даваемый излучателем, можно считать таким же, как диффракционный пучок, создаваемый плоской волной, проходящей через отверстие той же формы, как и поверхность излучателя или приёмника. Таким образом, интенсивность излучаемого 540 Г. П. ГАРНВЭЛЛ звука или чувствительность приёмника в разных направлениях уменьшается с увеличением угла, образованного с центральной осью, и достигает минимума при угле, определяемом для квадратного отверстия, линейная апертура которого в плоскости равна d, равенством d sin Ь =. При дальнейшем возрастании угла имеют место

Рис. 7. Кривые направленности поршневого излучателя.

малые максимумы. Для круглого отверстия появляется добавочный числовой множитель и ширина пучка = 2 между первыми минимумами определяется выражением —2arcsin 1,22 \\d (рис. 7). Уменьшение с целью достижения большей направленности требует повышения частоты. Если предельная слышимая ухом частота сказывается превзойдённой, то звуковой эффект можно превращать в визуальный, например, на экране катодной трубки, или же при помощи гетеродинирования сигнал может переводиться в слышимую область.

Эти технические методы хорошо разработаны и не вносят затруднений в применение ультразвуковой частоты.

ФИЗИКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ 541 Рефракция звуковых лучей благодаря переменному коэффициенту преломления воды представляет, по всей вероятности, главный

•фактор, искажающий подводную картину, «видимую» при помощи звука. Главными параметрами, от которых зависит скорость звука, являются температура, давление и солёность. Солёность имеет значение только вблизи берегов, где реки доставляют заметные количества пресной воды. В глубоком океане только распределение температур и давлений определяют скорость и вместе с тем рефракцию звука. Влияние давления носит совершенно постоянный характер и потому не составляет особенной помехи, температурные же условия на первой сотне метров под уровнем моря весьма изменчивы в зависимости от времени года, времени дня, облачности, скорости ветра и прочих метеорологических условий. За исключением участков постоянных течений или близких к таковым, температура в общем убывает монотонно, но нерегулярно от 10 — 20° С до температуры максимальной плотности (4° С) на больших глубинах. Использование звука надводными кораблями и подводными лодками на малых глубинах находится в сильной зависимости от больших температурных различий и резких градиентов, существующих часто на первых 10 метрах под поверхностью моря. Те самые градиенты, которые позволяют лодке сохранять равновесие, могут до такой степени исказить ход звуковых лучей, что участки с большим температурным градиентом оказываются почти непроницаемыми для звуковых сигалов.

Зависимость скорости звука от температуры и давления в интервале температур 6° C^zi; 17° С даётся выражением w = 1410—(— 4-4,21 — 0,037 Р-\

0,0175 d м\сек, где d — глубина в метрах (рис. 8).

Особый интерес представляют два частных случая. Первый — равномерное убывание температуры вблизи от поверхности на несколько десятых градуса на метр. Принимая температуру поверхности в 15° С и температурный градиент мы получим г =, = f o ( l — 2,12· 10

^d), где v0 означает скорость на поверхности. В среде, где показатель преломления меняется в одном измерении, ход звукового луча, выходящего с поверхности под углом 0о, может быть вычислен по закону Снеллиуса, согласно которому произведение показателя преломления на косинус угла, образованного лучом с нормалью к направлению изменения коэффициента преломления, является постоянным. Таким образом, COS COS COS 6, 1 1 n _ «Jt A или Е-= 1—2,12· 10 = f0 cos 80 ‘ ‘

в несколько тысяч метров при градиенте в несколько десятых градуса на метр. Если градиент неоднороден, то кривизна лучей меняется, а если градиент колеблется во времени, что действительно

от этого уровня, мы найдём = 1,45 (1 -J- 1.1 ·10

2 2 ). Так как скорость звука возрастает для глубин, больших и меньших, чем эта глубина, то лучи изгибаются в направлении к этому уровню и образуют то, что называется «глубоким звуковым каналом»*) (рис. 10).

Лучи, слабо наклонённые к горизонту, стягиваются в этот канал, и так как затуханием практически можно пренебречь, то интенсивность звука падает пропорционально не квадрату, а первой степени

Рис. 10. Возникновение глубинного звукового канала.

расстояния. Звуковые сигналы от небольших взрывов, распространяясь по такому каналу через океан из Дакара (Зап. Африка), были услышаны на Багамских островах, потратив около часа на покрытие этого расстояния. Использование глубоких звуковых каналов для определения местонахождения судна при помощи производства небольших взрывов и определения разности времён пробега звука до нескольких станций наблюдения обещает сыграть большую роль в спасательных работах на море. Этот метод известен под сокращённым названием «Софар» (Sound Fixing and Ranging).

