Os submarinos são uma incrível amostra de tecnologia. Até pouco tempo, a força naval operava somente sobre a superfície das águas, mas com o advento do submarino, o fundo do mar também se tornou um campo de batalha. Essa invenção que permite não só lutar em uma batalha, mas também viver durante meses, ou até mesmo anos, abaixo da superfície é considerada um dos maiores progressos da história militar.
Neste artigo, você vai saber como os submarinos mergulham e emergem e como são mantidas as condições de vida em seu interior. Também vai aprender como eles obtêm sua energia, como encontram sua rota no oceano e como podem ser resgatados
Mergulhando e emergindo
Um submarino ou qualquer tipo de embarcação pode flutuar porque o peso da água deslocada é igual ao peso da embarcação. Esse deslocamento de água cria uma força que puxa para cima, chamada força de flutuação, e age em oposição à gravidade que puxa a embarcação para baixo. Ao contrário do navio, o submarino pode controlar a sua flutuação, podendo assim afundar e emergir conforme necessário.
Para controlar a flutuação, o submarino possui tanques de lastro e auxiliares, ou tanques de balanceamento, que podem, alternadamente, serem enchidos com água ou ar (veja animação abaixo). Quando o submarino está na superfície, os tanques de lastro estão cheios de ar e a densidade total do submarino é menor que a da água circundante. Quando o submarino mergulha, os tanques de lastro são preenchidos com água e o ar nestes tanques escapa até que a densidade total seja maior do que a da água. Assim, o submarino começa a afundar (flutuação negativa). Um suprimento de ar comprimido é mantido em tanques a bordo do submarino, para prover as condições de vida e para a utilização nos tanques de lastro. Adicionalmente, o submarino possui um conjunto móvel de curtas "asas" chamadas hidroplanos na popa (parte de trás), que ajudam a controlar o ângulo de mergulho. Os hidroplanos são posicionados de forma a permitir que a água se mova sob a popa, fazendo-a mover-se para cima. Dessa maneira, o submarino desloca-se para baixo.
Para nivelar-se a uma certa profundidade, o submarino mantém o equilíbrio entre água e ar nos tanques, para que a densidade total seja igual à da água circundante (flutuação neutra). Quando o submarino atinge sua profundidade de navegação, os hidroplanos são regulados de maneira que o submarino viaje num nível através da água. A água também é forçada entre os tanques de balanceamento da proa e da popa para manter o sub-nível. O submarino pode se mover na água usando o leme da cauda para virar a estibordo (direita) ou a bombordo (esquerda); e os hidroplanos para controlar o ângulo de proa à popa. Alguns submarinos são equipados com um motor de propulsão secundário retrátil, que pode girar sobre um eixo de 360 graus.
Quando o submarino vem à superfície, o ar comprimido flui dos tanques de ar para os tanques de lastro e a água é forçada a sair, até que sua densidade total seja menor que a da água a sua volta (flutuação positiva). Isso faz o submarino emergir. Os hidroplanos são posicionados de forma que a água se mova sobre a popa, forçando-a para baixo; assim o submarino é angulado para cima. Numa emergência, os tanques de lastro podem ser enchidos rapidamente com ar de alta pressão para fazer com que o submarino vá rapidamente para a superfície
Suporte à vida no interior do submarino
Há três problemas principais quanto às condições de vida no ambiente fechado de um submarino:
· manter a qualidade do ar
· manter o fornecimento de água potável
· manter a temperatura
Mantendo a qualidade do arO ar que respiramos é composto de quantidades significativas de quatro gases:
· nitrogênio (78%)
· oxigênio (21%)
· argônio (0,94%)
· dióxido de carbono (0,04%)
Quando respiramos, nossos corpos consomem o seu oxigênio e o convertem em dióxido de carbono. O ar exalado contém cerca de 4,5% de dióxido de carbono. Os nossos corpos não fazem nada com o nitrogênio ou argônio. Um submarino é um container lacrado, que contém pessoas e um fornecimento de ar limitado. Há três coisas que devem ocorrer para que o ar do submarino seja respirável:
· O oxigênio deve ser completado à medida que for sendo consumido. Se a percentagem do oxigênio ficar muito baixa, as pessoas começam a sufocar.
