Хто придумав підводний човен?

Корнеліус Якобсон Дреббель - нідерландський винахідник, який зробив внесок у розвиток оптики, хімії, науки про вимірювання, відомий як будівельник першого у світі діючого підводного човна.

Принцип занурення підводного човна

Підводний човен має у своєму корпусі порожнину для повітря, яка називається цистерною. Поки цистерна наповнена повітрям, човен перебуває в надводному положенні, тобто сила Архімеда компенсує силу тяжіння, яка діє на човен.

Для того щоб зануритися під воду, у човні відкривають клапани в цистерні, і вода заміщає собою повітря. У залежності від кількості повітря в цистерні регулюється глибина занурення.

Принцип випливання підводного човна 

Задля того щоб підводний човен  піднявся на поверхню з глибини, у човні розташовані ємності із зжатим повітрям. Це повітря під тиском закачують в цистерни, витісняючи повітря. І човен починає випливати тому, що сила Архімеда, яка діє на човен, починає перевищувати силу тяжіння. Швидкість витіснення води з цистерни регулює швидкість піднімання на поверхню.

Розглянемо, на яких фізичних закономірностях базується переміщення підводного човна по вертикалі.

Усі ми любимо займатись спортом. Ну, майже всі. 

Але не завжди замислюємось, чому людина бігає в просторі швидше, ніж пливе у воді?

Це відбувається тому, що вода густіша за повітря і відповідно вона чинить більший опір руху.

Сила опору середовища (сила в’язкого тертя) – це сила, яка виникає під час руху тіла всередині рідкого або газуватого середовища і спрямована в бік, протилежний напрямку руху й перешкоджає цьому руху.

Сила опору збільшується:

1.На великих швидкостях сила опору стрімко зростає

під час спроб розігнати тіло до більших швидкостей.

2.Зі збільшенням площі поперечного перерізу тіла.

Наприклад, під час падіння парашутист набирає значну швидкість, проте відразу після розкриття парашута сила опору різко збільшується і парашутист починає гальмувати.

3. Зі збільшенням густини та в’язкості середовища, за певних змін якості поверхні:

- Збільшення густини середовища збільшує лобовий опір;

-Збільшення в’язкості середовища та певні нерівності поверхні

тіла сприяють залученню до руху прилеглих шарів середовища.

Сила опору залежить від форми тіла – за однакових розмірів і швидкостей руху на тіло у формі краплі або кулі буде діяти менша сила опору, ніж на куб або циліндр.

Для зменшення сили пору тілу потрібно надати форми, яка зменшить силу опору. Саме тому повітряним та водним транспортним засобам (літакам, суднам, підводним човнам) надають форми, близької до видовженої кулі або краплини.

Така форма має назву "обтічна".

У природному середовищі в процесі еволюції птахи та мешканці морів набули обтічної форми, щоб була змога набирати високі швидкості.

Переважна більшість мешканців морських глибин мають обтічну форму, яка полегшує пересування у воді. Наприклад, дельфіни, акули.

Морські мешканці в ході еволюції пристосувалися до водного середовища. У них різні способи плавання, різна форма тіла, але найбільш характерна обтічна форма.

 Вона характерна для більшості мешканців водного середовища. Ця форма дуже подібна у різних груп організмів, які мешкають у воді.  

Акула - це риба, а точніше один з перших представників хребетних тварин, який з’явився 450 млн років тому. Хребетні тварини вийшли на сушу 350 млн років тому, після чого активно підкорювали наземне середовище.

Дельфін - це ссавець, який виник від древніх копитних наземних ссавців у ранньому еоцені. Приблизно 40 млн років тому поступово повернувся у море.

Між акулою та дельфіном більше 400 млн років еволюції, але їх форми все одно схожі. Спробуймо їх порівняти. 

Як ви бачите, хоча ці тварини дуже різні між собою, але вони все одно подібні один до одного. Це пояснюється явищем конвергенції.

Конвергенція – еволюційний процес, що призводить до формування комплексу схожих ознак у представників неспоріднених груп, які живуть в одному середовищі.

 Наслідком конвергентної еволюції є анатомічна конвергентна схожість. Тобто схожість організмів заснована не на їхній спорідненості, а на близькому наборі ознак, що сформувався незалежно в різних групах тварин під дією природного добору відносно середовища існування. 

Морські мешканці в ході еволюції пристосувалися до водного середовища. У них є різні способи плавання. Від реактивних ранців до планування на воді. Але найбільш відмінна річ - це обтічна форма тіла. Вона притаманна всім мешканцям води. Ці форми дуже подібні.

Порівняймо акулу та дельфіна:

А далі згадуємо про конвергенцію...

Людина - єдиний ссавець, якому, щоб підкорити море, не знадобилося відрощувати ласти, змінювати форму тіла і взагалі перебудовувати ДНК.

Біоніка - прикладна наука про застосування в технічних пристроях і системах принципів організації, властивостей, функцій і структур живої природи, тобто форми живого в природі і їх промислові аналоги. 

Біоніка використовує знання про живу природу для вирішення технічних завдань. Значимість цієї науки важко переоцінити. Адже природа створює абсолютно все з максимальною ефективністю.

Девіз біоніки: «Живі прототипи - ключ до нової техніки».

У біоніки є символ: схрещені скальпель, паяльник і знак інтеграла. Цей союз біолога, техніка і математика дозволяє сподіватися, що наука біоніка проникає туди, куди не проникало ще ніщо, і побачити те, що не бачив ще ніхто.

Форма тіла дельфінів послужила прототипом для конструювання підводних човнів і морських судів. А вивчення структури шкіри акул дозволила створити абсолютно унікальний матеріал ламінфо. Обшивка підводної частини суден, виконана з цього матеріалу, збільшує їх швидкість на 15-20%. 

Американський підводний човен "Скіпджек" має форму тунця.

Вивчаючи особливості будови та поведінки морських жителів, їхні гідродинамічні особливості, вчені стали використовувати ці знання при будівництві підводних човнів та суден. Конструктори домоглися гарної обтічності «Скіпджеку», у результаті в судна зросла швидкість і повороткість. Повороткість - дуже важлива властивість, здатність судна до швидкої зміни напряму. 

Висновок:

Щоб тіло могло швидко переміщатися у водному середовищі, воно повинно мати обтічну форму.