sciencetalk

Heb de laatste tijd zitten piekeren over onderzeeers, met name de theorie achter het duiken/opstijgen.
 
Basisprincipe is een verandering van dichtheid van de onderzeeer.
het is me duidelkijk dat als je een onderzeeer weegt voor en nadat deze duikt naar kruishoogte onder water (als de dichtheid ongeveer gelijk is aan die van het omringende water) dat deze zwaarder is geworden. Het is dan ook eenvoudig om te zegen dat het een verandering van massa (in de balasttanks) is die verantwoordelijk is voor de veranderende dichtheid.
 
Maar, er is altijd een maar natuurlijk.
Als je uitgaat van een vereenvoudigde onderzeeer dan is het volgens mij een verandering van volume die de hoofdrol speelt in de verandering van dichtheid.
Je kan wel een 'funktionele' onderzeeer bouwen die gebaseerd is op een variabel volume; je kan hem bijvoorbeeld bouwen met flexibele wanden of met een telescopische romp. Door een verandering van volume ten opzichte van de vaste massa van de onderzeeer kan de dichtheid aangepast worden aan de eisen voor het duiken, opsteigen of op kruishoogte zweven.
Je kan ook een onderzeeer bouwen met een vast volume en variabele balasttanks die meer of minder water kunnen bevatten. Die kan je natuurlijk makkelijk loodzwaar maken (toename van massa). Maar je moet nagenoeg oneindig veel water in je balasttanks hebben om de onderzeer de dichtheid van water te laten benaderen, laat staan om een paniekduik door te voeren. De toegenomen massa van het water wordt namelijk gecompenseerd door een lineaire toename van het volume van de belasttanks.
 
Het gaat me een eerste plaats om de basis, ik snap dat om reden van praktisch nut (o.a. diep kunnen duiken) een onderzeeer ingewikkelder is. Maar zie ik iets over het hoofd of kan je met dit uitgangspunt stellen dat een veranderend volume aan de basis staat van de werking van een onderzeeer
 
 
 
En nog een klein disclaimertje. Ik woon al jaren in het buitenland en moet spitten een middelbareschoolkennis van enige decennia geleden dus als ik wat verkeerde thermen gebruik, corrigeer die graag.

Maatchen schreef: . Maar zie ik iets over het hoofd of kan je met dit uitgangspunt stellen dat een veranderend volume aan de basis staat van de werking van een onderzeeer

wat je over het hoofd ziet is dat veel onderdelen van die onderzeeër (de romp, de motoren, de accu's) een dichtheid hebben die de dichtheid van water verre overtreft. Maak een gewogen gemiddelde van al die volumes en massa's (vergeet daarbij niet de "luchtbel" waarin de bemanning leeft en die in de ballasttanks) en de gewogen gemiddelde dichtheid van de onderzeeër als geheel zit in de buurt van die van water.
Vervang minder of meer lucht in de ballasttanks door meer of minder water en je varieert daarmee de gewogen gemiddelde dichtheid, zodat je naar wens de onderzeeër kunt laten zinken, zweven of drijven. 

Nee, dat heb ik niet over het hoofd gezien. Dat leg ik ook al uit in mijn eerste alinea. Ik 'negeer' dit slechts om bij de basis uit te komen.
 
Maar om het ingewikkelder te maken dan nodig kan ik het wel preciseren met wat cijfers.
 
Ga weer uit van model één met variabel volume.
 
De onderzeeer weegt met machinerie en bemanning 800 kilo, het totale volume van wat jij de 'luchtbel' noemt is 1000 liter (zo rond de 20% steekt boven water). De romp is telescopisch, deze kan korter of langer worden. Door de romp te verkorten wordt het volume van de luchtbel verkleint tot 800 liter om op zweefhoogte te komen, in geval van een paniekduik kan de romp verkort worden tot de luchtbel slechts een volume heeft van 600 liter. (ik weet dat men bij een echte onderzeeer de balasttanks vooraan wat eerder vulde dan de achterste zodat deze een duik schuin naar beneden maakt). Net als bij een echte onderzeeer heeft dit concept een tank met druklucht plus pomp om de luchtdruk voor de bemanning enigzins gelijk te houden.
 
