زير دريايي وبالون چگونه کار ميکنند؟

زيردريايي ها از شگفت انگيزترين اختراعات بشر هستند. طي صدها سال دريانوردان فقط مي توانستند روي عرشه کشتي ها کار کنند. اختراع زيردريايي به انسان اجازه داد تا بتواند همچون موجودات دريايي براي مدت طولاني (ماه ها و حتي سالها) در زير دريا زندگي کند. ما اختراع زيردريايي هاي پيشرفته را مديون مسابقه تسليحاتي جنگ سرد بين دو ابرقدرت شرق و غرب در قرن بيستم هستيم!

دانشمندان براي ساخت و حرکت دادن زيردريايي ها از چندقانون استفاده کردند. ما ابتدا به بررسي دو قانون مهم مي پردازيم:

۱) قانون ارشميدس: طبق قانون ارشميدس بر هر جسم (کمي يا کاملاً) غوطه ور در سيال معادل وزن سيال جابجاشده نيرو وارد مي شود. همواره وزن جسم بطرف پائين و نيروي شناوري سيال بطرف بالا ظاهر مي شوند. هرگاه اين دو نيرو با هم برابر باشند (مانند کشتي روي دريا) جسم روي سيال شناور خواهد شد و اگر نيروي وزن بيشتر از نيروي شناوري سيال (مانند سنگ در آب) باشد، جسم کاملاً در سيال فرو خواهد رفت.

چگالي جسم به وزن بر حجم تعريف مي شود. هرگاه چگالي جسم از چگالي سيال (آب) بيشتر باشد، جسم در سيال فروخواهد رفت.

۲) قانون بويل:طبق اين قانون در دماي ثابت، حجم و فشار يک سيال رابطه عکس با هم دارند . يعني هرگاه فشار وارد بر سيال دوبرابر شود، حجم سيال نصف خواهد شد.

برهرجسم داخل سيال، فشاري به تمام سطح جسم (متناسب با عمق سيال) بطور مساوي وارد مي شود. هرچه عمق سيال بيشتر باشد، فشار وارد بر جسم نيز بيشتر خواهد شد و طبق قانون بويل حجم آن بايد کم شود. براي مثال اگر بالون پر از هوايي را به عمق اقيانوس ببريم، فشار عمق آب باعث کم شدن حجم بالون و متراکم شدن هواي داخل بالون خواهد شد.

و بر عکس اگر بالون را رها سازيم تا به آسمان برود، چون فشار هوا در ارتفاع کمتر از سطح زمين است، حجم بالون افزايش خواهد يافت. بياييد اين قانون را درمورد خطرات غواصي در عمق بررسي کنيم:

درشکل زير (سمت چپ) ريه هاي غواصي را درحال شنا در سطح آب مي بينيد. هرچه غواص به عمق بيشتري برود، فشار وارد بر بدن و ريه هاي او افزايش مي يابد. اگر دماي آب را حدود  40 ثابت درنظر بگيريم، بايد حجم ريه هاي غواص کم شود. ولي حجم ريه ها کم نمي شود و درعوض براي خنثي کردن فشار عمق سيال، ريه ها هواي بيشتري را جذب مي کنند تا فشار داخل ريه با محيط يکسان شود.

در عمق ۴۰ متري حجم هواي فشرده شده درون ريه به ۴ برابر سطح آب افزايش مي يابد که اين موضوع مي تواند باعث پاره شدن رگ ها و رسوب نيتروژن در خون و خطر حمله قلبي براي غواص بوجود آورد. به همين دليل غواص ها نمي توانند براي مدت طولاني در عمق بيشتر از ۳۰ متري شنا کنند.

● تاريخچه ساخت زيردريايي ها :

در زيردريايي هاي اوليه از نيروي دست براي حرکت دادن زيردريايي در اعماق کمک گرفته مي شد. در سال ۱۶۲۰ شخص بنام ون دربل اولين زيردريايي را ساخت که مي توانست در عمق ۵/۴ متري حرکت کند.