· O dióxido de carbono deve ser removido do ar. À medida que a sua concentração aumenta, ele se torna tóxico.
· A umidade que exalamos através da respiração deve ser removida.
O oxigênio é fornecido pelos tanques pressurizados, por um gerador de oxigênio (que pode formar oxigênio a partir da eletrólise da água) ou por algum tipo de "reservatório de oxigênio" que o libera através de uma reação química muito quente (você deve se lembrar desses "reservatórios" pelos problemas ocorridos na estação espacial MIR1). O oxigênio é liberado continuamente através de um sistema computadorizado, que percebe a sua porcentagem no ar ou libera o oxigênio em lotes periódicos durante o dia.
O dióxido de carbono pode ser removido do ar quimicamente, usando-se uma mistura de hidróxido de sódio e hidróxido de cálcio em dispositivos chamados depuradores de gás. O dióxido de carbono fica preso nessa mistura através de uma reação química e é removido do ar. Outras reações similares podem atingir o mesmo objetivo.
A umidade pode ser removida através de um desumidificador ou através de produtos químicos. Isso evita a condensação nas paredes e nos equipamentos dentro da embarcação.
Além disso, outros gases, tais como o monóxido de carbono ou o hidrogênio, que são gerados por equipamentos e pela fumaça de cigarros, podem ser removidos usando-se um queimador de gás. Finalmente, os filtros são usados para remover partículas, sujeira e poeira do ar.
Mantendo o fornecimento de água potávelMuitos submarinos possuem uma aparelhagem para destilar a água retirada do mar e torná-la potável. A unidade destiladora aquece a água do mar até esta chegar ao ponto de vapor, o que remove os sais, e, em seguida, resfria o vapor de água em um tanque coletor de água potável. A unidade destiladora, em alguns submarinos, pode produzir de 38 a 150 mil litros de água potável por dia. Essa água é usada, principalmente, para o resfriamento de equipamentos eletrônicos (tais como computadores e equipamentos de navegação) e para o uso da tripulação (para beber, cozinhar e para a higiene pessoal).
Mantendo a temperaturaA temperatura do oceano em volta do submarino é de 4 ºC. O metal da embarcação conduz o calor interno para a água circundante. Desta forma, os submarinos devem ser aquecidos eletricamente para manter uma temperatura confortável para a tripulação. A energia elétrica para os aquecedores vem do reator nuclear, de um motor a diesel ou de baterias (emergência).
Fornecimento de energia
Os submarinos nucleares usam reatores nucleares, turbinas a vapor e engrenagens de redução para acionar o eixo propulsor principal, que fornece o impulso para a movimentação na água (um motor elétrico aciona o mesmo eixo quando ancorando no cais ou em uma emergência).
Os submarinos também precisam de energia elétrica para poder utilizar os equipamentos a bordo. Para fornecer essa energia, eles são equipados com motores a diesel, que queimam combustível e/ou reatores nucleares, que usam fissão nuclear. Os submarinos também possuem baterias. Os equipamentos elétricos normalmente são ligados às baterias que, por sua vez, obtêm sua energia do motor a diesel ou do reator nuclear. Em casos de emergência, as baterias podem ser a única fonte de energia para o funcionamentos da embarcação.
Um submarino a diesel é um bom exemplo de um veículo híbrido. Muitos submarinos a diesel usam esse combustível em dois ou mais motores. Eles podem acionar propulsores ou geradores que recarregam um grande banco de baterias. Podem ainda trabalhar em conjunto, um motor acionando um propulsor e o outro acionando um gerador. O submarino deve estar na superfície (ou um pouco abaixo da superfície usando um snorkel) para fazer com que os motores a diesel funcionem. Uma vez que as baterias estejam completamente carregadas, o submarino pode ir para o fundo. As baterias fornecem energia aos motores elétricos que acionam os propulsores. O submarino a diesel só pode submergir usando baterias. Os limites da tecnologia das baterias limita drasticamente o espaço de tempo em que um submarino a diesel pode permanecer debaixo d'água.
