Những tàu bình thường chỉ có thể đi trên mặt biển. Nhưng tàu ngầm thì vừa có thể đi trên mặt nước lại vừa có thể lặn sâu xuống biển đi ngầm dưới nước.
Vì sao tàu ngầm có thể lặn xuống và nổi lên? Đó là trò ảo thuật của sự thay đổi trọng lực và sức đẩy. Bất kì vật thể nào ở trong nước ngoài việc phải chịu đựng lực theo hướng thẳng đứng xuống dưới ra còn chịu lực nâng lên của nước. Lực nâng lên đó chính là sức đẩy. Khi sức đẩy lớn hơn trọng lực, vật thể sẽ nổi lên mặt nước, khi sức đẩy nhỏ hơn trọng lực, vật thể sẽ chìm xuống, khi sức đẩy bằng trọng lực hoặc chênh lệch rất ít thì vật thể sẽ “lơ lửng” ở bất kỳ vị trí nào trong nước. Nếu điều chỉnh độ chênh lệch giữa trọng lực và sức đẩy của tàu ngầm thì nó có thể chìm xuống, nổi lên.
Nhưng thân tàu ngầm là cố định không thay đổi, nên sức đẩy mà nó chịu trong nước là không thay đổi. Vì vậy muốn điều chỉnh độ chênh lệch này chỉ có thể tiến hành bằng cách thay đổi trọng lượng bản thân tàu. Các nhà thiết kế tàu ngầm đã thiết kế tàu ngầm thành một thân tàu gồm hai lớp vỏ trong và ngoài. Trong khoảng không giữa vỏ trong và vỏ ngoài chia thành một số khoang nước.
Mỗi khoang nước đều lắp van dẫn nước vào và van xả nước ra. Tàu ngầm đang nổi trên mặt nước muốn lặn xuống, thì chỉ cần mở van dẫn nước vào các khoang chứa nước để cho nước biển nhanh chóng chảy đầy vào, lúc đó trọng lượng tàu ngầm đã tăng lên và khi trọng lượng vượt quá sức đẩy thì tàu sẽ chìm. Nếu như tàu ngầm đang lặn dưới nước muốn nổi lên thì chỉ cần dùng van dẫn nước vào rồi dùng không khí nén có áp lực cực lớn phun nước ở trong các khoang chứa nước qua van xả chảy ra ngoài, lúc đó trọng lượng giảm, sức đẩy của tàu ngầm lớn hơn trọng lực nên tàu nổi lên khỏi mặt nước.
Nếu tàu ngầm muốn chạy trong khoảng nước ở giữa mặt biển và đáy biển thì có thể cho nước vào một phần khoang chứa nước hoặc xả một phần nước ở khoang chứa nước ra nhằm điều tiết trọng lượng tàu ngầm, khiến cho trọng lượng bằng hoặc lớn hơn sức đẩy một ít, lúc đó tàu ngầm có thể đi trong khu vực nước có độ sâu nông khác nhau.
Tàu ngầm lặn xuống, nổi lên như thế nào?
Thân tàu ngầm được tạo thành bởi hai lớp vỏ trong và ngoài, khoang trống giữa hai lớp vỏ này được phân cách thành nhiều khoang chứa nước. Mỗi khoang đều có van hút nước và van xả nước ra.
Khi tàu ngầm nổi trên mặt nước muốn lặn xuống, thì chỉ cần mở van hút nước vào khoang, khiến cho nước biển nhanh chóng chứa đầy các khoang, trọng lượng của tàu tăng lên, khi trọng lượng vượt quá sức nâng thì nó lặn xuống.
Tàu ngầm đang ở dưới nước muốn nổi lên, thì chỉ cần đóng các van hút nước vào khoang, dùng không khí nén với áp suất lớn thông qua van xả để đẩy nước ra ngoài, như vậy tàu sẽ nhẹ đi, sức nâng lại lớn hơn trọng lực, tàu lại nổi lên mặt nước.
Nếu tàu ngầm cần chạy ở khoảng giữa mặt biển và đáy biển, thì có thể cho nước vào hoặc xả nước ra ở một số khoang để điều chỉnh trọng lượng tàu; khiến cho trọng lực bằng hoặc lớn hơn sức nâng một ít, lúc này tàu có thể chạy dưới nước, nếu bánh lái ở đầu tàu hướng lên trên, ở đuôi tàu hướng xuống dưới, thì tàu sẽ nổi lên, ngược lại thì tàu sẽ chạy ở một độ sâu nhất định ở dưới nước.
Tại sao tàu ngầm thi thoảng phải nổi lên mặt nước?
Tàu ngầm có thể chia làm 2 loại: loại chạy bằng diesel – điện, và 1 loại chạy bằng năng lượng hạt nhân.
Các tàu ngầm chạy bằng diesel điện được gọi là tàu ngầm diesel. Còn tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân được gọi là tàu ngầm hạt nhân.