حجم داخل اين زيردريايي بسيار کم بود، بطوريکه فقط يک نفر مي توانست داخل آن قرار گيرد و براي حرکت دادن آن در عمق به يک فرد بسيار نيرومند نياز بود تا بتواند پره هاي جلو و فوقاني را بچرخاند

درحدود سال ۱۷۷۰، ديود باشنل زيردريايي را طراحي کرد که مي توانست بکمک دست و پدالهاي پايي حرکت کند. حدود ۳۰ سال بعد روبرت فولتون، زيردريايي ديگري ساخت که ۳ نفر گنجايش داشت و براي اولين بار، بالهايي براي تنظيم عمق در زيردريايي تعبيه شد.

فولتون سپس تلاش کرد تا زيردريايي ديگري با موتور بخار بسازد. مشکل طراحي اين موتورها در آن بود که در زير آب اکسيژن نبود. بنابراين موتوري طراحي شد که ابتدا آب در سطح آب داخل مخزني با موتور ديزل (با سوخت گازوئيل) داغ و تبديل به بخار مي شد، سپس موتور خاموش مي شد و زيردريايي به داخل آب شيرجه مي زد و تا وقتي که بخار داخل مخزن سرد نشده بود، زيردريايي مي توانست با موتور بخار در عمق دريا حرکت کند.

در سال ۱۸۶۰ زيردريايي ديگري طراحي شد که بطور کامل زير آب نمي رفت و از طريق لوله اي که به سطح آب راه داشت، اکسيژن را براي سوخت موتور به داخل زيردريايي مکش مي کرد.

- در سال ۱۹۰۴ اولين زيردريايي که با موتور ديزل- الکتريکي کار مي کرد، در فرانسه ساخته شد. موتورهاي ديزل در سطح آب، باطري هاي الکتريکي را شارژ مي کردند و سپس زيردريايي در آب فرو مي رفت در اين هنگام موتور ديزل خاموش مي شد و موتور الکتريکي بکمک باطري هاي شارژشده، زيردريايي را حرکت مي داد.

مشکل اين نوع زيردريايي در آنجا بود که اولاً باطري ها خيلي بزرگ و سنگين بودند و ثانياً پس از گذشت چندساعت زيردريايي مجبور بود به سطح آب بيايد تا موتور ديزل روشن شده و باطري ها را دوباره شارژ کند. اسيد داخل باطري ها هم در ترکيب با آب دريا، بخار خطرناک و کشنده اي توليد مي کردند.

- درسال ۱۹۵۴ اولين زيردريايي با سوخت هسته اي ساخته شد. از مزاياي اين زيردريايي ها، عدم نياز به هوا است. اين نوع زيردريايي ها مي توانند به مدت طولاني (حتي سالها)زير دريا بمانند و فقط درصورت نياز به سطح آب بيايند و نيز با سرعت بالاي ۵۰ کيلومتر در ساعت در زير و يا سطح دريا حرکت کنند. در اين موتورها، حرارت راکتور از طريق لوله هاي آب به توربين بخار مي رسد و آن را مي چرخاند. در نمونه زيردريايي شکل زير، دو مدار گردش آب طراحي شده است. در مدار اولي، آب در اثر حرارت زياد (عمل شکافت هسته اي) راکتور، به شدت داغ مي شود و با گردش آب در مدار اوليه محفظه تبديل هم داغ مي شود. سپس محفظه تبديل ، آب مدار ثانويه را تبديل به بخار مي کند و آن را سوي توربين بخار مي فرستد.

بخار آب ، توربين را مي چرخاند تا نيروي محرکه و برق زيردريايي تامين شود. سپس بخار آب در محفظه تراکم تبديل به آب مي شود و دوباره به محفظه تبديل بخار ارسال مي شود.

● اجزاء زيردريايي:

اجزاء بيروني زيردريايي شامل بدنه استوانه بيضي شکل با دوبال افقي در جلو و دوبال عمودي در عقب براي شيرجه رفتن به عمق و اوج گرفتن به سطح آب، يک سکان براي حرکت به چپ و راست ، يک پروانه در دم بدنه براي توليد نيروي محرکه زيردريايي و يک بادبان براي ورود و خروج خدمه به سطح آب است.