Essas limitações das baterias levaram ao crescimento das pesquisas sobre a utilização da energia nuclear nos submarinos. Os geradores nucleares não necessitam de oxigênio, permitindo que um submarino, usando essa energia, possa permanecer durante semanas debaixo d'água. Como o combustível nuclear também dura muito mais do que o diesel (sua energia pode durar anos), um submarino nuclear não precisa ir até a superfície para reabastecimento, o que significa que pode permanecer no mar por muito mais tempo.
Os submarinos nucleares e porta-aviões são equipados com reatores nucleares quase idênticos aos reatores usados nas usinas comerciais. O reator produz calor para gerar vapor que compele a turbina. Esta, por sua vez, aciona diretamente os propulsores e os geradores elétricos. As duas maiores diferenças entre reatores comerciais e reatores em embarcações nucleares são:
· O reator em uma embarcação nuclear é menor.
· Como esse reator é menor, o combustível utilizado precisa ser altamente enriquecido para gerar uma grande quantidade de energia
Navegação
Como a luz não penetra no fundo do oceano, os submarinos navegam virtualmente cegos. No entanto, essas embarcações são equipadas com cartas náuticas e sofisticados equipamentos de navegação. Quando estão na superfície, os submarinos utilizam um sistema de posicionamento global (GPS) que determina precisamente sua latitude e longitude, mas, uma vez submersos, precisam empregar sistemas de orientação inerciais, (elétricos, mecânicos), que orientam a rota a partir de um ponto fixo inicial usando giroscópios. Os sistemas de orientação inercial são precisos para 150 horas de operação e devem ser realinhados com os outros sistemas de navegação dependentes da superfície (GPS, rádio, radar e satélite). Com esses sistemas a bordo, um submarino pode ser conduzido com precisão de cem pés ao longo de seu curso planejado.
Para localizar um alvo, um submarino usa um SONAR (sound navigation and ranging) ativo e passivo. O sonar ativo emite pulsos de ondas sonoras que viajam através da água, refletem no alvo e retornam para a embarcação. Sabendo qual é a velocidade do som na água e o tempo necessário para a onda sonora viajar até o alvo e voltar, os computadores podem rapidamente calcular a distância entre o submarino e o alvo. As baleias, os golfinhos e os morcegos usam a mesma técnica para localizar a presa (ecolocação). O sonar passivo consiste em ouvir os sons gerados pelo alvo. O sonar também pode ser usado para realinhar os sistemas de navegação inercial ao identificar as características conhecidas do fundo do oceano.
Neste artigo, você vai saber como os submarinos mergulham e emergem e como são mantidas as condições de vida em seu interior. Também vai aprender como eles obtêm sua energia, como encontram sua rota no oceano e como podem ser resgatados
Mergulhando e emergindo
Um submarino ou qualquer tipo de embarcação pode flutuar porque o peso da água deslocada é igual ao peso da embarcação. Esse deslocamento de água cria uma força que puxa para cima, chamada força de flutuação, e age em oposição à gravidade que puxa a embarcação para baixo. Ao contrário do navio, o submarino pode controlar a sua flutuação, podendo assim afundar e emergir conforme necessário.
Para controlar a flutuação, o submarino possui tanques de lastro e auxiliares, ou tanques de balanceamento, que podem, alternadamente, serem enchidos com água ou ar (veja animação abaixo). Quando o submarino está na superfície, os tanques de lastro estão cheios de ar e a densidade total do submarino é menor que a da água circundante. Quando o submarino mergulha, os tanques de lastro são preenchidos com água e o ar nestes tanques escapa até que a densidade total seja maior do que a da água. Assim, o submarino começa a afundar (flutuação negativa). Um suprimento de ar comprimido é mantido em tanques a bordo do submarino, para prover as condições de vida e para a utilização nos tanques de lastro. Adicionalmente, o submarino possui um conjunto móvel de curtas "asas" chamadas hidroplanos na popa (parte de trás), que ajudam a controlar o ângulo de mergulho. Os hidroplanos são posicionados de forma a permitir que a água se mova sob a popa, fazendo-a mover-se para cima. Dessa maneira, o submarino desloca-se para baixo.