Hoewel je met dit concept in ieder geval vast wel een model kan maken dat wat dieper dan tien meter kan duiken weet ik dat je natuurlijk voor echte diepe duiken wat anders moet verzinnen. Dat is dus mijn punt niet.
Mijn punt is of dit concept in theorie een werkend model kan op leveren.
En of je een soort gelijk, werkend model, kan maken dat een gefixeerd volume van de luchtbel heeft maar variabele balasttanks waar je slechts water in of uit kan pompen (het is belangrijk om te begrijpen dat deze balasttanks dus nooit lucht kunnen bevatten en daardoor het volume van de luchtbel kunnen veranderen). Wederom een onderzeeer die 800 kilo weegt en een, nu, vast volume van 1000 liter. Het ding moet natuurlijk wel enigzins kunnen drijven om goederen en manschappen in en uit te kunnen laden. De balasttanks zijn variabel van 0 tot zeg 10.000 liter zodat we de massa van de onderzeeer flink kunnen beinvloeden.
 
Om uiteindelijk bij de vraag uit te komen wat het meest essentieel is om de dichtheid van een onderzeeer te veranderen, verandering in volume of verandering van massa.

Maatchen schreef: Om uiteindelijk bij de vraag uit te komen wat het meest essentieel is om de dichtheid van een onderzeeer te veranderen, verandering in volume of verandering van massa.

 
Dichtheid=massa/volume.
 
Massa en volume wegen allebei dus evenveel door. Verdubbel het volume en de dichtheid neemt af met factor 2. Verdubbel de massa en de dichtheid neemt toe met factor 2.
 
Ik zie het nut niet in van een onderzeeër met variabel volume. Zoiets zit mechanisch veel ingewikkelder in elkaar dan één met statische ballasttanks. Het spreekt voor zich dat iets wat mechanisch moeilijker in elkaar zit, meer problemen met zich meedraagt... 

Om uiteindelijk bij de vraag uit te komen wat het meest essentieel is om de dichtheid van een onderzeeer te veranderen, verandering in volume of verandering van massa.

die ballasttanks bevinden zich feitelijk niet IN de onderzeeër maar AAN de onderzeeër, want ze zitten buiten de "pressure hull", oftewel buiten dát deel van de romp dat bemanning en andere gevoelige zaken op atmosferische druk houdt.
In die zin is de vraag "verandering van massa of verandering van volume" feitelijk dezelfde. Of je meer water toelaat in een overigens luchtgevulde buitenromp, of je verkort die luchtgevulde buitenromp, effect is hetzelfde.

De onderzeeer weegt met machinerie en bemanning 800 kilo, het totale volume van wat jij de 'luchtbel' noemt is 1000 liter (zo rond de 20% steekt boven water). De romp is telescopisch, deze kan korter of langer worden. Door de romp te verkorten wordt het volume van de luchtbel verkleint tot 800 liter om op zweefhoogte te komen, in geval van een paniekduik kan de romp verkort worden tot de luchtbel slechts een volume heeft van 600 liter.

Mijn punt is of dit concept in theorie een werkend model kan op leveren.

Dit zou een werkend model opleveren, in ieder geval een schip dat zijn dichtheid kan varieren om te drijven of om te zinken. Praktisch pijnpuntje is er wellicht wel voor de bemanning van een dergelijk schip: Als je het volume verlaagt van 1000 naar 600 m3 loopt de druk daarbij acuut op tot bijna 2 bar. Als je dat snel doet is het verre van comfortabel, maar als je het andersom doet om weer boven te komen kan het gevaarlijk zijn (caisson ziekte).

Het voordeel van ballast tanks buiten de ruimte waarin de bemanning leeft is dat je binnen een constante druk van 1 atm kunt handhaven, maar toch de dichtheid van het gehele schip kunt varieren.