Закон Снеллиуса может быть также использован для расчёта звукового луча в звуковом канале при малых углах между вектором распространения звука и горизонталью. С достаточным приближеcos нием cos = 1 9 — tg*, и так как tg = —

, уравнение · dx переходит в dv f-= 1/(1 -cvj — cvvmcy\ dx

Если у’ и ‘ не исчезают, то звук имеет более короткое время пробега, чем если они равны нулю. Это хорошо видно при приёме сигналов софара, которые длятся до 10 сек. и заканчиваются резким хлопком, когда приходит наиболее медленная волна, идущая по центральной части канала.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗВУКА ПОДВОДНЫМИ ЛОДКАМИ

Физическими свойствами моря определяется акустическая техника подводной лодки—^так называемый «Сонар» (сокращённо от Sound Navigation and Ranging). Из предыдущего уже ясно, что море представляет исключительные трудности для работы акустическими средствами. Море полно звуков всевозможного происхождения и, что является самым серьёзным, наполнено звуками, издаваемыми самим судном. Источник этих звуков расположен так, что производит наибольший вред: в непосредственном соседстве с излучателем. Если шум корабля силен, то эффективное использование акустических ФИЗИКА подводной лодки 545 средств почти невозможно, так как сигнал почти полностью маскируется фоном. Первое правило при работе сонара—-это возможность уменьшить шум корабля. Некоторые естественные шумы, как, например, шум прибоя и шумы, издаваемые ракообразными, могут быть полезны для локации берега и отмелей, в общем же шумы моря оказываются полезными только для маскирования собственных шумов судна от наблюдения противника.

Затухание звука в море мало и море наполнено объектами, рассеивающими звук. Оно ограничено сверху колеблющейся отражающей поверхностью, и снизу—неправильным по форме и непостоянным по условиям отражения дном. Помимо того, звуковые лучи искривлены температурными неоднородностями. В целом приходится удивляться самой возможности эффективного использования акустических средств. Грубой оптической аналогией явились бы условия видимости в помещении, ограниченном колеблющимися зеркалами и наполненном клубами пара и светящимися точками. Однако основательное изучение свойств моря и кропотливая разработка, усовершенствование и испытание оборудования привели к созданию аппаратуры сонара, удовлетворяющей наиболее насущным нуждам подводного плавания.

Большинство практических проблем, которые пришлось разрешить, относится к области электроники и инженерного дела и, таким образом, не относится к физике подводной лодки. Тем не менее, настоящий очерк был бы неполон без краткого описания устройств для подслушивания и локации — двух обширных областей применения акустики в морском деле.

Подслушивание, как показывает название, представляет собой пассивный приём звуков, приходящих к подводной лодке от какихлибо звучащих объектов. Интенсивность принимаемого на лодке звука ц общем обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника, но этот закон модифицируется местными условиями рефракции. Так как высокие частоты при распространении заметно подавляются, то выделяются низкочастотные компоненты и ослабляются гармоники. Если сигнал, принятый гидрофоном, много слабее случайных шумов, то никакая степень последующего электрического усиления не даёт возможности извлечь из такого сигнала полезной информации. В стремлении к увеличению эффективности основные усилия направляются к уменьшению фона случайных шумов и повышению угловой и частотной избирательности, с тем чтобы звуки, приходящие с нежелательного направления и обладающие нежелательной частотой, могли быть исключены. Сделанные нами выше замечания о диффракции и о форме пучков показывают,, что угловая и частотная селективность тесно связаны между собой: низкие частоты дают более широкую диффракционную картину и меньшую направленность, чем высокие. Кроме того, при подслушивании ширина полосы, выделяемой фильтрами, не может быть уменьшена слишком сильно. В противном случае будут уничтожены характерные особенУФН, т. XXXVI, вып. 4 546 Г. П. ГАРНВЭЛЛ

позволяет значительно подавить нежелательные шумы. Расстояние до объекта, давшего эхо, сразу же определяется по формуле /2, где — интервал времени между посылкой импульса и приёмом, а — скорость звука. Множитель 2 вызван тем, что за время звук проходит путь дважды.

Рис. 13 представляет схему типичного излучателя для локации.

Большое число никелевых трубок приварено к стальной плите, имеющей узкий флянец для крепления её к корпусу корабля или к специальной поддерживающей конструкции. Длина трубок и толщина плиты так подобраны, чтобы система имела резонанс на выбранной частоте, имея пучности на свободных концах трубок и ка передней поверхности ^^^ggg плиты и узел — на флянцах крепле-

rjr_rir^r_ t ‘-Г» ния. Импульс тока высокой частоты -тгз- —

TJH t проходит через обмотки никелевых трубок и магнитострикционный эф- „,„ „ Р и с · 13, Схема излучателя,. г у фект приводит систему в колебание. ‘ Согласование импедансов между плитой и водой создаёт излучение звуковой энергии в этом направлении, а несогласованность с импедансом воздуха предотвращает потерю энергии на акустическое излучение. Подобным же образом волна, падающая на плиту из воды, приводит систему в колебание, и возбуждённая в катушках электродвижущая сила усиливается и регистрируется приёмником.

