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潜水艇的奥秘
来源:中学生百科书库 类别: ( 字号:   )

很久以前,人们就设想在茫茫大海中,从水下隐蔽地袭击敌方的舰艇. 18 世纪30年代,世界上制成了第一艘潜水艇,由于性能差,没能用于海战.到20 世纪初,才出现了设备比较完善的潜水艇.第二次世界大战中,潜水艇发挥了巨大的作用,各国仅被它击沉的舰船就达到了4210 艘! 潜水艇能够象鱼一样,可在水面上航行,也可以沉到海洋深处潜伏前进.而普通的船,只能在水面上航行。

这是为什么呢? 原来潜水艇上有一些被称为"水舱"的舱体.当潜水艇需要下沉时,就打开阀门,让海水注入水舱,使潜艇重量逐渐增加而渐渐下沉.当需要让潜水艇处于水中某一深度行进时,只需让水舱注入适当量的海水就行了.如果需要潜水艇上浮,就用机器把大量压缩空气注入水舱,排出舱中海水,减轻艇的重量,潜水艇就会迅速浮出水面。

这实际上是阿基米德原理的应用.原理告诉我们: 浸在液体中的物体受到一个向上的浮力,它的大小等于物体所排开的液体受到的重力.所以,水舱储藏水量的多少是潜水艇上浮、下沉、保持深度的一个重要因素。

潜水艇不是一般的舰艇,主要是在水下进行战斗活动,靠水下隐蔽来发挥它的攻击威力.它除了能在一定深度的水中航行外,还应该能够潜伏在水下一定深度不动,给敌人以出奇不意的攻击.但是当潜艇所处深度的水的密度发生变化时,它就不能保持稳定.虽然潜艇可以通过做一些小的调整来对付这一变化,但是这种调整是不现实的,因为潜水艇的一些细微动作,都可能被敌方侦察到,所以有了一个问题: 应该如何使潜水艇保持其稳定状态呢? 要使潜水艇在水中能维持稳定,海水密度应随深度的增加而增加.这时若潜水艇稍微上移,有一向下的合力,使它又回到原来的深度;若潜水艇稍微下移,有一向上的合力,也要使它回到原处.海水密度与水温成反比,与含盐量成正比,而后二者都随水深的增加而下降.故在25~200 米水深处,潜水艇能找到一些区域(称为温跃区),其水温会随着水的深度的增加而急速下降,从而抵消含盐量的下降,从而提供了保持稳定性的条件,使潜水艇能够在这些区域潜伏不动。

阿基米德原理在航海、航空及其生产建设与日常生活中,都有着广泛的应用.人类很早就能利用浮力了,最初只是无意识地应用它,后来人们有意识地分析、研究自然界中的现象,得出各种理论,反过来又能指导生产出各种产品,服务于人类.比如,从井中打一桶水.当桶还在水中时,好像向上提并不费力,但桶露出水面后,就感到很重.这就是因为浮力作怪.桶在水中除受到向上的拉力和向下的重力作用外,还受到向上的浮力作用,所以人感到一桶水很"轻";而桶露出水面后,浮力就开始减小,直到最后完全消失。

破冰船正是以类似的方式工作的.当在极地区域航行时,往往会遇到巨大冰块阻止船前进.这时就需有像破冰船一类构造的船才能继续前进.另外,当严冬降临时,北方的港口和海面常常发生冰封,阻塞航道.为了便于船舶出入港口,常需破冰船进行破冰.破冰船凭借着强大的发动机,可使其向上倾斜的船头爬上冰面.船首露出冰面后,把它的整个重量全压在冰上,这样就能毫不费劲地把冰压碎.为了增加船头的重量,在船头还装上专门的水舱,必要时注满水.如果冰层较厚,破冰船往往要后退一段距离,然后再向前猛冲.一次不行,就反复冲,直到把冰层冲破.破冰船就是这样不断前进,在冰上开出一条通道来的。

在波涛汹涌的大海上,每年总会沉没大大小小的船只,它们堵塞航道,对船舶航行造成极大的威胁.另外在一些极有价值的古代沉船上,宝藏极为丰富.因此,打捞沉船成为必要.沉船的打捞方法多种多样,但原理几乎都是利用浮力.象广泛使用的浮筒打捞法,就是把一些浮筒注满水后沉放排列在沉船的两舷,然后将钢绳套在浮筒的桩头上,开动机器,向浮筒中充压缩空气,使浮筒内的水排出,浮筒受到的浮力就可将沉船抬出水面。

同液体有浮力一样,空气也有浮力.气球和飞艇就是利用空气的浮力升入空中的.不过航空上把这种浮力称为升力。

中国很久以前就发明了一种松脂灯,用竹篾和纸糊成灯笼,灯下部放一块燃烧着的松脂.当灯笼内空气被加热后,体积膨胀,跑掉一部分热空气,使灯外的空气对它产生了升力,这样灯笼就可飞上高空,用作军事信号.这也是最原始的热气球。

气球和飞艇的主要组成部分是气囊.气囊内充有密度比空气小的气体,如热气、氢气或氦气.如果气球或飞艇自重加上所载物体的重量小于气囊排开的空气重量,即小于受到的升力,气球或飞艇就会升入空中.由于高空中空气越来越稀薄,密度在减小,所以气球或飞艇所受的升力等于它受到的重力,就不再上升而停在某一高度漂浮.当需要降落时,只需放出气囊中的部分气体就行。

气球和飞艇有着多种用途.气球用于气象和天文观测,进行各种科学试验、转播电视节目和进行通讯等.气球只能随风漂游,不能按照预定的航线飞行,而飞艇上装有发动机,可以控制飞艇的飞行方向和速度,所以它可用来进行空中运输、地质考察和治安防卫等。

在医学上,浮力还有一个特殊的用途——水疗法.如果病人的四肢肌肉或关节有病、受伤,医生可以让他浸在水中,利用身体受到的浮力作用,使病人只要用很小的力,就能使四肢活动,进行治疗。

浮力还有许多用途,如农业生产上用盐水选种及港口气体防浪堤的建造等等。

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