1. DISLOCAMENTO e RISERVA DI SPINTA
In ambito navale generale, con il termine DISLOCAMENTO si usa indicare il peso del la nave. La derivazione del termine è prettamente "navale" in quanto il peso delle navi di superficie è proprio pari al peso del volume d'acqua che occupano con la loro carena immersa (opera viva). Questo concetto di "occupazione" d'acqua è quello che in gergo navale si dice "dislocamento" (la carena sposta o "disloca" un certo quantitativo di acqua il cui peso, per il Principio di Archimede, è proprio pari al peso della nave). A livello internazionale si indica con il simbolo greco ∆ (delta) e si misura in tonnellate.
Nel caso dei sommergibili il concetto è lo stesso ma, essendo un mezzo capace di navigare sia in superficie che in immersione, si usa indicare due tipi di dislocamento: il Dislocamento in superficie ∆s e il Dislocamento in immersione ∆i.
Abbiamo detto che il peso dell'acqua contenuta nelle Casse Zavorra è proprio quello che il sommergibile (in superficie) deve aggiungere al suo peso per immergersi. Se indichiamo con Paz il peso dell'acqua contenuta nelle casse zavorra, avremo che:
∆i = ∆s + Paz
ovvero
∆s = ∆i - Paz
Quello che si usa comunemente in gergo tecnico è quasi sempre il Dislocamento immerso ∆i .
Il volume delle casse zavorra, ossia il volume di acqua che è necessario imbarcare per immergere il sommergibile viene anche detto RISERVA DI SPINTA.
2. Manovre di Immersione ed Emersione
Sono manovre che si svolgono riempiendo e svuotando le Casse Zavorra.
Possiamo assilmilare una Cassa Zavorra ad un secchio capovolto, sulla sommità del quale c'è una valvola. Se a valvola chiusa, spingiamo il secchio capovolto nell'acqua, l'aria contenuta nello stesso rimarrà intrappolata (aumentando la propria pressione e riducendo il proprio volume); se in questa condizione apriamo la valvola, l'aria potra sfogare verso l'esterno e, di conseguenza, l'acqua riempirà il secchio (entrando da sotto). Quando l'acqua avrà completamente riempito il secchio, si sarà ristabilito un equilibrio di pressioni e il secchio si comporterà come la Zona a Libera Circolazione.
Quella sopra descritta è proprio la Manovra d'immersione che compie un sottomarino per immergersi. Quando naviga in superficie, il battello ha le Casse Zavorre piene d'aria e gli Sfoghi d'aria ben chiusi. Quando è pronto per l'immersione, dall'interno del battello si comanda l'apertura degli sfoghi d'aria e le casse zavorra cominceranno riempirsi in maniera naturale. Il battello si appesantirà e comincerà ad immergersi, fino a quando le casse zavorra non saranno completamente allagate. A quel punto si chiudono gli sfoghi d'aria e il battello è pronto per navigare in quota (da quel momento, potrà variare la sua quota grazie alla propulsione e all'azione dei timoni).
Per quanto attiene alla Manovra d'emersione, la procedura è leggermente diversa. Il battello immerso (con casse zavorra piene d'acqua e sfoghi d'aria chiusi) si avvicina alla superficie (quota periscopica) e quando è pronto, insuffla aria compressa nelle casse zavorra, prelevando la stessa da apposite bombole (caricate ad alta pressione). L'aria compressa, entrando nelle casse, spingerà fuori l'acqua che fuoriuscirà dagli allagamenti (le aperture che si trovano nella parte inferiore delle casse stesse). Man mano che le casse si svuotano, il battello salirà fino a raggiungere la sua normale quota di galleggiamento (ad esaurimento delle casse completato).
Durante entrambe le manovre sopra descritte, la Zona a Libera Circolazione si riempirà e si svuoterà d'acqua di mare in maniera naturale (circolando "liberamente" nelle intercapedini)
Per quanto sopra, è evidende che - in fase progettuale - il volume delle Casse Zavorra viene calcolato e determinato in modo da corrispondere esattamente alla Riserva di Spinta.
