Un sottomarino è una delle macchine più affascinanti mai costruite dall'uomo. A differenza di una normale nave, è progettato per muoversi sotto la superficie del mare, rimanendo immerso anche per periodi molto lunghi.
Ma come fa un sottomarino a immergersi e poi tornare in superficie? Come riesce a sopportare l'enorme pressione dell'acqua? E soprattutto, come può l'equipaggio respirare quando si trova a centinaia di metri di profondità?
Il funzionamento di un sottomarino dipende dalla combinazione di diversi principi di fisica, ingegneria e tecnologia. Galleggiamento, casse di zavorra, scafo resistente, sistemi di controllo dell'assetto, propulsione, sonar e sistemi per il mantenimento dell'aria lavorano insieme per permettere al mezzo di navigare sott'acqua.
Che cos'è un sottomarino?
In senso generale, il sottomarino è un mezzo navale progettato per operare sott'acqua. Nella terminologia tecnica esistono differenze tra sottomarino e sommergibile, ma nel linguaggio comune i due termini vengono spesso utilizzati come sinonimi.
La caratteristica fondamentale di un sottomarino è la possibilità di controllare la propria galleggiabilità e profondità. Il mezzo deve poter galleggiare, immergersi, mantenere una determinata quota sotto la superficie e successivamente risalire.
Per ottenere questo risultato vengono utilizzati principalmente le casse di zavorra, i serbatoi di assetto e i timoni.
Come fa un sottomarino a immergersi?
Il segreto dell'immersione si trova nelle cosiddette casse di zavorra.
Quando il sottomarino naviga in superficie, queste casse contengono una quantità significativa di aria. Per iniziare l'immersione, l'acqua di mare può entrare nelle casse attraverso apposite aperture mentre l'aria viene espulsa.
L'ingresso dell'acqua aumenta il peso complessivo del mezzo e modifica il suo equilibrio rispetto alla spinta verso l'alto esercitata dall'acqua.
Quando il peso diventa sufficiente, il sottomarino comincia a scendere.
Una volta raggiunta la profondità desiderata, il controllo dell'assetto permette di mantenere il mezzo in equilibrio. Il principio fisico alla base del sistema è quello del galleggiamento, legato alla spinta di Archimede.
Come fa un sottomarino a riemergere?
Il procedimento può essere considerato, in parte, l'opposto dell'immersione.
Per risalire, il sottomarino deve ridurre la propria densità complessiva e aumentare la spinta verso l'alto. Per questo motivo l'acqua presente nelle casse di zavorra viene espulsa attraverso l'utilizzo di aria compressa.
Le casse si riempiono nuovamente di aria e il peso effettivo del sottomarino diminuisce rispetto alla spinta esercitata dall'acqua.
Il mezzo può quindi iniziare la risalita.
I moderni sistemi di controllo permettono di effettuare queste operazioni in maniera molto precisa, regolando continuamente l'assetto del sottomarino.
Che cosa succede alla pressione durante l'immersione?
Uno dei problemi più importanti da affrontare quando si costruisce un sottomarino è la pressione dell'acqua.
Più si scende in profondità, maggiore diventa la pressione esercitata dall'acqua sul mezzo. Per questo un sottomarino non può essere semplicemente una normale nave resa impermeabile.
La parte destinata a proteggere l'equipaggio deve essere costruita con materiali e forme capaci di sopportare enormi forze.
Nei sottomarini tradizionali e in molte configurazioni moderne troviamo uno scafo resistente, progettato per mantenere al suo interno condizioni compatibili con la vita umana anche quando all'esterno la pressione dell'acqua è molto elevata.
La forma dello scafo è quindi fondamentale. Una struttura adeguatamente progettata distribuisce le forze della pressione in modo più efficace e riduce il rischio di deformazioni.
Perché lo scafo è così importante?
Possiamo immaginare il sottomarino come una struttura composta da diverse parti con funzioni differenti.
Lo scafo resistente protegge gli ambienti interni e l'equipaggio dalla pressione dell'acqua.
Lo scafo esterno, invece, contribuisce alla forma idrodinamica del mezzo e può contenere o racchiudere diversi sistemi necessari alla navigazione.
Non tutti i sottomarini moderni hanno esattamente la stessa configurazione costruttiva, ma il concetto fondamentale rimane quello di separare la struttura destinata a sopportare la pressione dagli elementi che contribuiscono alla forma e alle prestazioni del mezzo.
Come fa l'equipaggio a respirare sott'acqua?