Dù là loại tàu nào thì chúng đều phải nổi lên định kỳ, nhưng lý do cho việc này lại khác nhau đối với từng loại.
Đối với tàu ngầm diesel, động cơ diesel sản sinh ra năng lượng thông qua một quá trình đốt trong. Quá trình này rất cần có oxi, vì vậy chúng phải nổi lên để có đủ oxi đảm bảo cho cơ chế tàu hoạt động bình thường.
Tàu ngầm phải ngoi lên mặt nước vài ngày 1 lần [hoặc thường xuyên hơn], không chỉ để lấy oxy sạch từ trên mặt nước, mà còn để thải bớt khí gas sinh ra trên tàu trong quá trình tàu hoạt động.
Quá trình này tàu ngầm nhờ 1 thiết bị được gọi là “ống thở”, cho phép tàu hoạt động dưới nước trong khi vẫn lấy được oxy từ trên bề mặt nước. Một khi tàu nổi lên, các động cơ diesel của nó hoạt động và tạo ra năng lượng, dùng để sạc lại các viên pin giúp tàu hoạt động.
Còn về tàu ngầm hạt nhân, theo 1 cách khác, hoạt động dựa trên các lò phản ứng hạt nhân, các lò phản ứng này sinh ra năng lượng đủ để các thiết bị điện trên tàu hoạt động, cùng với đó là các hệ thống hỗ trợ sự sống cho thủy thủ đoàn. Bởi vậy, không giống như tàu ngầm diesel, tàu ngầm hạt nhân có thể hoạt động hằng ngày, thậm chí hàng tuần, mà không cần phải nổi lên mặt nước.
Thực tế thì, các lò phản ứng hạt nhân trên tàu ngầm có thể sinh ra năng lượng đủ để tàu hoạt động trong vài thập kỷ. Tuy vậy cả tàu ngầm hạt nhân và diesel đều phải nổi lên mặt nước để trao đổi thông tin về căn cứ, và để nhận lệnh mới, hoặc cũng để truyền đạt các thông tin quan trọng khác. Bởi ở dưới nước các tín hiệu hoạt động kém hiệu quả.
Tại sao nước không tràn vào khi tàu ngầm bắn ngư lôi?
Ống phóng ngư lôi trên tàu ngầm có hai nắp ở phía trước và phía sau. Hai nắp của ống phóng ngư lôi hoạt động theo cơ chế là chỉ có thể đóng cùng lúc nhưng lại không thể đồng thời mở. Khi nắp trước ống phóng mở ra thì nắp sau không thể mở được.
Sau khi ngư lôi được phóng, nước biển tuy tràn vào ống phóng nhưng do nắp sau vẫn đóng cho nên nước biển không thể tràn vào bên trong tàu. Khi việc phóng kết thúc, nắp trước được đóng lại rồi nhờ một van đặc biệt, số nước biển đã lọt vào trong ống phóng sẽ được tháo vào một bể chứa bên trong tàu ngầm để bổ sung cho khối lượng đã mất đi vì phóng ngư lôi, nhờ đó duy trì trọng lượng tàu ngầm. Sau khi nước trong ống phóng được rút hết thì lại có thể nạp ngư lôi khác vào.
Tại sao tàu ngầm có thể lặn xuống và nổi lên?
Lịch sử phát triển kính thiên văn dụng cụ quang học của ngành vật lý thiên văn
Tàu ngầm một loại phương tiện tối tân giúp con người có thể lặn sâu dưới biển khám phá đại dương cũng như các hoạt động quân sự nhắm đến các mục đích khác nhau trên biển.
Tại sao tàu ngầm có thể lặn xuống và nổi lên?
Khi bạn ném một hòn đá xuống nước chắc chắn nó sẽ chìm xuống, với trọng lượng lên tới cả nghìn tấn vậy tại sao tầu ngầm không chìm nhanh như ném 1 cục sắt 1kg xuống nước. Bí mật của tầu ngầm nằm ở cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của nó.
Tàu ngầm hoạt động dựa trên nguyên lý lực đẩy Ác-si-mét và định luật Pascal về áp suất của chất lỏng. Về cơ bản khi một vật “chui” vào trong lòng chất lỏng không phải nó cứ chìm mãi mà nó chỉ chìm đến khi lực đẩy Ác-si-mét cân bằng với trọng lực tác dụng lên vật đó, vật sẽ nổi nếu lực đẩy Ác-si-mét lớn hơn trọng lực và ngược lại => muốn lặn [chìm] xuống sâu hơi thì tàu ngầm phải có khả năng thay đổi trọng lượng của nó và điều chỉnh được độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét.
Khi nổi lên, hoặc lặn xuống ngoài việc điều chỉnh hướng của động cơ đẩy trên tàu ngầm, người ta còn phải thay đổi trọng lượng của tầu ngầm, để làm được điều này tàu ngầm thường được chế tạo bởi 2 lớp vỏ. Giữa hai lớp vỏ là một khoang trống như hình minh họa
Giữa hai lớp vỏ là một khoang trống gọi là ballast tank
Trước khi hạ thủy các khoang Ballast tank này đầy không khí, để lặn xuống lớp vỏ ngoài cùng có một van đóng mở để nước có thể tràn vào làm tăng trọng lượng của tàu.
