زیردریایی چگونه کار می‌کند؟

زیردریایی‌ها از شگفت‌انگیزترین اختراعات بشر هستند. طی صدها سال دریانوردان فقط می‌توانستند روی عرشه كشتی‌ها كار كنند. اختراع زیردریایی به انسان اجازه داد تا بتواند همچون موجودات دریایی برای مدت طولانی (ماه‌ها و حتی سالها) در زیر دریا زندگی كند. ما اختراع زیردریایی‌های پیشرفته را مدیون مسابقه تسلیحاتی جنگ سرد بین دو ابرقدرت شرق و غرب در قرن بیستم هستیم!
دانشمندان برای ساخت و حركت دادن زیردریایی‌ها از چندقانون استفاده كردند. ما ابتدا به بررسی دو قانون مهم می‌پردازیم:
۱) قانون ارشمیدس:
طبق قانون ارشمیدس بر هر جسم (كمی یا كاملاً) غوطه‌ور در سیال معادل وزن سیال جابجاشده نیرو وارد می‌شود. همواره وزن جسم بطرف پائین و نیروی شناوری سیال بطرف بالا ظاهر می‌شوند. هرگاه این دو نیرو با هم برابر باشند (مانند كشتی روی دریا) جسم روی سیال شناور خواهد شد و اگر نیروی وزن بیشتر از نیروی شناوری سیال (مانند سنگ در آب) باشد، جسم كاملاً در سیال فرو خواهد رفت.
چگالی جسم به وزن بر حجم تعریف می‌شود. هرگاه چگالی جسم از چگالی سیال (آب) بیشتر باشد، جسم در سیال فروخواهد رفت.
۲) قانون بویل:
طبق این قانون در دمای ثابت، حجم و فشار یك سیال رابطه عكس با هم دارند . یعنی هرگاه فشار وارد بر سیال دوبرابر شود، حجم سیال نصف خواهد شد.
برهرجسم داخل سیال، فشاری به تمام سطح جسم (متناسب با عمق سیال) بطور مساوی وارد می‌شود. هرچه عمق سیال بیشتر باشد، فشار وارد بر جسم نیز بیشتر خواهد شد و طبق قانون بویل حجم آن باید كم شود. برای مثال اگر بالون پر از هوایی را به عمق اقیانوس ببریم، فشار عمق آب باعث كم شدن حجم بالون و متراكم شدن هوای داخل بالون خواهد شد.
وبرعكس اگر بالون را رها سازیم تا به آسمان برود، چون فشار هوا در ارتفاع كمتر از سطح زمین است، حجم بالون افزایش خواهد یافت. بیایید این قانون را درمورد خطرات غواصی در عمق بررسی كنیم:
هرچه غواص به عمق بیشتری برود، فشار وارد بر بدن و ریه‌های او افزایش می‌یابد. اگر دمای آب را حدود ۰۴ ثابت درنظر بگیریم، باید حجم ریه‌های غواص كم شود. ولی حجم ریه‌ها كم نمی‌شود و درعوض برای خنثی كردن فشار عمق سیال، ریه‌ها هوای بیشتری را جذب می‌كنند تا فشار داخل ریه با محیط یكسان شود.
در عمق ۴۰ متری حجم هوای فشرده شده درون ریه به ۴ برابر سطح آب افزایش می‌یابد كه این موضوع می‌تواند باعث پاره شدن رگ‌ها و رسوب نیتروژن در خون و خطر حمله قلبی برای غواص بوجود آورد. به همین دلیل غواص ها نمی توانند برای مدت طولانی در عمق بیشتر از ۳۰ متری شنا كنند.
● تاریخچه ساخت زیردریایی‌ها :
▪ در زیردریایی‌های اولیه از نیروی دست برای حركت دادن زیردریایی در اعماق كمك گرفته می‌شد. در سال ۱۶۲۰ شخص بنام ون دربل اولین زیردریایی را ساخت كه می‌توانست در عمق ۵/۴ متری حركت كند.