درضمن يک آنتن راديويي براي تماس با زيردريايي ها و کشتي هاي ديگر و يک پريسکوپ براي مشاهده سطح آب از زير دريا روي بادبان تعبيه شده است.

بدنه زيردريايي از دو پوسته (قشر) ساخته شده که مابين آنها خالي است. به اين فضاي خالي، مخزن بالاست (سنگيني) مي گويند. روي قشر بيروني و بالاي بدنه، دريچه اي براي خروج هوا (دريچه اصلي) و در پائين بدنه هم دريچه اي براي ورود و خروج آب به مخزن بالاست تعبيه شده است

داخل زيردريايي هم مخزن گاز فشرده با دو دريچه خروج هوا به مخزن بالاست روي قشر دروني تعبيه شده است. وزن زيردريايي با مخزن بالاست خالي، کمتر از نيروي شناوري آب درياست و بنابراين زيردريايي در اين حالت مانند کشتي روي سطح آب باقي خواهد ماند.

براي فرورفتن زيردريايي در آب، دريچه خروج هوا (دريچه اصلي) و دريچه ورود آب را باز مي کنند تا آب دريا وارد مخزن بالاست شود. به اين ترتيب وزن زيردريايي بيشتر از نيروي شناوري مي شود و زيردريايي در آب فرومي رود.

براي بالا آمدن زيردريايي دريچه اصلي را مي بندند و دريچه گاز فشرده شده را باز مي کنند تا هوا وارد مخزن بالاست شود. با ورود گاز به مخزن و خروج آب از دريچه هاي پائيني، وزنزيردريايي کم مي شود و نيروي شناوري آن را بطرف بالا مي برد.

پروانه نصب شده در انتهاي دم زيردريايي با چرخش خود، زيردريايي را به جلو و با چرخش برعکس به عقب! هدايت مي کند. براي شيرجه رفتن بطرف پائين (درهنگام حرکت به جلو) انتهاي بالهاي جلو بطرف بالا و انتهاي بالهاي عقب بطرف پائين کج مي شوند و براي اوج گرفتن نيز انتهاي بالهاي جلو بطرف پائين و انتهاي بالهاي عقب زيردريايي بطرف بالا کج مي شوند تا (مانند پرواز هواپيما در هوا ) مسير سيال عبوري (آب) از بالها براي حرکت به مسير دلخواه تغيير يابد و نيروي بالابر يا پائين بر توليد شود

براي حرکت به چپ و راست نيز از سکان عقب کمک گرفته مي شود. مثل حرکت کشتي و هواپيما (درهنگام حرکت به جلو ) با کج کردن سکان به چپ، زيردريايي به چپ و با کج کردن سکان به راست، زيردريايي بطرف راست خواهد چرخيد.

پريسکوپ داخل زيردريايي هم از ۲ آينه کج با زاويه ۰۴۵ درجه ساخته شده تا خدمه بتوانند با چرخاندن آن، کشتي هاي سطح آب را مشاهده کنند

از آنتن راديويي هم براي ارسال سيگنال به اطراف و برقراري ارتباط با ديگر زيردريايي ها و کشتي هاي ديگر و نيز از فرستنده ديگري ( رادار ) براي تشخيص موانع سرراه زيردريايي کمک مي گيرند.

یک بالون، گونه‌ای هواگرد است که به دلیل شناوری، در جو باقی می‌ماند. بالون با نیروی باد در آسمان به حرکت درمی‌آید. بالون با یک کشتی‌هوایی کههواگرد شناوری است که می‌تواند در هوا به گونه‌ای کنترل شده حرکت کند، متفاوت است. بیش‌از ۲۰۰ سال پیش، اولین انسان «ژان فرانسوا پیلاتر د روزیر» با بالون هوای گرمی که برادران مون‌گلفیه در فرانسه آن را طراحی کرده بودند، پرواز کرد. یک بالون با عرض ۱۶ متر می‌تواند سه نفر را در سبد خود جای دهد. بالون از محفظه، گردنه، مشعل گازی و سبد تشکیل شده است.

