Hoe werkt een duikboot?

De duikboot, of onderzeeboot, is uitgevonden door de Nederlander Cornelis Drebbel, dat kun je lezen in dit artikel. Hij was de eerste die het idee van onder water zweven succesvol toepaste voor voortbeweging van een boot. Maar hoe werkt dat dan en wat heeft hij precies voor het eerst gedaan?

Om dat te begrijpen moet je eerst weten hoe iets blijft drijven. Dat komt door de opwaartse kracht van het water en is geformuleerd in de wet van Archimedes. Dat is al een heel oude wet, want de Griekse wetenschapper Archimedes leefde rond 250 v.Chr.

Deze wet zegt: de opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof of gas ondervindt is even groot als het gewicht van de verplaatste vloeistof of gas (bron Wikimedia). Het staat weergegeven in figuur 1.

Drijven, zweven, zinken

De opwaartse kracht F_A ontstaat door het verplaatsen van vloeistof met volume V_i. Deze kracht is even groot als de zwaartekracht die op het verplaatste volume vloeistof werkte voordat het verplaatst was. Als een voorwerp drijft is deze kracht gelijk aan de zwaartekracht op het voorwerp: F_p. Belangrijk is dat bij drijven steeds geldt F_p = F_A (en tegengesteld gericht), oftewel er is steeds evenwicht tussen de krachten. Neem je namelijk een steeds zwaarder voorwerp (dus met een grotere zwaartekracht) maar met hetzelfde volume, dan moet er een steeds groter volume water verplaatst worden om deze kracht ‘op te vangen’. Daardoor komt het voorwerp steeds dieper onder water (V_i wordt groter) om de tegengestelde kracht F_p op te kunnen brengen. Bij het zwaarder maken, zal het voorwerp op een gegeven moment net onder water verdwijnen. Dan zal het voorwerp blijven zweven. Van dat zweven maakt een onderzeeboot gebruik. Maak je het voorwerp nog zwaarder dan kan er niet meer voldoende water verplaatst worden om de zwaartekracht op te vangen, oftewel F_p is groter dan F_A en daardoor zinkt het voorwerp.

Het voorwerp dat hier als een massief blok getekend is, kan ook hol zijn. Dat zie je bijvoorbeeld bij schepen. Het staal waar het schip van gemaakt is, is erg zwaar, maar omdat er zoveel lucht in het schip zit, ontstaat het evenwicht tussen zwaartekracht en opwaartse kracht als er nog een flink deel van het schip boven water is.

Bekend plaatje

Een duikboot, onderzeeboot of onderzeeër zoals iedereen die wel eens gezien heeft, zie je in figuur 2.

Onderzeeboot

Een onderzeeboot is eigenlijk een gewone boot die waterdicht en overdekt is. Dus die drijft ook gewoon boven water omdat er veel lucht in zit. Dat zie je links in figuur 3.

De wand is een dubbele wand waar water tussen kan stromen. Als de boot onder water moet gaan, worden er kleppen opengezet waardoor er van onderuit water tussen de twee wanden stroomt (middelste plaatje). Hierdoor zal de boot gaan zweven (rechter plaatje). Als het water uit de dubbele wand wordt gepompt en die zich vult met lucht, zal de boot weer stijgen.

Voortstuwing en sturen

Het belangrijkste van de onderzeeboot heb je zo bereikt; de boot zweeft onder water, komt niet naar boven en zinkt ook niet. Maar de boot moet ook nog vooruitkomen en kunnen sturen. Net als een normaal schip heeft een duikboot een dieselmotor en een schroef voor de voortbeweging. Het nadeel van een dieselmotor is dat er lucht voor nodig is en dat er uitlaatgassen ontstaan. Daarom vaart een duikboot onder water op een elektromotor, de accu’s daarvoor worden opgeladen als de boot aan de oppervlakte vaart. Hij kan dan niet lang onderwater blijven, daarom wordt sinds 1954 kernenergie gebruikt als bron voor de elektrische energie. Er is dan geen lucht nodig voor de voortstuwing en er zijn geen uitlaatgassen, wel ontstaat er radioactief afval. Dit type kan maanden onderwater blijven. Er zijn bijna 400 onderzeeërs waarvan ruim een kwart op kernenergie werkt.

Net als een gewoon schip heeft een onderzeeër een roer om naar links en naar rechts te sturen. Dat is een verticaal staand roer. Maar er is nog een extra richting, omhoog en omlaag, hiervoor zorgen duikroeren die horizontaal staan. Bij beide typen roeren heeft de boot vaart nodig om te kunnen sturen.

Opgave 2: Waarom heeft een duikboot een ronde vorm?

Voor het antwoord moet je weten wat hydrostatische druk is. Dat is de druk die een vloeistof uitoefent op een voorwerp op een bepaalde diepte in de vloeistof, zie figuur 4.

Deze druk werkt in alle richtingen en wordt groter als je dieper onder water bent. Dit komt omdat de druk op een zeker punt in de vloeistof bepaald wordt door de hoeveelheid vloeistof boven dat punt. Hieruit volgt dat hoe dieper de duikboot komt, hoe groter deze druk wordt. Dus moet de duikboot een vorm hebben die die druk goed kan weerstaan. En dat is een ronde vorm, die op ieder punt van de cirkel de kracht goed kan opvangen. Een vierkante vorm kan dat veel minder goed. Er zijn proeven gedaan met verschillende vormen van duikboten en uiteindelijk bleek de ronde vorm het best.