Одним из первых применений этой методики был эхо-лот, служащий для измерения глубины. В этом устройстве излучатель крепится прямо к днищу корабля и даёт широкий звуковой пучок, направленный вертикально вниз. Интервал времени до прихода эхо даёт непосредственную меру глубины моря. Автоматический ключ включает ток периодически и отсчёт на шкале или на автоматической записи прямо даёт глубину в единицах длины.

Эхо, приходящее от дна моря, обычно наблюдается легко, однако этим методом можно обнаруживать и определять местонахождение гораздо более мелких объектов, дающих соответственно более слабое эхо, если только условия не слишком неблагоприятны. Корпуса подводных и надводных судов, киты и стаи рыб, заросли водорослей, резкие неоднородности температуры и солёности вызывают своеобразное эхо. Типичный локационный излучатель для обнаружения подводных лодок монтируется так, что нормаль к его поверхности располагается вертикально (рис. 14), и снабжается устройством для вращения вокруг вертикальной оси для определения азимута цели.

Он напоминает акустический прожектор, могущий изменять азимут и иногда также наклон посылаемого пучка. Если излучатель стабилизирован относительно движений корабля, он может давать достаточно точные данные о направлении объекта. Расстояние до него выГ. П. ГАРНВЭЛЛ

Устройство Подводных лодок

Лунин Александр Сергеевич

По закону Архимеда на любое тело, погружённое в жидкость действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, которую это тело вытесняет.

Если выталкивающая сила равна весу теля, то оно будет плавать, а если сила меньше, то тело пойдёт ко дну. Что окажется больше – вес тела или выталкивающая сила, — зависит от соотношения между плотностью тела и плотностью жидкости. Восковая свеча плавает по воде потому что её плотность невелика и веса вытесненной воды достаточно чтобы обеспечить нудную выталкивающую силу. У камня – большая плотность и он мгновенно тонет, как только погружается в воду – вес вытесненной им воды меньше его собственного. Открытия Архимеда в области гидростатики легли в основу создания ПОДВОДНЫХ ЛОДОК.

Балластные цистерны, подводной лодки наполнены воздухом и лодка держится на поверхности, так как её средняя плотность меньше чем у воды.

Балластные цистерны заполняются водой, лодка погружается, т.к. плотность лодки в данном случае превышает плотность воды.

В балластные цистерны закачивают воздух и лодка всплывает.

Каким образом погружается и всплывает подводная лодка?

Вы никогда не задумывались над этим вопросом? Как многотонная махина может плавать над водой, словно обыкновенный корабль, затем по необходимости погружаться глубоко под воду и плыть там, а после всего — еще и всплывать обратно? Причем цикл этот может повторяться неоднократно, но как такое возможно? — попытаемся разобраться.

В основе всего лежит моя любимая физика! Изучение этой науки подарило человечеству немало вещей и возможностей, без которых тяжело представить нашу повседневную жизнь!

Для начала — рассмотрим строение подводной лодки (далее — ПЛ) в разрезе на схематичном рисунке:

ПЛ состоит из наружного легкого корпуса (красная стрелка) и внутреннего прочного корпуса (синяя стрелка). Между ними расположены цистерны или, как их правильно называть, цистерны главного балласта.

В верхней их части расположены клапаны вентиляции (для воздуха), в нижней — клапаны для воды (кингстоны).

Работает эта система следующим образом:

Когда ПЛ плывет по воде, в цистернах главного балласта находится воздух, который и удерживает лодку на плаву. При погружении, воздушные и водяные клапаны открываются: происходит вытеснение воздуха и заполнение цистерн забортной водой.

При полном заполнении — ПЛ приобретает так называемую нулевую плавучесть и погружается по рубку. Дальнейшее погружение происходит благодаря вертикальным рулям и движению вперед.

Однако иногда ситуация может потребовать мгновенного погружения и ухода на глубину. Здесь в помощь морякам — цистерна быстрого погружения, которая работает аналогичным образом. (при ее заполнении водой ПЛ обретает отрицательную плавучесть и тонет).

С погружением разобрались, теперь поговорим о всплытии.

Как мы уже поняли — для пребывания ПЛ на поверхности, в цистернах главного балласта должен находиться воздух, но откуда его взять на глубине?

Все просто: на борту ПЛ имеются емкости со сжатым воздухом, который под давлением и вытесняет воду из цистерн, позволяя лодке всплыть. Этот процесс называется — продуванием цистерн.