Para nivelar-se a uma certa profundidade, o submarino mantém o equilíbrio entre água e ar nos tanques, para que a densidade total seja igual à da água circundante (flutuação neutra). Quando o submarino atinge sua profundidade de navegação, os hidroplanos são regulados de maneira que o submarino viaje num nível através da água. A água também é forçada entre os tanques de balanceamento da proa e da popa para manter o sub-nível. O submarino pode se mover na água usando o leme da cauda para virar a estibordo (direita) ou a bombordo (esquerda); e os hidroplanos para controlar o ângulo de proa à popa. Alguns submarinos são equipados com um motor de propulsão secundário retrátil, que pode girar sobre um eixo de 360 graus.
Quando o submarino vem à superfície, o ar comprimido flui dos tanques de ar para os tanques de lastro e a água é forçada a sair, até que sua densidade total seja menor que a da água a sua volta (flutuação positiva). Isso faz o submarino emergir. Os hidroplanos são posicionados de forma que a água se mova sobre a popa, forçando-a para baixo; assim o submarino é angulado para cima. Numa emergência, os tanques de lastro podem ser enchidos rapidamente com ar de alta pressão para fazer com que o submarino vá rapidamente para a superfície
Suporte à vida no interior do submarino
Há três problemas principais quanto às condições de vida no ambiente fechado de um submarino:
· manter a qualidade do ar
· manter o fornecimento de água potável
· manter a temperatura
Mantendo a qualidade do arO ar que respiramos é composto de quantidades significativas de quatro gases:
· nitrogênio (78%)
· oxigênio (21%)
· argônio (0,94%)
· dióxido de carbono (0,04%)
Quando respiramos, nossos corpos consomem o seu oxigênio e o convertem em dióxido de carbono. O ar exalado contém cerca de 4,5% de dióxido de carbono. Os nossos corpos não fazem nada com o nitrogênio ou argônio. Um submarino é um container lacrado, que contém pessoas e um fornecimento de ar limitado. Há três coisas que devem ocorrer para que o ar do submarino seja respirável:
· O oxigênio deve ser completado à medida que for sendo consumido. Se a percentagem do oxigênio ficar muito baixa, as pessoas começam a sufocar.
· O dióxido de carbono deve ser removido do ar. À medida que a sua concentração aumenta, ele se torna tóxico.
· A umidade que exalamos através da respiração deve ser removida.
O oxigênio é fornecido pelos tanques pressurizados, por um gerador de oxigênio (que pode formar oxigênio a partir da eletrólise da água) ou por algum tipo de "reservatório de oxigênio" que o libera através de uma reação química muito quente (você deve se lembrar desses "reservatórios" pelos problemas ocorridos na estação espacial MIR1). O oxigênio é liberado continuamente através de um sistema computadorizado, que percebe a sua porcentagem no ar ou libera o oxigênio em lotes periódicos durante o dia.
O dióxido de carbono pode ser removido do ar quimicamente, usando-se uma mistura de hidróxido de sódio e hidróxido de cálcio em dispositivos chamados depuradores de gás. O dióxido de carbono fica preso nessa mistura através de uma reação química e é removido do ar. Outras reações similares podem atingir o mesmo objetivo.
A umidade pode ser removida através de um desumidificador ou através de produtos químicos. Isso evita a condensação nas paredes e nos equipamentos dentro da embarcação.
Além disso, outros gases, tais como o monóxido de carbono ou o hidrogênio, que são gerados por equipamentos e pela fumaça de cigarros, podem ser removidos usando-se um queimador de gás. Finalmente, os filtros são usados para remover partículas, sujeira e poeira do ar.
Mantendo o fornecimento de água potávelMuitos submarinos possuem uma aparelhagem para destilar a água retirada do mar e torná-la potável. A unidade destiladora aquece a água do mar até esta chegar ao ponto de vapor, o que remove os sais, e, em seguida, resfria o vapor de água em um tanque coletor de água potável. A unidade destiladora, em alguns submarinos, pode produzir de 38 a 150 mil litros de água potável por dia. Essa água é usada, principalmente, para o resfriamento de equipamentos eletrônicos (tais como computadores e equipamentos de navegação) e para o uso da tripulação (para beber, cozinhar e para a higiene pessoal).
Mantendo a temperaturaA temperatura do oceano em volta do submarino é de 4 ºC. O metal da embarcação conduz o calor interno para a água circundante. Desta forma, os submarinos devem ser aquecidos eletricamente para manter uma temperatura confortável para a tripulação. A energia elétrica para os aquecedores vem do reator nuclear, de um motor a diesel ou de baterias (emergência).