Un sottomarino deve mantenere un ambiente interno controllato.
Il problema non riguarda soltanto l'ossigeno. In un ambiente chiuso bisogna anche controllare l'anidride carbonica, l'umidità e la qualità complessiva dell'aria.
L'ossigeno può essere immesso attraverso sistemi di stoccaggio o prodotto a bordo, a seconda del tipo di sottomarino e della sua tecnologia.
Contemporaneamente, l'anidride carbonica prodotta dalla respirazione dell'equipaggio deve essere rimossa attraverso appositi sistemi di trattamento dell'aria.
Questo permette di mantenere condizioni respirabili anche quando il mezzo rimane lontano dalla superficie.
Nei sottomarini a propulsione nucleare la permanenza sott'acqua può essere particolarmente lunga perché il sistema di propulsione non dipende dall'aria atmosferica nello stesso modo dei motori tradizionali. La propulsione nucleare ha infatti rappresentato un passaggio fondamentale nello sviluppo dei moderni sottomarini.
Il sottomarino produce ossigeno?
In alcuni moderni sottomarini l'ossigeno può essere prodotto a bordo attraverso sistemi specifici, mentre l'aria interna viene continuamente trattata per mantenere condizioni adeguate alla respirazione.
È importante però non immaginare l'interno del sottomarino come un ambiente completamente autosufficiente senza limiti.
La durata di una missione dipende da numerosi fattori: disponibilità di alimenti e materiali, manutenzione, energia, capacità degli impianti di supporto alla vita e condizioni operative.
Come naviga un sottomarino senza vedere la superficie?
Sott'acqua la visibilità può essere estremamente limitata. Per questo un sottomarino non può affidarsi semplicemente alla vista dell'equipaggio.
Uno degli strumenti più importanti è il sonar, un sistema che utilizza le onde sonore per raccogliere informazioni sull'ambiente circostante.
Esistono sistemi sonar attivi e passivi.
Il sonar attivo emette un segnale sonoro e analizza il ritorno dell'onda dopo che questa ha incontrato un oggetto.
Il sonar passivo, invece, ascolta i suoni presenti nell'ambiente senza dover necessariamente emettere un segnale. Questo consente di raccogliere informazioni sulle attività circostanti mantenendo un comportamento più discreto.
Il sonar rappresenta quindi uno degli strumenti fondamentali per la navigazione subacquea moderna.
Come cambia direzione un sottomarino?
Il principio è simile, sotto alcuni aspetti, a quello utilizzato dagli aerei.
Il sottomarino dispone di timoni verticali e orizzontali.
Il timone verticale permette di modificare la direzione sul piano orizzontale, consentendo al mezzo di effettuare le virate.
I timoni orizzontali, invece, contribuiscono al controllo della profondità e dell'inclinazione durante le manovre di immersione e risalita.
In combinazione con le variazioni di assetto e con la spinta del sistema propulsivo, questi dispositivi permettono al sottomarino di muoversi in maniera controllata nello spazio tridimensionale dell'ambiente marino.
Come viene spinto un sottomarino?
Per muoversi sott'acqua il sottomarino utilizza un sistema propulsivo collegato a un'elica o, nei progetti più moderni, ad altri sistemi di propulsione.
La propulsione deve essere sufficientemente potente da permettere al mezzo di raggiungere la velocità necessaria, ma anche progettata per ridurre rumori e vibrazioni.
Questo aspetto è particolarmente importante nei sottomarini militari, dove il rumore prodotto dal mezzo può influire sulla capacità di essere individuato.
Nei sottomarini nucleari, il reattore produce energia termica che viene utilizzata per generare energia utile alla propulsione e agli altri sistemi di bordo.
A cosa serve il periscopio?
Il periscopio è uno degli strumenti più conosciuti associati ai sottomarini.
Tradizionalmente permetteva all'equipaggio di osservare ciò che si trovava in superficie senza dover far emergere completamente il mezzo.
Nei moderni sottomarini, però, la tecnologia ha modificato profondamente il concetto tradizionale di periscopio. I sistemi optronici e i sensori elettronici possono fornire informazioni visive e operative senza necessariamente utilizzare il classico tubo ottico dei vecchi periscopi.
La caratteristica comune rimane la possibilità di ottenere informazioni sulla superficie mantenendo il sottomarino immerso.
Quanto può scendere in profondità un sottomarino?
Non esiste una profondità unica valida per tutti i sottomarini.
