Величайший ученый древности Архимед открыл один из основных законов физики, так и названный «законом Архимеда».
Именно на этом законе и основана конструкция всех видов судов, в том числе и подводных лодок. Судостроителям приходится так рассчитывать корпус всякого корабля, чтобы при погружении его в воду до определенного, заранее заданного уровня (до грузовой ватерлинии) вес вытесненной воды оказался бы равным весу судна с его грузом.
Такую задачу удается решить потому, что внутри корпуса корабля много пространства, заполненного воздухом: помещения для жилья, грузовые трюмы, погреба, служебные помещения. Кроме того, на корабле много предметов изготовлено из дерева, пластмасс, затем есть мазут и масла. Все это легче воды. Даже при значительном возвышении корпуса корабля над водой вес вытесненной воды равен весу корабля со всем его грузом. Этот вес вытесненной воды при заданном уровне осадки корабля и называется его водоизмещением.
Отсутствие крена судна означает, что равнодействующие сил поддержания и тяжести располагаются, компенсируя друг друга. Но стоит судну накрениться, как точка воздействия равнодействующей сил поддержания смещается. Возникает восстанавливающий момент — проявляется остойчивость судна. Чем ниже центр тяжести судна, тем больше может оно накреняться без потери остойчивости.
Когда подводная лодка находится в надводном положении, она плавает, как обычное судно. Ведь при незаполненных балластных цистернах она держится на воде, как надводный корабль. Вес вытесненной при этом воды равен весу подводной лодки со всем содержимым и называется ее надводным водоизмещением.
Если вес полностью погруженного в воду тела точно равен весу вытесненной при этом воды, то тело приобретает способность как бы висеть на любой глубине. Если же вес погруженного тела окажется больше веса вытесненной воды, то оно будет непрерывно и стремительно погружаться на все большую глубину и, наконец, упадет на дно. На этом основана способность подводных лодок погружаться под воду, держаться и передвигаться под водой, уходить на большую глубину. Для изменения веса у них служат балластные цистерны.
В нижней части корпуса подводной лодки расположены клапаны — кингстоны. Они есть и у надводных судов. Когда подводной лодке необходимо погрузиться, их открывают — и буквально за секунды в балластные цистерны врываются сотни тонн забортной воды. В это же время в цистернах открываются клапаны для выпуска воздуха, чтобы он не помешал заполнению. Подводная лодка тяжелеет и погружается. Ее водоизмещение увеличилось и стало «подводным». В этом особенность таких судов: у них два водоизмещения — надводное и подводное. Объем главных балластных цистерн так и рассчитан, чтобы при их заполнении подводный корабль погружался бы почти полностью. Стоит теперь заполнить еще одну, особую цистерну — ее называют цистерной быстрого погружения — и вес подводной лодки окажется больше веса вытесненной воды, она начнет очень быстро погружаться.
Казалось бы, способность держаться на воде, основанная на законе Архимеда, полностью обеспечивает кораблю необходимую плавучесть. Однако это не так.Основное свойство корабля — способность держаться на воде с допускаемым полным грузом и сохранять при этом заданный уровень осадки корпуса. Это плавучесть корабля. Если он перегружен, то начинает терять плавучесть — корпус его погружается глубже.
Перед нами игрушка — ванька-встанька. Сколько бы вы ни наклоняли ее, все равно она выпрямится. Корабль в большой степени обладает такой же способностью (когда в нем нет пробоин). В море корпус его наклоняется то на правый, то на левый борт, то на нос, то на корму (наклон на борт называется креном, а на нос или корму — дифферентом). Но каждый раз он снова принимает нормальное положение.
Это свойство судна называется остойчивостью. Если бы судно не обладало таким качеством, то любая причина, вызвавшая крен, привела бы к опрокидыванию корабля. Вода проникла бы внутрь, и гибель судна была бы неизбежна.
Тяжесть воды, ворвавшейся в корпус корабля через пробоину, также может наклонить его на борт, «зарыть» его в воду носом или кормой или одновременно сообщить ему и крен и дифферент. Все зависит от места, где образовалась пробоина. При этом быстро теряются и плавучесть и остойчивость.
Обеспечение необходимой остойчивости — важнейшая задача конструкторов при проектировании судна. Зависит остойчивость от расположения центра тяжести судна. Чем он ниже, тем больше остойчивость. Поэтому груженые суда, у которых центр тяжести ниже, устойчивее порожних, которым приходится брать балласт для повышения остойчивости. Но остойчивость меняется также в зависимости от величины груза и его размещения.
Русские ученые первые в мире разработали средства для придания кораблям третьего важнейшего качества — непотопляемости, т. е. способности держаться на воде, несмотря на частичную потерю плавучести или остойчивости. Начал эти работы С. О. Макаров, выдающийся русский флотоводец. Он создал стройную систему водоотливного и осушительного оборудования корабля. По всей длине второго днища укладывались две трубы: отливная, с диаметром немного больше 25 см, и осушительная, с диаметром 127 см. Они имели отводы во все помещения корабля и соединялись с мощными насосами (помпами). Стало возможным быстро освобождать от воды или затоплять пространство между обоими днищами или любой отсек корабля. Благодаря этому, если появлялась необходимость, можно было увеличить или уменьшить глубину осадки корабля, увеличить или уменьшить его крен или дифферент. Если, например, корабль, получив пробоину, сильно накренялся, можно было быстро затопить противоположные отсеки и таким образом не дать ему опрокинуться.
Но это еще не все! Задача заключалась и в том, чтобы заранее правильно выбрать место для приложения этой силы, точно выбрать отсек или несколько отсеков для затопления при пробоине. Ведь во время аварии или боя каждая минута на счету и ошибка может оказаться роковой. И здесь на помощь С. О. Макарову пришел выдающийся ученый А. Н. Крылов. Он разработал специальные таблицы. Если корабль получил пробоину в определенной части корпуса, таблицы быстро и точно отвечали, останется ли судно «на плаву», потонет или опрокинется. Они также определяли, какое положение примет корабль, если он останется на поверхности моря, можно ли выровнять корабль и какие именно отсеки надо затопить для этого.
Пользование таблицами оказалось настолько простым, что инженеру-механику корабля достаточно проделать обыкновенные арифметические действия — и точное решение важнейшей задачи готово!