Давление
Давление гидростатическое — это сила, с которой столб морской воды давит на все находящиеся в ней объекты. Это один из главных физических факторов, который приходится учитывать в Военно-морском флоте (ВМФ) при строительстве кораблей, проектировании подводных лодок, создании глубоководных роботов и подготовке водолазов.
Главное правило
В отличие от суши, под водой давление растёт очень быстро с увеличением глубины.
- Каждые 10 метров погружения добавляют примерно 1 атмосферу (или 1 бар) давления.
- На глубине 10 метров на объект действует давление в 2 атмосферы (1 атм воздуха + 1 атм воды).
- На глубине 100 метров давление составляет около 11 атмосфер.
- На предельных глубинах работы подводных лодок (400 метров) давление достигает 41 атмосферы. Это означает, что на каждый квадратный метр корпуса давит вес в 400 тонн.
Измерение давления и глубины на флоте
Так как гидростатическое давление строго пропорционально глубине, на флоте приборы для измерения давления используют в качестве глубиномеров. Они делятся на три основных типа:
- Манометрические глубиномеры (механические):
Работают на основе трубки Бурдона или мембраны. Забортная вода давит на металлическую пружину, которая изгибается и двигает стрелку на циферблате. Используются как надёжные дублирующие приборы на подводных лодках и в снаряжении водолазов.
- Электронные (тензорезистивные) датчики:
Давление воды воздействует на чувствительный кремниевый кристалл, меняя его электрическое сопротивление. Компьютер мгновенно пересчитывает этот сигнал в цифровое значение глубины с точностью до сантиметров. Применяются в навигационных комплексах подлодок и на глубоководных роботах (АНПА/ТНПА).
- Капиллярные глубиномеры:
Самые простые устройства для водолазов-любителей и малых глубин. Вода затекает в прозрачную круговую трубку и сжимает находящийся там воздух. По границе раздела воды и воздуха считывают глубину (эффективны только до 20–30 метров).
Значение для Военно-морского флота
Подводные лодки
Чтобы выдерживать колоссальное давление глубин, подводные лодки строят из особых высокопрочных сталей или титана. Корпус подлодки делится на две части:
- Прочный корпус — внутренний герметичный «цилиндр». Именно он держит на себе всё давление воды и защищает экипаж. Внутри него люди дышат обычным воздухом при нормальном давлении в 1 атмосферу.
- Легкий корпус — внешняя обтекаемая оболочка лодки. При погружении она полностью заполняется водой, поэтому давление снаружи и внутри неё одинаковое, и лёгкий корпус не сжимается.
Если подводная лодка превысит свою предельно допустимую глубину, прочный корпус будет мгновенно раздавлен давлением (это явление называется имплозией[1]).
Батискафы
В отличие от боевых подлодок, батискафы созданы специально для погружения на экстремальные глубины — вплоть до дна Марианской впадины (около 11 000 метров), где давление превышает 1000 атмосфер. Чтобы экипаж выжил в таких условиях, батискаф устроен иначе:
- Люди находятся внутри идеальной прочной сферы (гондолы) с очень толстыми стенками из титана или стали.
- Вместо лёгкого корпуса подлодки батискаф использует огромный поплавок, заполненный бензином (он легче воды и практически не сжимается под колоссальным давлением).
- В качестве балласта используется стальная дробь, которая удерживается электромагнитами. Если на глубине пропадёт питание, магниты отключатся, дробь сама высыплется на дно, и батискаф всплывёт.
Морское оружие
Многие виды флотского вооружения используют давление воды для своей работы:
- Глубинные бомбы и морские мины часто оснащаются гидростатическими взрывателями. Они взрываются не от удара, а автоматически, когда боеприпас погружается на заданную глубину (например, прямо под днище вражеского корабля).
- Торпеды имеют прочный корпус, похожий на подлодочный, чтобы давление не раздавило их двигатель и электронику во время атаки на глубине.
Подводные роботы типа АНПА и ТНПА
Научные и военные роботы работают на глубинах в несколько тысяч метров, где давление составляет сотни атмосфер. Чтобы робота не раздавило, конструкторы используют два метода:
- Важную электронику прячут в прочные титановые или керамические капсулы-сферы.
- Открытые узлы (моторы, суставы манипуляторов) заполняют специальным маслом. Масло не сжимается под давлением, что уравновешивает внутреннюю силу с забортной водой и защищает детали от поломки.
Давление и водолазы (боевые пловцы)
Человеческий организм тяжело переносит высокие давления, что накладывает жёсткие ограничения на работу водолазов ВМФ:
- Баротравма — если водолаз погружается или всплывает слишком быстро, из-за разницы давлений внутри тела и снаружи могут пострадать лёгкие и барабанные перепонки.
- Кессонная болезнь — при дыхании под давлением в крови растворяется много газов. Если резко всплыть, эти газы превращаются в пузырьки (как в открытой бутылке газировки) и блокируют сосуды. Чтобы этого не произошло, водолазы всплывают медленно, с остановками.
- Ограничение по глубине — на глубинах более 30 метров обычный воздух становится токсичным для человека из-за высокого давления азота. Поэтому для глубоководных спусков используют специальные искусственные смеси газов (например, с добавлением гелия).
См. также
Литература
- Прасолов С. Н., Амитин М. Б. Устройство подводных лодок. — М.: Воениздат, 1973.
- Буленков С. Е. Справочник водолаза. Вопросы глубоководных погружений. — М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1975.
- Лукошков А. В. Подводные роботы: история и перспективы развития. — СПб.: Судостроение, 2011. — ISBN 978-5-7355-0732-2.
- Логвинович Г. В. Гидродинамика течений со свободными границами. — Киев: Наукова думка, 1969.
Ссылки
- Официальный электронный словарь Министерства обороны Российской Федерации (Раздел: Военно-морской флот)
- На предельной глубине: физика гидростатического давления и история батискафов — Статья в журнале «Вокруг света».
- ↑ Имплозия — взрыв, направленный внутрь, в результате которого объект схлопывается под воздействием превосходящего внешнего давления среды. В подводной технике имплозия приводит к мгновенному разрушению прочного корпуса аппарата при нарушении его герметичности на большой глубине.