حجم داخل این زیردریایی بسیار كم بود، بطوریكه فقط یك نفر می‌توانست داخل آن قرار گیرد و برای حركت دادن آن در عمق به یك فرد بسیار نیرومند نیاز بود تا بتواند پره‌های جلو و فوقانی را بچرخاند.
درحدود سال ۱۷۷۰، دیود باشنل زیردریایی را طراحی كرد كه می‌توانست بكمك دست و پدالهای پایی حركت كند. حدود ۳۰ سال بعد روبرت فولتون، زیردریایی دیگری ساخت كه ۳ نفر گنجایش داشت و برای اولین بار، بالهایی برای تنظیم عمق در زیردریایی تعبیه شد.
▪ فولتون سپس تلاش كرد تا زیردریایی دیگری با موتور بخار بسازد. مشكل طراحی این موتورها در آن بود كه در زیر آب اكسیژن نبود. بنابراین موتوری طراحی شد كه ابتدا آب در سطح آب داخل مخزنی با موتور دیزل (با سوخت گازوئیل) داغ و تبدیل به بخار می‌شد، سپس موتور خاموش می‌شد و زیردریایی به داخل آب شیرجه می‌زد و تا وقتی كه بخار داخل مخزن سرد نشده بود، زیردریایی می‌توانست با موتور بخار در عمق دریا حركت كند.
در سال ۱۸۶۰ زیردریایی دیگری طراحی شد كه بطور كامل زیر آب نمی‌رفت و از طریق لوله‌ای كه به سطح آب راه داشت، اكسیژن را برای سوخت موتور به داخل زیردریایی مكش می‌كرد.
▪ در سال ۱۹۰۴ اولین زیردریایی كه با موتور دیزل- الكتریكی كار می‌كرد، در فرانسه ساخته شد. موتورهای دیزل در سطح آب، باطری‌های الكتریكی را شارژ می‌كردند و سپس زیردریایی در آب فرو می‌رفت در این هنگام موتور دیزل خاموش می‌شد و موتور الكتریكی بكمك باطری‌های شارژشده، زیردریایی را حركت می‌داد.
مشكل این نوع زیردریایی در آنجا بود كه اولاً باطری‌ها خیلی بزرگ و سنگین بودند و ثانیاً پس از گذشت چندساعت زیردریایی مجبور بود به سطح آب بیاید تا موتور دیزل روشن شده و باطری‌ها را دوباره شارژ كند. اسید داخل باطری‌ها هم در تركیب با آب دریا، بخار خطرناك و كشنده‌ای تولید می‌كردند.
▪ درسال ۱۹۵۴ اولین زیردریایی با سوخت هسته‌ای ساخته شد. از مزایای این زیردریایی‌ها، عدم نیاز به هوا است. این نوع زیردریایی‌ها می‌توانند به مدت طولانی (حتی سالها) زیر دریا بمانند و فقط درصورت نیاز به سطح آب بیایند و نیز با سرعت بالای ۵۰ كیلومتر در ساعت در زیر و یا سطح دریا حركت كنند. در این موتورها، حرارت راكتور از طریق لوله‌های آب به توربین بخار می‌رسد و آن را می‌چرخاند.
در نمونه زیردریایی شكل زیر، دو مدار گردش آب طراحی شده است. در مدار اولی، آب در اثر حرارت زیاد (عمل شكافت هسته‌ای) راكتور، به شدت داغ می‌شود و با گردش آب در مدار اولیه محفظه تبدیل هم داغ می شود. سپس محفظه تبدیل ،‌ آب مدار ثانویه را تبدیل به بخار می‌كند و آن را سوی توربین بخار می‌فرستد.
بخار آب ، توربین را می‌چرخاند تا نیروی محركه و برق زیردریایی تامین شود. سپس بخار آب در محفظه تراكم تبدیل به آب می‌شود و دوباره به محفظه تبدیل بخار ارسال می‌شود.
