زیردریایی چگونه کار میکند
زیردریاییها، با غلبه بر قوانین فیزیک و بهرهگیری از اصل ارشمیدس در کنترل چگالی، به همراه تلفیقی از سیستمهای پیشران و ناوبری صوتی، در زیر آب کار میکنند.
گروه علم و پیشرفت خبرگزاری فارس_ اقیانوسها، با تاریکی مطلق، فشار خردکننده و وسعت بیکران خود، همواره یکی از خشنترین و چالشبرانگیزترین محیطها برای حضور انسان بودهاند؛ محیطی که شرایط آن در اعماق، شباهت زیادی به خلاء بیرحم فضا دارد.با این حال، نبوغ مهندسی بشر با خلق ماشینی به نام زیردریایی، بر این محدودیتهای زیستی و فیزیکی غلبه کرده است. زیردریاییها به نمایشگاههای متحرک تحقیقاتی و شگفتیهای فناوری تبدیل شدهاند.
اما این غولهای آهنی چگونه میتوانند ماهها زیر آب زنده بمانند، حرکت کنند و بدون دیده شدن، مسیر خود را بیابند؟ در ادامه، به بررسی کالبدشکافی علمی و تشریح مکانیسمهای پیچیده زیردریاییها میپردازیم.
فیزیک غوطهوری، ترکیبج چگالی و اصل ارشمیدس
بنیادیترین سوال در مورد یک زیردریایی این است که چگونه میتواند هم روی سطح آب شناور بماند و هم به اعماق فرو رود؟ پاسخ این سوال در دو مفهوم ساده اما حیاتی فیزیک نهفته است: اصل ارشمیدس و چگالی.اصل ارشمیدس بیان میکند که به هر جسم غوطهور در یک سیال، نیرویی رو به بالا وارد میشود که برابر با وزن سیال جابهجا شده توسط آن جسم است. به این نیرو، نیروی شناوری میگویند. اگر وزن زیردریایی از وزن آبی که جابهجا میکند کمتر باشد، روی آب شناور میماند (شناوری مثبت). اگر وزن آن بیشتر باشد، غرق میشود (شناوری منفی).
راز عملکرد زیردریایی در توانایی آن برای تغییر ارادی وزن خود نهفته است. این کار از طریق سیستم پیچیدهای از مخازن به نام مخازن بالاست انجام میشود. این مخازن در فضای بین بدنه داخلی و خارجی زیردریایی قرار دارند.
برای رفتن به زیر آب:
دریچههای بالای مخازن بالاست باز میشوند تا هوای فشرده خارج شود و همزمان دریچههای پایینی باز میشوند تا آب دریا به درون مخازن هجوم بیاورد. با جایگزین شدن آب به جای هوا، چگالی کلی و وزن زیردریایی افزایش یافته و شناوری منفی ایجاد میشود که آن را به سمت پایین میکشد.برای حرکت در یک عمق ثابت:زیردریایی باید به وضعیت شناوری خنثی برسد. در این حالت، وزن زیردریایی دقیقا با وزن آب جابهجا شده برابر میشود. مهندسان با استفاده از مخازن تنظیم و انتقال مقادیر دقیقی از آب بین آنها، تعادل زیردریایی را در عمق دلخواه حفظ میکنند.برای آمدن به سطح آب:هوای به شدت فشرده شده از مخازن ذخیره، با فشار بالا به درون مخازن بالاست دمیده میشود.این فشار، آب را از دریچههای زیرین به بیرون میراند. با جایگزینی مجدد هوا، وزن زیردریایی کاهش یافته و شناوری مثبت، آن را به سطح آب برمیگرداند.
قلب تپنده، سیستمهای پیشران و تامین انرژی
پس از غلبه بر چالش غوطهوری، زیردریایی برای حرکت در برابر مقاومت بالای آب نیازمند نیروی محرکه عظیمی است. سیستمهای پیشران زیردریاییها به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:
۱. زیردریاییهای دیزل-الکتریک:*
این مدلها از موتورهای دیزلی استاندارد استفاده میکنند اما یک مشکل اساسی وجود دارد:موتور دیزل برای احتراق به اکسیژن نیاز دارد و گازهای سمی تولید میکند، بنابراین نمیتواند در اعماق آب کار کند. راهکار مهندسی برای این مشکل این است که زیردریایی در سطح آب (یا با استفاده از لولهای به نام اسنورکل در عمق بسیار کم) موتور دیزل را روشن میکند تا علاوه بر حرکت، باتریهای غولپیکر الکتریکی خود را شارژ کند.
پس از رفتن به زیر آب، موتورهای دیزل خاموش شده و زیردریایی با استفاده از انرژی ذخیره شده در باتریها و با موتورهای الکتریکی خود در سکوت کامل حرکت میکند. محدودیت این سیستم، نیاز به آمدن به سطح آب برای شارژ مجدد باتریهاست.
۲. زیردریاییهای هستهای:
این فناوری، نقطه عطفی در تاریخ دریانوردی بود.زیردریاییهای هستهای دارای یک راکتور شکافت هستهای کوچک اما بسیار قدرتمند در داخل خود هستند. در این راکتور، شکافت اتمهای اورانیوم گرمای فوقالعادهای تولید میکند. این گرما برای تبدیل آب به بخار با فشار بالا استفاده میشود.بخار تولید شده، توربینهای عظیمی را میچرخاند که هم پروانههای زیردریایی را به حرکت درمیآورند و هم ژنراتورهای الکتریکی را برای تامین برق تمام سیستمها فعال میکنند.