• در ۱۹۸۰ جولیان نات (انگلیسی) با رسیدن به ارتفاع ۱۶/۸ کیلومتر به رکورد ارتفاع دست یافت.
• رکورد پرواز بدون توقف با بالون متعلق به هلن دوریگنی و میشل آرنولد (فرانسه) است که در ۱۹۸۴ بیش ۴۰ ساعت بدون توقف پرواز کردند.
• ریچارد برانسون (انگلیسی) پرلیند ستراند (سوئدی) اولین پرواز از روی اقیانوس اطلس را در ۱۹۸۷ انجام دادند.

در ۱۷۸۳ برادران مون‌گلفیه اولین بالون هوای گرم را که قادر به حمل یک نفر بود را، ساختند. هوای گرم مورد نیاز به وسیلهٔ یک بخاری روی زمین گرم می‌شد. اولین نمونه‌ها اغلب برای مشاهدات نظامی استفاده می‌شد. در ۱۸۴۹، از بالون برای بمباران شهر ونیز در ایتالیا استفاده شد.

ژاک شارل و کمک‌خلبانش برادران رابرت اولین بالون پرشده از هیدروژن را در ۲۷ اوت ۱۷۸۳ به پرواز درآوردند. سپس او و همکارش تا ارتفاع حدود ۵۵۰ متر با بالون سرنشین‌دارشان بالا رفتند؛ که ابتکارشان در استفاده از هیدروژن برای بالا بردن، باعث شد که این نوع بالون به نام شارلیر نامیده شود. (همان‌طور که نام مون‌گلفیر برای بالون هوای گرم استفاده شد.

بالون از پارچه ضد آب ساخته می‌شود. پس‌از پُر شدن، ممکن است به اندازه یک خانه بشود. برای نگهداری بالون، آن را در محفظهٔ کوچکی تا می‌کنند به‌طوری‌که در صندوق عقب اتومبیل جا بگیرد. صفحه‌ای در بالن وجود دارد که با تسمه به آن متصل شده است. پس از فرود بالون آن را کنار می‌زنند تا هوای گرم به سرعت خارج شود. یک سبد با سیم یا طناب از پایین بالون آویزان است. این سبد زیاد بزرگ نیست و در طی یک پرواز طولانی ممکن است بسیار سرد و ناراحت‌کننده باشد، اما هیجان و دیدن مناظر این مشکل را جبران می‌کند. در این سبد کپسول‌های گاز و وسایلی حمل می‌شود که خدمه برای محاسبه ارتفاع، جهت و مقدار باقی مانده سوخت از آنها استفاده می‌کنند. مشعل گازی در قاب سبد محکم شده است. این مشعل گازی یک اجاق گاز پیک نیکی بزرگ است و در فواصل کوتاه روشن می‌شود تا بالون را در ارتفاع دلخواه نگه دارد. بالون به جهتی می‌رود که بادآن را می‌برد و خلبان با تجربه ارتفاع را تغییر می‌دهد تا از باد بیشترین استفاده را ببرد.

هوای گرم از هوای سرد سبک‌تر است بنابراین بالا می‌رود که به این عمل همرفت می‌گویند. برای این که بالون به پرواز درآید، باید هوای داخل ان گرم شود. در بالن‌های پیشرفته برای این کار از مشعل‌های گازی استفاده می‌کنند. اگر مشعل روشن شود، بالون بالا می‌رود. وقتی داخل بالن سرد شود ارتفاع کم می‌شود. بالن‌های اسباب بازی در نمایشگاه با هوای گرم پر نمی‌شوند، اما باز هم بالا می‌روند. ان‌ها را پر از گاز هلیوم می‌کنند که سبک‌تر از هواست. هیدروژن سبک‌ترین گاز است و تا دهه ۱۹۳۰ در کشتی‌های هوایی و بالون‌های حمل مسافر به کار می‌رفت. متأسفانه هیدروژن زود مشتعل می‌شود و پس از یک رشته حوادث ناگوار، استفاده از ان ممنوع شد. در سال‌های اخیر، بار دیگر ان‌ها را با هلیوم پر می‌کنند که آتش نمی‌گیرند و نسبت به دهه ۱۹۳۰ آسان تر بدست می آید. شکل آیرودینامیکی بالن و جنس آن که معمولاً از لاستیک‌های مقاوم در مقابل نفوذ گازها است همه از مسایل بسیار مهم و حساس در ساخت و طراحی آن بشمار می‌آیند.

