1. Principio di Archimede
E' forse, in assoluto, il principio più importante di tutti, quando parliamo di galleggianti o di oggetti immersi in un liquido. Esso recita:
" Un corpo immerso in un liquido riceve una spinta, dal basso verso l'alto, pari al peso del liquido spostato ".
La Forza S viene spesso indicata come Spinta Idrostatica e, in virtù del Principio di Archimede, possiamo dire che :
S dipende esclusivamente dal volume del corpo immerso (e non dal suo peso). Maggiore è il suo volume e maggiore sarà la spinta S; questo è facilmente intubile pensando al diverso comportamento di una piccola monetina (5 gr di peso) e di un grosso tronco d'albero (varie tonnellate di peso): la monetina affonda mentre l'albero galleggia (nonostante quest'ultimo sia molto più pesante della monetina).
avendo un'intensità pari al peso del liquido spostato, S dipende dalla densità del liquido in questione. Maggiore sarà la densità e maggiore sarà il peso del liquido spostato e, quindi, maggiore sarà la Spinta S. Uno stesso oggetto immerso in acqua salata (più densa) e immerso in acqua dolce (meno densa) riceverà spinte S diverse (in acqua salata il corpo riceve una spinta idrostatica maggiore, rispetto a quella che riceve in acqua dolce, dato che la densità dell'acqua salata è maggiore di quella dell'acqua dolce). Questo fenomeno è, ad esempio, molto evidente quando una nave naviga in mare e poi entra nel delta di un fiume; ma mano che si addentra nell'acqua dolce sarà soggetta ad una spinta S sempre minore e conseguentemente si immergerà sempre di più (diminuendo il suo bordo libero ed incrementando il suo pescaggio).
S dipende anche dalla temperatura dell'acqua; questo in considerazione del fatto che con la temperatura cambia anche la densità del liquido (normalmente). Uno stesso liquido è più denso quando è freddo, e in questo caso fornisce una spinta maggiore rispetto a quando è caldo. Questo fenomeno interessa spesso i sommergibili in immersione che, variando la quota di immersione, possono imbattersi in "strati" d'acqua a differente temperatura; durante l'attraversamento di questi strati, la spinta S varia e quindi apparentemente il battello risulta più leggero (quando in acqua più fredda) o più pesante (quando in acqua più calda).
S è indipendente dalla pressione del liquido. Un corpo riceve la medesima spinta idrostatica sia che si trovi ad una profondità bassa (ex. 10 metri sotto il livello del mare - pressione rel. 1 atm) o a quota profonda (es. 200 metri - Pressione rel. 20 atm).
Considerando l'11° Comandamento (P=S) e quindi la necessità del battello di mantenere sempre l'equilibrio tra peso e spinta, le variazioni di S sopra descritte (solitamente correlate alla varizione di densità del liquido) dovranno essere puntualmente compensate modificando il peso P del battello, ossia ricorrendo all'impianto Assetto e Compenso con il quale si imbarcherà o si sbarcherà acqua di mare.
2. Pressione Idrostatica
Sappiamo che la pressione idrostatica eserrcitata da un liquido su un corpo immerso, aumenta in modo lineare con l'aumento della quota di immersione del corpo stesso. Quanto sopra è riconducibile alla Legge di Stevino che dice :
Pr = ρ x g x h
dove:
Pr è la pressione alla quota h;
ρ è la densità del liquido;
g è l'accellerazione di gravità della terra (9,81 m/s2);
h è la quota misurata verso il basso, a partire dalla superficie;
Considerando che la densità ρ dell'acqua di mare è circa pari a 1 Kg/dm3 , e che g è costante, la pressione è direttamente proporzionale alla quota, ed aumenta di circa 1 atmosfera ogni 10 metri di quota (100 m -> 10 atm). In generale si può dire che:
ogni 10 metri, la pressione idrostatica aumenta di circa:
1 Kg/cm2 ≅ 1 N/cm2 ≅ 1 BAR ≅ 1 ATM
Di solito i sommergibilisti (italiani) usano misurare la pressione idrostatica in Kg/cm2. A 100 metri di quota, il sommergibile è quindi esposto ad una pressione idrostatica pari a circa 10 Kg/cm2. Questo vuol dire che ogni centrimetro quadrato dello scafo resistente del battello è soggetto ad una forza di circa 10 Kg.
La pressione idrostatica è uno dei fondamentali parametri che, in sede di progetto, è indispensabile considerare per il dimensionamento strutturale dello scafo resistente di un sommergibile. Ovviamente tale dimensionamento è strettamente correlato alla quota massima a cui deve poter operare il battello (e questo è un requisito operativo che viene fissato dal committente). Di solito, una volta noto il requisito operativo di cui sopra, il progettista dimensiona la struttura dello scafo in modo che sia in grado di resistere ad una pressione doppia di quella corrispondente alla massima quota operativa richiesta dal committente. In questo modo applica un coefficiente di sicurezza pari a 2 (che è impiegato piùtosto comunemente su tutti i sottomarini moderni) che garantisce un sufficiente margine precauzionale.
Sia per gli aerei che per i sommergiibili, la misurazione della pressione dell'ambiente esterno circostatnte (aria o acqua) costituisce la principale via per conoscere la propria quota.
Sugli aerei (e in generale per misura la pressione atmosferica) si usano gli Altimetri. Questi vengono utilizzati anche a bordo dei sommergibili ma solo per misurare la pressione atmosferica interna allo scafo resistente, che per vari motivi, dopo lunghi tempi di immersione, può anche variare sensibilmente e che, per questa ragione, va costantemente tenuta sotto controllo (in particolare, quando ci accinge ad aprire un portello o una comunicazione con l'esterno e, in generale, per salvaguardare la salute dell'equipaggio).
Sui sommergibili la pressione idrostatica e la quota si misurano impiegando dei Manometri collegati con l'esterno del battello (quello in figura è del Smg. TOTI, esposto al Museo della Scienza e della Tecnica di Milano, ed indica direttamente i metri di profondità della quota).
Sia gli aerei che i sommregibili sono spesso anche dotati di particolari strumenti aggiuntivi che, solo in particolari condizioni, sono in grado di misurare la distanza dal terreno (per gli aerei) o dal fondale (per i sommergibili) sottostante. Per gli aerei si tratta di un semplice sistema RADAR (che si attiva solo quando il velivolo è abbastanza vicino al terreno, ossia in fase di decollo o atterraggio).
Per i sommergibili si usa un piccolo sistema SONAR (detto, appunto, batimetrico) che mi misura l'eco di un impulso elettroacustico trasmesso verso il basso e determina quindi la distanza dal fondale. Tale sistema, sui battelli destinati ad operare in ambiente polare, viene anche utilizzato (verso l'alto) per misurare la distanza dal pack ghiacciato sovrastante.