Khi tàu ngầm lặn xuống khoang ballast tank được bơm đầy nước
Van ở vỏ tàu mở để nước tràn vào đồng thời “Vent” sẽ được mở để không khí trong khoang ballast tank dồn vào một khoang đựng không khí khác [Air tank]. Lúc này động cơ và cánh tàu ngầm sẽ làm việc của nó là điều chỉnh hướng để tàu ngầm có thể lặn sâu vào trong lòng đại dương.
Khi tàu muốn nổi lên, động cơ đẩy tàu hướng lên mặt nước đồng thời không khí từ khoang Air tank sẽ được bơm ra khoang Ballast tank đẩy nước ra ngoài để làm giảm trọng lượng của tàu giúp tàu nổi lên.
Tàu ngầm Kilo 636 đầu tiên về Việt Nam khối lượng 2,300-2,350 tấn khi nổi 3,000-4,000 tấn khi lặn. Kilo được trang bị 6 ống phóng ngư lôi 533mm, có thể phóng được cả tên lửa và/hoặc rải mìn. Tàu có thể mang theo 18 ngư lôi hoặc 24 quả thủy lôi. Có 2 ống phóng lôi được thiết kế để bắn các ngư lôi điều khiển từ xa với độ chính xác cao.
Ngoài vấn đề thay đổi trọng lượng trong quá trình lặn càng xuống sâu áp suất nén lên thành tầu càng lớn, áp suất có thể lớn đến mức nén toàn bộ tàu ngầm thành một cục sắt đặc vì vậy chất liệu được làm vỏ tầu ngầm và kết cấu của tầu ngầm cũng phải được chế tạo theo những kiến thức khoa học tiên tiến đây cũng chính là lý do không phải Quốc gia nào cũng có đủ kiến thức và kinh phí để chế tạo tàu ngầm.
Cuộc sống trên tàu ngầm:
Tàu ngầm E-Class của Anh trong Thế chiến Thứ Nhất
Có 3 vấn đề chính cần phải giải quyết để đảm bảo sự sống cho các thuyền viên trên tàu ngầm:
Không khí trên tàu ngầm:
- Khí oxy sẽ được cung cấp từ một trong các khoang chứa được nén, hoặc từ một máy tạo oxy thông qua biện pháp điện phân nước, hoặc từ phản ứng nhiệt phân KClO3 hoặc NaClO3.
- Độ ẩm trong không khí trên tàu có thể được loại bỏ bằng các phản ứng hóa học hoặc các máy làm khô. Các thiết bị này giúp cho nước không đọng lại trên các bức tường và các thiết bị bên trong tàu.
- Ngoài ra, các loại khí như CO hoặc hy-đrô được sinh ra bởi các thiết bị và khói thuốc lá khó thể được loại bỏ bằng cách máy đốt. Các bộ lọc cũng được sử dụng để loại bỏ bụi bẩn khỏi không khí.
Nguồn nước sạch trên tàu ngầm
- Phần lớn các tàu ngầm hiện nay đều sử dụng các thiết bị chưng cất có thể biến nước biển thành nước ngọt. Các máy chưng cất này sẽ đun sôi nước biển để làm nước bốc hơi, loại bỏ muối; sau đó sẽ hạ nhiệt độ để hơi nước cô đọng thành nước sạch.
Nhiệt độ trên tàu ngầm
- Nhiệt độ dưới lòng biển xung quanh tàu ngầm thường là vào khoảng 4 độ C. Do đó, tàu ngầm phải được cung cấp hệ thống sưởi điện để tạo ra nhiệt độ đủ ấm cho các thủy thủ. Điện năng sẽ được lấy từ lò phản ứng hạt nhân, máy phát diesel hoặc ắc-quy [trong trường hợp khẩn cấp].
Có thể bạn đã biết
Đối với các tầu ngầm không người lái thuần túy mang mục tiêu là lặn sâu thì tàu lặn Giao Long của Trung Quốc có thể chạm độ sâu 7000m so với mặt nước biển.
Vùng biển sâu nhất mà con người có thể tính toán được thuộc về rãnh Rãnh Mariana, còn gọi là vực Mariana hay vũng Mariana, là rãnh đại dương sâu nhất đã biết, và điểm sâu nhất của nó là nơi sâu nhất trong lớp vỏ Trái Đất. Độ sâu tối đa của rãnh này là 10.971 m [35.994 ft] dưới mực nước biển theo phép đo gần đây nhất.
Sách Kỷ lục Guinness ngày 19/9/2014 đã công nhận Ahmed Gamal Gabr Một công dân Ai Cập có chuyến lặn sâu nhất thế giới, sau khi người đàn ông này kết thúc hành trình dưới đại dương ở độ sâu 332,35m trong 12 phút.