Fornecimento de energia
Os submarinos nucleares usam reatores nucleares, turbinas a vapor e engrenagens de redução para acionar o eixo propulsor principal, que fornece o impulso para a movimentação na água (um motor elétrico aciona o mesmo eixo quando ancorando no cais ou em uma emergência).
Os submarinos também precisam de energia elétrica para poder utilizar os equipamentos a bordo. Para fornecer essa energia, eles são equipados com motores a diesel, que queimam combustível e/ou reatores nucleares, que usam fissão nuclear. Os submarinos também possuem baterias. Os equipamentos elétricos normalmente são ligados às baterias que, por sua vez, obtêm sua energia do motor a diesel ou do reator nuclear. Em casos de emergência, as baterias podem ser a única fonte de energia para o funcionamentos da embarcação.
Um submarino a diesel é um bom exemplo de um veículo híbrido. Muitos submarinos a diesel usam esse combustível em dois ou mais motores. Eles podem acionar propulsores ou geradores que recarregam um grande banco de baterias. Podem ainda trabalhar em conjunto, um motor acionando um propulsor e o outro acionando um gerador. O submarino deve estar na superfície (ou um pouco abaixo da superfície usando um snorkel) para fazer com que os motores a diesel funcionem. Uma vez que as baterias estejam completamente carregadas, o submarino pode ir para o fundo. As baterias fornecem energia aos motores elétricos que acionam os propulsores. O submarino a diesel só pode submergir usando baterias. Os limites da tecnologia das baterias limita drasticamente o espaço de tempo em que um submarino a diesel pode permanecer debaixo d'água.
Essas limitações das baterias levaram ao crescimento das pesquisas sobre a utilização da energia nuclear nos submarinos. Os geradores nucleares não necessitam de oxigênio, permitindo que um submarino, usando essa energia, possa permanecer durante semanas debaixo d'água. Como o combustível nuclear também dura muito mais do que o diesel (sua energia pode durar anos), um submarino nuclear não precisa ir até a superfície para reabastecimento, o que significa que pode permanecer no mar por muito mais tempo.
Os submarinos nucleares e porta-aviões são equipados com reatores nucleares quase idênticos aos reatores usados nas usinas comerciais. O reator produz calor para gerar vapor que compele a turbina. Esta, por sua vez, aciona diretamente os propulsores e os geradores elétricos. As duas maiores diferenças entre reatores comerciais e reatores em embarcações nucleares são:
· O reator em uma embarcação nuclear é menor.
· Como esse reator é menor, o combustível utilizado precisa ser altamente enriquecido para gerar uma grande quantidade de energia
Navegação
Como a luz não penetra no fundo do oceano, os submarinos navegam virtualmente cegos. No entanto, essas embarcações são equipadas com cartas náuticas e sofisticados equipamentos de navegação. Quando estão na superfície, os submarinos utilizam um sistema de posicionamento global (GPS) que determina precisamente sua latitude e longitude, mas, uma vez submersos, precisam empregar sistemas de orientação inerciais, (elétricos, mecânicos), que orientam a rota a partir de um ponto fixo inicial usando giroscópios. Os sistemas de orientação inercial são precisos para 150 horas de operação e devem ser realinhados com os outros sistemas de navegação dependentes da superfície (GPS, rádio, radar e satélite). Com esses sistemas a bordo, um submarino pode ser conduzido com precisão de cem pés ao longo de seu curso planejado.
Para localizar um alvo, um submarino usa um SONAR (sound navigation and ranging) ativo e passivo. O sonar ativo emite pulsos de ondas sonoras que viajam através da água, refletem no alvo e retornam para a embarcação. Sabendo qual é a velocidade do som na água e o tempo necessário para a onda sonora viajar até o alvo e voltar, os computadores podem rapidamente calcular a distância entre o submarino e o alvo. As baleias, os golfinhos e os morcegos usam a mesma técnica para localizar a presa (ecolocação). O sonar passivo consiste em ouvir os sons gerados pelo alvo. O sonar também pode ser usado para realinhar os sistemas de navegação inercial ao identificar as características conhecidas do fundo do oceano.
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