Исследовательский проект» почему подводная лодка не тонет»

за привлеченного слушателя на курсы профессиональной переподготовки

Описание презентации по отдельным слайдам:

Автор: ученик 3 класса «б» МБОУ СОШ №20 г. Минеральные Воды Гиричев Серафим «Почему подводная лодка не тонет?» Проект на тему:

Цель исследования: экспериментальным путем обосновать механизм погружения и всплытия подводной лодки с точки зрения физики. Задачи исследования: — узнать историю развития подводного кораблестроения — создать макет подводной лодки — объяснить механизм погружения и всплытия подводной лодки — опытным путем показать механизм погружения и всплытия подводной лодки

Объект исследования: подводная лодка Предмет исследования: механизм погружения и всплытия подводной лодки Методы исследования: — Беседы с взрослыми — Изучение научной литературы — Работа с компьютером — Наблюдения — Проведение опытов, экспериментов

Гипотеза исследования: Мы предположили, что как и всякое физическое тело, подводная лодка подчиняется закону Архимеда, то механизм её погружения и всплытия можно показать в домашних условиях.

Идея подводного судна уходит своими корнями в античные времена IV век до н. э. Александр Македонский

Первая подводная лодка Корнелий Ван-Дреббель 1620 г. Англия

Ефим Никонов 1721 г. Россия «Потаённое судно»

Дэвид Бушнелл 1776 г. США Одноместная субмарина «Черепаха»

Степан Карлович Джевецкий 1881-1907г.г. Россия «Потаённое судно»

Иван Григорьевич БУБНОВ 1908 г. Россия «МИНОГА»

Современный подводный флот

Д-2 «НАРОДОВОЛЕЦ» Подводная лодка-музей г. Санкт-Петербург

Механизм погружения и всплытия подводной лодки. Тело, погруженное в воду, теряет в своем весе столько же, сколько весит вытесненный телом объем воды. Закон АРХИМЕДА

Плавучесть Положительная Отрицательная Нулевая

На подводной лодке открывают кингстоны балластной цистерны, чтобы заполнить их морской водой. Вода поступает в цистерну, воздух сбрасывается наружу, лодка погружается. Чтобы всплыть, вода из цистерн выдавливается сжатым воздухом под высоким давлением. Вес лодки уменьшается и она всплывает на поверхность. Экспериментальное доказательство механизма погружения и всплытия подводной лодки

Моя подводная лодка

Заключение Наша гипотеза о том, что механизм погружения и всплытия подводной лодки можно показать в домашних условиях, оправдалась. Я считаю, что опыт моей работы будет интересен многим ребятам. Этот эксперимент может провести любой мой одноклассник, используя подручные бытовые предметы.

Использованные ресурсы: 1. Интернет-сайт / Первая подводная лодка Корнелия Ван Дреббеля/http://live-trace.livejournal.com/15360.html; 2. Интернет-сайт / История подводного кораблестроения /https://ru.wikipedia.org 3. Интернет-сайт /Кто первый построил подводную лодку/http://www.seapeace.ru/submarines/first/361.html 4. Интернет-сайт / Подводная лодка Джевецкого /https://www.proza.ru/2014/06/19/405 5. Интернет-сайт /Русские подводные лодки/http://coollib.com/b/292338/read 6. Интернет-сайт/ Погружение и всплытие подводной лодки/ http://www.randewy.ru/nk/pogrpl.html 7. Интернет-сайт/ Подводная лодка/ http://wiki.wargaming.net/ru/Navy:%D0%9F%D0%BE%D0%B4%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%BE%D0%B4%D0%BA%D0%B0

• Раевская Анна ГеоргиевнаНаписать 1468 10.05.2017

Номер материала: ДБ-454178

ВНИМАНИЮ УЧИТЕЛЕЙ: хотите организовать и вести кружок по ментальной арифметике в своей школе? Спрос на данную методику постоянно растёт, а Вам для её освоения достаточно будет пройти один курс повышения квалификации (72 часа) прямо в Вашем личном кабинете на сайте «Инфоурок».

Пройдя курс Вы получите:
— Удостоверение о повышении квалификации;
— Подробный план уроков (150 стр.);
— Задачник для обучающихся (83 стр.);
— Вводную тетрадь «Знакомство со счетами и правилами»;
— БЕСПЛАТНЫЙ доступ к CRM-системе, Личному кабинету для проведения занятий;
— Возможность дополнительного источника дохода (до 60.000 руб. в месяц)!

Пройдите дистанционный курс «Ментальная арифметика» на проекте «Инфоурок»!

10.05.2017 354

10.05.2017 332

10.05.2017 659

10.05.2017 4014

10.05.2017 1294

10.05.2017 306

10.05.2017 332

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.