مزیت بینظیر زیردریایی هستهای این است که نیازی به اکسیژن برای تولید انرژی ندارد و با یک بار سوختگیری میتواند دههها بدون توقف کار کند.محدودیت ماندگاری این زیردریاییها در زیر آب، تنها میزان آذوقه و تحمل روانی خدمه آن است.
ناوبری و حواس، بینایی از طریق امواج صوتی
نور خورشید تنها تا عمق چند صد متری در آب نفوذ میکند و پس از آن، زیردریایی در تاریکی مطلق فرو میرود. امواج رادیویی، رادارها و سیستم موقعیتیاب جهانی (GPS) نیز در زیر آب کاربردی ندارند، زیرا آب به سرعت امواج الکترومغناطیسی را جذب میکند.در این تاریکی، زیردریاییها برای دیدن محیط اطراف خود از صدا استفاده میکنند؛ فناوری که سونار نامیده میشود.
سونار به دو روش اصلی عمل میکند
سونار غیرفعال (Passive Sonar):در این حالت، زیردریایی صرفاً به عنوان یک شنونده عمل میکند. میکروفونهای بسیار حساس (هیدروفونها) که در بدنه نصب شدهاند، کوچکترین صداهای محیط از جمله صدای پروانه کشتیها، نهنگها یا جریانهای آب را دریافت و پردازش میکنند. این روش کاملاً مخفیانه است.سونار فعال (Active Sonar):زیردریایی پالسهای صوتی قدرتمندی (معروف به پینگ) را در آب منتشر میکند. این امواج پس از برخورد به موانع (کوهستانهای زیر دریا، صخرهها یا زیردریاییهای دیگر) بازتاب مییابند. کامپیوترها با محاسبه زمان رفت و برگشت موج صوتی، فاصله، اندازه و جهت هدف را با دقت بسیار بالایی ترسیم میکنند.با این حال، استفاده از سونار فعال باعث میشود موقعیت خود زیردریایی نیز برای دشمن آشکار شود.همچنین برای مسیریابی دقیق بدون نیاز به GPS، از سیستم ناوبری اینرسیایی استفاده میشود.این سیستم با استفاده از ژیروسکوپها و شتابسنجهای لیزری بسیار پیشرفته، هرگونه تغییر در سرعت و جهت حرکت زیردریایی را از نقطه شروع محاسبه کرده و موقعیت فعلی را با خطای بسیار ناچیزی مشخص میکند.
مهندسی برای بقا، سیستمهای پشتیبانی حیات و بدنه ضدفشار
قرار گرفتن در عمق ۴۰۰ متری به معنای تحمل فشاری معادل ۴۰ اتمسفر (حدود ۴۰ کیلوگرم نیرو بر هر سانتیمتر مربع از بدنه) است. برای جلوگیری از مچاله شدن زیردریایی مانند یک قوطی کنسرو خالی، مهندسان از ساختار بدنه فشاری استفاده میکنند.این بدنه داخلی از آلیاژهای پیشرفته فولاد با مقاومت تسلیم بالا و یا پوشش تیتانیومی ساخته میشود و شکل استوانهای یا قطرهای دارد تا فشار آب را به صورت یکنواخت توزیع کند.
در داخل این کپسول مقاوم، زنده نگه داشتن دهها نفر خدمه برای ماهها، چالشی علمی است که سیستمهای پشتیبانی حیات آن را حل میکنند:تامین اکسیژن:زیردریاییها آب دریا را دریافت کرده و با استفاده از فرآیند الکترولیز، مولکولهای آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میکنند. اکسیژن به سیستم تهویه تزریق شده و هیدروژن به دریا تخلیه میشود.تصفیه هوا:تنفس خدمه باعث افزایش سطح دیاکسید کربن میشود که سمی است. سیستمهای موسوم به اسکرابر با عبور دادن هوای داخل از میان مواد شیمیایی جاذب (مانند آمینها)، کربن دیاکسید را به دام انداخته و هوای پاک را بازمیگردانند. فیلترهای پیشرفته دیگری نیز گرد و غبار، رطوبت اضافی و گازهای مضر ناشی از تجهیزات را تصفیه میکنند.تامین آب شیرین:دستگاههای آبشیرینکن مجهز به سیستمهای اسمز معکوس یا تقطیر تبخیری، آب شور دریا را به آب کاملاً خالص برای نوشیدن، پختوپز و استفاده در راکتور هستهای تبدیل میکنند.
زیردریاییها، تجلی کامل غلبه علم بر طبیعت خشن هستند. عملکرد آنها سمفونی پیچیدهای از فیزیک سیالات، مهندسی مواد، فیزیک هستهای و الکترونیک است. هر زیردریایی در حال گشتزنی در اعماق آب، در واقع یک شهر کوچک، خودکفا و متحرک است که در بیرحمترین شرایط محیطی زمین به حیات خود ادامه میدهد.
با پیشرفت فناوری، نسل آینده زیردریاییها به سمت سیستمهای کاملاً خودران ، استفاده از هوش مصنوعی برای پردازش دادههای سونار و مواد کامپوزیتی سبکتر و مقاومتر در حال حرکت است، اما اصول بنیادی فیزیکی آنها، همان قوانینی است که ارشمیدس هزاران سال پیش کشف کرد؛ اصولی که به بشر اجازه داد تا رازهای پنهان در تاریکترین اعماق سیاره خود را کشف کند.#زیردریایی#جنگی#نیرو_دریایی#زیردریایی_غدیر#دریا#زیردریایی#دریانوردی
05:36 - 7 اسفند 1404
0 بازدید