امروزه از بالون‌ها بیشتر برای تفریح و ورزش استفاده می‌کنند. جشنواره‌های بالون در بسیاری از کشورها برگزار می‌شود و بالون سواران برای رقابت جمع می‌شوند. در این مسابقات تعقیب و گریز هم انجام می‌شوند. یکی از بالون‌ها پرواز می‌کند و بقیه نیز باید تا حد ممکن نزدیک به او پرواز کنند و نزدیک او به زمین فرودآیند. امروزه اهمیت استفاده از بالن در بعضی موارد از جمله هواشناسی انکارناپذیر است.^[۲] در گذشته نیز از بالون برای مشاهده نظامی وهمچنین بمب باران استفاده می‌شد.

پیشینه ی ایران:

در وقایع الاتفاقیه دربارهٔ ساخت بالن در دارالفنون چنین آمده‌است:

در دارالفنون آزمایشگاه‌های فیزیک، شیمی داروسازی دائماً در کار و فعال بودند و ترکیباتی از نوع «سولفات دوزنگ، سولفات دوفر، اسید دوپتاس، تترا دار جان و کربنات دوپاس می‌ساختند». در کلاس هم نقشه می‌کشیدند و علم و عمل را با هم می‌آموختند. یکی از کارها تهیه گاز هیدروژن و فرستادن بالن به هوا بود.

ناصرالدین شاه در خاطرات خود می‌نویسد:روز شنبه (۸ ربیع‌الاول ۱۲۹۴ / ۱۸۷۷م) پنج ساعت به غروب مانده دو بالن از جلوخان مدرسه معلم خانه آسمان رفت، ما بعد از صحبت با وزراء در باغ رفتیم بالای شمس‌العماره، حرم هم پشت بام اندرون‌ها بودند. کل تهران هم از زن و مرد روی بام‌ها و کوچه‌ها و غیره بودند. بالن اولی قرمز رنگ بود، هوا رفت، اما کم وافتاد در باغ سپهسالار مرحوم، مردم هم رفتند، ما بودیم در بالای شمس‌العماره، سیاچی، امین السلطنه، عضد الملک، ادیب الملک، فرخ خان، باشی، وجیه و غیره بودند. بعد بالن سفید بزرگ برش فرنگی باد شد، باز همه مردم دوباره جمع شدند در بام‌ها و غیره، این دفعه بالن بسیار خوب هوا رفت، نیم ساعت درست روی آسمان شهر ایستاده بود، دو هزار ذرع هم بلکه بیشتر هوا رفت. خیلی خیلی تماشا داد دو نفر با هم با این بالن بالا رفتند، بالاخره در باغ نظامیه یا باغ سپهسالار حالیه افتاد، بالن هم پاره شد. خلاصه خیلی خیلی تماشا داد. هیچ وقت همچه تماشا مردم نکرده بودند.

پرواز بالن‌ها در سال‌های اخیر:

پس از انقلاب اسلامی در ایران، پرواز بالن‌ها به دلیل مسائل امنیتی ممنوع شد. اما در ۱۵ اردیبهشت ۱۳۸۹ به مناسبت روز شیراز، برای اولین بار ۱۲ بالن هوای داغ به طور هم‌زمان بر فراز آسمان شیرازبه پرواز درآمدند. بالن‌ها از ۲ منطقه استادیوم ورزشی حافظیه و دانشگاه علوم پزشکی برخاسته و پس از پروازی تقریباً ۲ ساعته بر فراز شهر شیراز، در نقاط مختلف فرود آمدند.