LES SOUS MARINS
Qu'est-ce qu'un sous marin ?
Un sous-marin est un navire submersible qui peut se déplacer à la surface et sous l’eau de façon autonome.
Il est principalement utilisé à des fins militaires mais il en existe aussi qui servent à l'exploration sous-marine.
L'histoire du sous marin
Exemple de sous-marin (http://communaute.openesub.org/gazette/spip.php?article508)
Les plongeurs ne pouvant aller qu'à 40m de profondeur malgré les innovations actuelles, les scientifiques ont cherché un moyen d'aller plus loin sous la mer tout en supportant une pression qui augmente tous les 10m de profondeur.
LES PRECURSEURS
• L'idée du sous-marin est apparue pendant l'Antiquité, notamment
grâce à Alexandre Le Grand qui d'après Aristote
a tenté de développer un sous marin primitif en s'enfermant dans un
tonneau percé de hublots, immergé pour observer la vie sous-marine.
Alexandre le Grand dans sa columpha (cloche sous-marine)
(peinture du XVIe siècle)
•Léonard de Vinci conçoit un projet de sous- marin mais il y renonce jugeant cette invention trop dangereuse.
•Durant l'ère moderne, William Bourne, un Anglais, est le premier à proposer un concept de sous-marin. Il conçoit un prototype en 1578, mais ses idées ne dépassent pas le stade de la conception.
•Le premier véritable submersible est construit en1620 par le Hollandais Cornelius Jacobszoon Drebbel, en utilisant le concept de Bourne.
C'est une espèce de péniche de bois dont la partie supérieure est recouverte de cuir et de plaques métalliques. Il se déplace au moyen de rames sur les côtés du bateau.
(il n'existe pas de véritable schéma du sous-marin de Drebbel, c'est une carte postale des USA des années 40)
•En 1775, David Bushnell construit le premier sous-marin militaire "le Tartaruga" (la tortue) qui échoue lors de sa première mission. Il ressemble à un œuf et ne peut contenir qu'une seule personne.
Un croquis en coupe de "Tortue" par Bushnell.
•C'est au 20ème siècle qu'on voit de nombreuses innovations.
•En 1914-1918, durant la première guerre mondiale, les sous-marins militaires allemands se démarquent par leur efficacité.
•Pendant la seconde guerre mondiale, les submersibles sont perfectionnés et après, les moteurs des sous-marins sont améliorés.
•USS Nautilus (SSN-571) est le premier sous-marin nucléaire. Construit en 1954 aux Etats-Unis, il contribue à l'expédition Arctique (débutée en 1931).
Il est le premier à naviguer sous la calotte glacière arctique.
Photo du Nautilus lors de son immersion (http://www.ussnautilus.org/nautilus/)
MAINTENANT
Depuis, les sous-marins n'ont cessé de se perfectionner, pouvant maintenant aller jusqu'à des profondeurs de plus en plus basses.
Actuellement nos sous-marins français sont construits partiellement à Cherbourg en Normandie qui abrite un sous -marin français célèbre « Le Redoutable » (premier sous-marin nucléaire français).
Fonctionnement d'un sous-marin ?
La conception d’un sous-marin est gouvernée par deux grands principes, la poussée d’Archimède et la poussée de Pascal qui s’appliquent tous les deux à des corps immergés.
LA POUSSEE DE PASCAL
Selon Blaise Pascal, «Sur la surface d’un corps immergé, s’exerce une pression en bar, perpendiculaire à cette surface, dirigée vers l’intérieur et égale au nombre de dizaines de mètres d’immersion. »
(Cette relation n'est valable qu'en présence d'une gravité non nulle)
Blaise Pascal (1623-1662) est un mathématicien, physicien, inventeur, philosophe, moraliste et théologien français.
Il invente notamment la Pascaline et réalise des travaux sur la pression et la géométrie.
Portrait de Blaise Pascal
http://www.hannaharendtcenter.org/wp-content/uploads/2013/11/blaise.jpg
Plus l’on descend plus la pression augmente.
Par conséquent la force s’exerçant sur la coque du sous-marin augmente au fur et à mesure que celui s’enfonce.
Un sous-marin est composé essentiellement d’une coque externe (ou légère) et d’une coque interne (ou épaisse).
La coque externe est faite pour être hydrodynamique (faculté physique à se déplacer rapidement dans l'eau). Elle a une épaisseur qui varie de 5 à 10mm.