3. CENTRO DI GRAVITA' e CENTRO DI SPINTA
Si tratta di due punti fondamentali per lo studio della geometria dei galleggianti e dell'Architettura Navale.
Il Centro di Gravità, indicato con Cg , è il punto in cui teoricamente è applicata la forza peso del sommergibile; è quindi il baricentro di tutti i pesi che costituiscono il dislocamento del sommergibile.Il suo posizionamento all'interno dello scafo dipende quindi dalla disposizione dei pesi a bordo ed è quindi determinato e cercato a livello progettuale.
Il Centro di Spinta o di Carena, indicato con Cs , è il punto in cui teoricamente è applicata la forza di spinta di Archimede. Esso conicide con il centro geometrico del volume del sommergibile ed il suo posizionamento dipendende, quindi, dalla forma geometrica del battello (determinata in fase progettuale). Con battello immerso e in perfetto equilibrio dritto Peso=Spinta, il Cs è anche il punto per cui passano gli assi di rotazione (longitudinale per il "rollio" e trasversale per il "beccheggio") del battello.
E' importante considerare che se la posizione del Cs è determinata in fase progetuttale ed è impossibile mutarla durante la normale navigazione (bisognerebbe modificare le forme del battello), la posizione del Cg può essere invece variata aggiungendo o togliendo pesi, ovvero spostandoli all'interno del battello (è il sistema che si usa per compensare la variazione e lo spostamento dei pesi di bordo, e viene attuato con un apposito impianto detto "Assetto e Compenso".
Come vedremo in seguito, Cg e Cs tendono sempre a portarsi sulla stessa linea verticale (condizione di equilibrio tra peso e spinta). Nei moderni sottomarini il Cg è sempre posizionato al di sotto del Cs.
Nelle navi, così come nei vecchi sommergibili quando navigavano in superficie, il Cg si trova invece al di sopra del Cs. Nei vecchi sommergili, durante la manovra di immersione, avveniva un particolare fenomeno fisico grazie al quale la posizione di Cg e Cs si invertiva (Cg passava sotto al Cs e, in un particolare istante, i due punti coincidevano). Nei sottomarini il Gg è sempre sotto il Cs (anche in emersione).
In immersione il Cg è comunque sempre al di sotto del Cs.
4. Forme e geometria della carena
Come abbiamo visto, la posizione del Centro di Carena Cs e l'intesità della forza di spinta idrostatica (di Archimede) dipendono esclusivamente dalla geometria del battello. In fase progettuale è indispensabile conoscere perfettamente tali forme così come è importante conoscerne esattamente i volumi.
Le forme di un sottomarino sono complesse e poco lineari; non possono pertanto essere studiate ed elaborate impegando le comuni formule che regolano le forme geometriche semplici (cilindro, cono, sfera). Come per le navi, anche le forme di un sommergibile venivano un tempo disegnate con il Piano di Costruzione.
Si tratta di una rappresentazione grafica tridimensionale mediante la quale l'oggetto viene letteralmente fatto a fette con vari piani orizzontali, trasversali e longitudinali. Lo scafo viene quindi "sezionato" da detti piani (intervallati in modo omogeneo e regolare) ed i profili che si ottengono vengono infatti chiamati "sezioni". L'isieme di questi profili costitusce il Piano di Costruzione.
Le linee che costituivano i profili delle sezioni orizzontali venivano tradizionalmente chiamate Linee d'acqua.
Da ormai molti anni, questa modellazione tridimesionale viene più efficacemente ed agevolmente svolta con l'aiuto di semplici software CAD 3D. Grazie a questi ausili di calcolo è possibile determinare con precisione altissima tutte le informazioni geometriche necessarie alla costruzione, nonchè dati previsionali in termini di resistenza idrodinamica.
5. " P = S " - L' 11° Comandamento dei Sommergibilisti
Un sommergibile in superficie si comporta essenzialmente come una nave. Galleggia è si muove sul piano orizzontale bidimensionale grazie all'azione dell'elica e seguendo la rotta assunta per mezzo del timone (superficie verticale di governo).