● اجزاء زیردریایی:
اجزاء بیرونی زیردریایی شامل بدنه استوانه بیضی شكل با دوبال افقی در جلو و دوبال عمودی در عقب برای شیرجه رفتن به عمق و اوج گرفتن به سطح آب، یك سكان برای حركت به چپ و راست ، یك پروانه در دم بدنه برای تولید نیروی محركه زیردریایی و یك بادبان برای ورود و خروج خدمه به سطح آب است.
درضمن یك آنتن رادیویی برای تماس با زیردریایی‌ها و كشتی‌های دیگر و یك پریسكوپ برای مشاهده سطح آب از زیر دریا روی بادبان تعبیه شده است.
بدنه زیردریایی از دو پوسته (قشر) ساخته شده كه مابین آنها خالی است. به این فضای خالی، مخزن بالاست (سنگینی) می‌گویند. روی قشر بیرونی و بالای بدنه، دریچه‌ای برای خروج هوا (دریچه اصلی) و در پائین بدنه هم دریچه‌ای برای ورود و خروج آب به مخزن بالاست تعبیه شده است.
داخل زیردریایی هم مخزن گاز فشرده با دو دریچه خروج هوا به مخزن بالاست روی قشر درونی تعبیه شده است. وزن زیردریایی با مخزن بالاست خالی، كمتر از نیروی شناوری آب دریاست و بنابراین زیردریایی در این حالت مانند كشتی روی سطح آب باقی خواهد ماند.
برای فرورفتن زیردریایی در آب، دریچه خروج هوا (دریچه اصلی) و دریچه ورود آب را باز می‌كنند تا آب دریا وارد مخزن بالاست شود. به این ترتیب وزن زیردریایی بیشتر از نیروی شناوری می‌شود و زیردریایی در آب فرومی‌رود.
برای بالا آمدن زیردریایی دریچه اصلی را می‌بندند و دریچه گاز فشرده شده را باز می‌كنند تا هوا وارد مخزن بالاست شود. با ورود گاز به مخزن و خروج آب از دریچه‌های پائینی، وزن زیردریایی كم می‌شود و نیروی شناوری آن را بطرف بالا می‌برد.
پروانه نصب‌شده در انتهای دم زیردریایی با چرخش خود، زیردریایی را به جلو و با چرخش برعكس به عقب! هدایت می‌كند. برای شیرجه رفتن بطرف پائین (درهنگام حركت به جلو) انتهای بالهای جلو بطرف بالا و انتهای بالهای عقب بطرف پائین كج می‌شوند و برای اوج گرفتن نیز انتهای بالهای جلو بطرف پائین و انتهای بالهای عقب زیردریایی بطرف بالا كج می‌شوند تا (مانند پرواز هواپیما در هوا ) مسیر سیال عبوری (آب) از بالها برای حركت به مسیر دلخواه تغییر یابد و نیروی بالابر یا پائین‌بر تولید شود.
برای حركت به چپ و راست نیز از سكان عقب كمك گرفته می‌شود. مثل حركت كشتی و هواپیما (درهنگام حركت به جلو ) با كج كردن سكان به چپ، زیردریایی به چپ و با كج كردن سكان به راست، زیردریایی بطرف راست خواهد چرخید.
پریسكوپ داخل زیردریایی هم از ۲ آینه كج با زاویه ۰۴۵ درجه ساخته شده تا خدمه بتوانند با چرخاندن آن، كشتی‌های سطح آب را مشاهده كنند.
از آنتن رادیویی هم برای ارسال سیگنال به اطراف و برقراری ارتباط با دیگر زیردریایی‌ها و كشتی‌های دیگر و نیز از فرستنده دیگری ( رادار ) برای تشخیص موانع سرراه زیردریایی كمك می‌گیرند.

منبع : گروه علمی نابغه های ایران