La coque interne se doit de supporter des pressions énormes. Elle est conçue en acier HY-80 qui est un acier à haute limite élastique, très résistant. Son épaisseur est calculée par rapport à son immersion maximum mais varie de 14 à 32mm selon les endroits de la coque en général. Chaque cm² subit une pression de 1 kg par tranche de 10 mètres d'immersion. L'effort généré par la pression est orienté vers l’intérieur du sous marin.
Schéma d’un sous-marin qui montre les pressions qui s’exercent (http://codingrulz.free.fr/fichiers/coque.htm)
Pour une augmentation d’environ 100m de profondeur, il faudrait augmenter la coque de 10mm d’épaisseur pour qu’elle puisse compenser les efforts dues à l’accroissement de la pression. Les pressions deviennent donc supportables, permettant au sous marin de descendre très profondément.
LA POUSSEE D’ARCHIMEDE
Selon Archimède « Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée vers le haut, et de grandeur égale au poids du volume du fluide déplacé. »
Archimède ( 287 av J.C-212 av J.C) est un mathématicien et physicien Grec né en Sicile à Syracuse Il a fait de nombreuses découvertes dans le domaine de la mécanique et de l'hydrostatique, dont le principe d'Archimède.
La poussée d’Archimède est une force verticale dirigée vers le haut, qui s’applique à tous les objets présents dans un fluide, et fait remonter le sous-marin.
Le sous-marin est donc soumis à deux forces :
• son poids, appliqué au centre de gravité G qui le fait descendre,
• la poussée d'Archimède, appliquée au centre du volume immergé C (« centre des carènes ») qui fait remonter le sous-marin.
http://www.sous-mama.org/comment-ca-marche-un-sous-marin--blog-112.html
Si le poids du navire est inférieur au poids du volume d'eau du volume immergé, il flotte ; inversement il coule.
L'équilibre du sous-marin est obtenu lorsque la poussée est égale à son poids.
Le sous-marin possède alors des ballasts qui sont des réservoirs placés de chaque coté du sous-marin et qui sont essentiels pour l’équilibre de celui-ci.
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Lorsque les ballasts sont totalement vides d’eau, le sous-marin est en surface. La partie supérieure émerge et le sous-marin flotte il est donc en équilibre.
http://www.sous-mama.org/comment-ca-marche-un-sous-marin--blog-112.html
Lorsque les ballasts sont remplis, le sous-marin est en immersion totale. Les forces s’équilibrent et il flotte.
Lorsque l’on vide les ballasts en remplaçant l'eau de mer par de l'air contenu dans des bouteilles d'air situées à l'intérieur du sous-marin, l’eau évacuée diminue le poids du sous-marin: la poussée devient supérieure au poids du bâtiment. Le sous-marin est alors dit "léger", et remonte jusqu'à ce que la valeur de la poussée (qui diminue avec la hauteur de l'immersion) soit de nouveau équilibrée avec le poids.
Il est dit que le sous-marin flotte toujours entre deux eaux
Si le poids du sous-marin était plus élevé que celui de la poussée, il coulerait tout au fond de l’océan. Il faut donc régler le poids du sous-marin en fonction des ballasts pour que l'on puisse toujours obtenir l'égalité Poids=Poussée. Cette opération est appelée "la pesée", et est réalisée lors des premiers essais en mer.
Mais l’équilibre du sous-marin ne suffit pas. En effet, il faut aussi qu'il puisse naviguer droit et qu'il puisse rester dans cette position.
Trois facteurs entrent en jeu :
>Tout d’abord l'assiette qui définit l’inclinaison longitudinale d’un sous-marin. C'est l'angle alpha que fait le fond du sous-marin avec l'horizontale.
• Lorsque le sous-marin est trop chargé à l'arrière, il s'incline. L'angle alpha est positif donc l'assiette est positive.
• Lorsqu’il est trop chargé à l'avant, l'assiette est négative.
• Lorsque le bâtiment est horizontal, l’angle alpha est nul. Il est en assiette zéro.
>La gîte d'un sous-marin qui définit son inclinaison transversale.
• Lorsque le sous-marin est trop chargé à bâbord, il s'incline vers la gauche. On dit qu’il y a la gîte sur babord.
• Lorsqu’il est trop chargé à tribord, on dit qu’il y a de la gîte sur tribord.
• Pour qu’il soit équilibré il faut qu’il soit sans gîte.
>La stabilité qui est la capacité qu'un sous-marin possède de revenir en assiette zéro et sans gîte, lorsqu'il est écarté de cette position.
Le sous-marin est donc construit pour répondre à des contraintes physiques et mécaniques très fortes. C'est une véritable révolution et une prouesse technique qui permet à l'Homme d'accéder à ces milieux extrèmes que sont les fonds marins et d'en découvrir un peu plus sur la Terre.