La profondità massima dipende dalla progettazione dello scafo, dai materiali utilizzati, dalla tecnologia costruttiva e dagli specifici limiti operativi del mezzo.
La pressione aumenta rapidamente con la profondità e rappresenta uno dei principali fattori che determinano le caratteristiche strutturali di un sottomarino.
Per questo motivo le informazioni precise sulle profondità operative dei moderni mezzi militari non sono sempre disponibili pubblicamente.
Sottomarini diesel-elettrici e sottomarini nucleari
Esistono diverse tipologie di sottomarini.
I sottomarini diesel-elettrici utilizzano motori diesel e sistemi elettrici alimentati da batterie. Quando sono in superficie o possono utilizzare sistemi che permettono di aspirare aria atmosferica, i motori possono ricaricare le batterie.
I sottomarini a propulsione nucleare, invece, utilizzano un reattore nucleare per produrre l'energia necessaria alla propulsione e ai sistemi di bordo.
La differenza è particolarmente importante per la permanenza in immersione: la propulsione nucleare ha permesso di aumentare enormemente l'autonomia subacquea rispetto ai sistemi tradizionali.
Come fa un sottomarino a rimanere fermo sott'acqua?
Rimanere alla stessa profondità senza continuare a scendere o risalire richiede un controllo molto preciso dell'assetto.
Il sottomarino deve raggiungere una condizione nella quale le forze che agiscono su di esso siano equilibrate.
Le casse di zavorra e quelle di assetto consentono di effettuare regolazioni molto precise della distribuzione dei pesi e della galleggiabilità.
Durante la navigazione, anche la velocità del mezzo e l'azione dei timoni orizzontali contribuiscono al controllo della profondità.
Perché i sottomarini hanno una forma affusolata?
La forma esterna di un sottomarino è studiata per ridurre la resistenza dell'acqua.
Quando un corpo si muove in un fluido, infatti, deve spostare l'acqua davanti a sé. Una forma poco aerodinamica o idrodinamica aumenterebbe la resistenza e richiederebbe maggiore energia per mantenere la velocità.
La forma affusolata permette quindi di muoversi sott'acqua in modo più efficiente.
È uno dei motivi per cui i sottomarini moderni hanno un aspetto molto diverso dalle normali navi di superficie.
Perché un sottomarino può rimanere immerso per molto tempo?
La capacità di rimanere sott'acqua dipende dalla combinazione di numerosi sistemi.
Un sottomarino deve avere:
- energia sufficiente per alimentare gli impianti;
- sistemi per il trattamento dell'aria;
- sistemi per la produzione o conservazione dell'ossigeno;
- sistemi per eliminare l'anidride carbonica;
- riserve di acqua e alimenti;
- sistemi di navigazione;
- sistemi di controllo dell'assetto;
- una struttura capace di sopportare la pressione.
Nei sottomarini moderni tutti questi elementi devono funzionare contemporaneamente.
Il sottomarino è quindi una macchina complessa
Il funzionamento di un sottomarino non dipende da un singolo sistema, ma dall'interazione di numerose tecnologie.
Le casse di zavorra permettono di controllare l'immersione e l'emersione. Lo scafo resistente protegge l'equipaggio dalla pressione dell'acqua. I timoni permettono di controllare direzione e profondità, mentre il sistema propulsivo garantisce il movimento.
All'interno, gli impianti di supporto alla vita mantengono condizioni adatte all'equipaggio, mentre sonar e altri sensori permettono di navigare in un ambiente nel quale la vista ha un'importanza molto limitata.
È proprio la combinazione di questi sistemi che rende possibile una delle imprese più straordinarie dell'ingegneria: vivere e navigare per lunghi periodi in un ambiente completamente immerso nell'acqua.
Conclusione
Capire come funziona un sottomarino significa mettere insieme concetti di fisica, ingegneria navale, tecnologia e biologia.
Il mezzo riesce a immergersi modificando la propria galleggiabilità, controlla la profondità attraverso zavorra e timoni, resiste alla pressione grazie alla robustezza dello scafo e mantiene l'equipaggio in vita attraverso complessi sistemi di supporto ambientale.
Per navigare sott'acqua utilizza inoltre sonar, sensori e sistemi di controllo estremamente sofisticati.
Da questo punto di vista, il sottomarino rappresenta uno degli esempi più interessanti di come l'uomo abbia imparato a trasformare le leggi della fisica in una tecnologia capace di esplorare e attraversare un ambiente estremamente difficile come quello delle profondità marine.