In immersione la cosa assume una valenza tridimensionale (come un aereo in cielo). Oltre alla rotta, sussiste infatti la necessità di regolare anche la quota.
In condizioni di normali, per mantenere una determinata quota è indispensabile che il peso e la spinta del mezzo siano uguali: P = S
Le variazioni quota si ottengono (come per l'aereo) attraverso il sistema propulsivo e mediante apposite superfici orizzontali di governo (timoni orizzontali).
In tale ambito, la grandissima differenza tra l'aero e il sottomarino consiste nella condizione iniziale di equilbrio (P=S).
Nel caso dell'aereo, questo equilibrio è di tipo aerodinamico: l'aereo, anche per mantenere la stessa quota, ha sempre bisogno della velocità che, tramite il profilo delle ali, si trasforma in una spinta dal basso verso l'alto (portanza) che sostiene il velivolo. Senza detta velocità l'aero non mantiene la quota e precipita (mancando la portanza/spinta, prevarrà infatti la forza peso). Per variare la quota l'aero utilizza le superfici orizzontali di governo che causano le cabrate e le picchiate del velivolo e comportano, rispettivamente, l'incremento o la diminuzione della quota di volo.
Nel caso dell'aereo, l'equilibrio P=S è garantito solo se in presenza di una spinta orizzontale dei motori in grado di vincere la resistenza e di dare al velivolo la velocità necessaria e sufficiente per permettere alle ali di generare la portanza.
Nel caso del sottomarino, l'equilibrio P=S è di tipo IDROSTATICO.
Si tratta dell'equilibrio tra il peso P del battello e la corrispondente spinta idrostatica S (di Archimede). Tale equilibrio è indipendente dalla velocità del battello ed essendo statico permane anche quando lo stesso è completamente fermo.
La spinta propulsiva dell'elica è sempre esclusivamente impressa lungo l'asse longitudinale del battello ed ha solo il compito di spingere il mezzo in avanti. Le varizioni di quota si ottengo appruando o appoppando il battello mediante l'azione delle superfici di governo orizzontali (timoni orrizzontali). Una volta appoppato, la spinta dell'elica lo porterà a salire (diminuendo la quota) mentre, quando appruato, la medesima spinta lo porterà a scendere (aumentando la quota).
L'equilibrio P=S di un sottomarino è una condizione che va sempre ricercata e mantenuta. Sono infatti diverse le cause che possono perturbare detto equilibrio. Come già detto, tali cause perturbanti, così come le azioni necessarie per contrastarle, riguardano esclusivamente le variazioni del PESO.
La spinta idrostatica (a meno del momento in cui allaghiamo o esauriamo le casse zavorra per immergerci o emergere) è sempre la stessa, essendo determinata dalle forme geometriche e dal volume della carena (e della quantità di acqua che lo scafo sposta o disloca).
Le variazioni di peso possono essere causate dal consumo del carburante, dall'impiego della armi (un siluro pesa oltre una tonnellata), dal consumo dei viveri, etc. Ad ognuna di queste azioni (di alleggerimento o appesantimento) il sottomarino deve far corrispondere una variazione di peso uguale e contraria. Tali compensazioni si effettuano impiegando l'acqua di mare: imarcandone o sbarcandone il giusto quantitativo da appositi contenitori denominati CASSE COMPENSO. A volte tali manovre sono così precise da richiedere l'imbarco o lo sbarco di poche decine di litri di acqua.
Le manovre necessarie per assicurare il mantenimento dell'equilibrio idrostatico di un sottomarino (P=S) rappresentano un'attività che deve essere svolta costantemente dal personale di bordo impiegando l'apposito impianto ASSETTO e COMPENSO (che illustreremo in seguito).
Tutto questo per assicurare il rispetto costante di quello che, scherzosamente, i sommergibilisti usano chiamare " 11° Comandamento" :
P = S
