Los objetos menos densos que el agua flotan en la misma. En la medida que su densidad va aumentando, se van sumergiendo hasta una profundidad en la que se equilibran el empuje que ejerce el agua sobre elllos y su propio peso.
Si la densidad del agua fuera constante, a una profundidad cualquiera, el objeto flotaría, se hundiría o se podría situar fácilmente en cualquier punto del interior de la masa líquida, si su densidad fuese idéntica a la del agua, pero esto no es así. La densidad del agua varía con dos factores: la temperatura y la presión
La densidad del agua disminuye en la medida que aumenta la temperatura. Por otra parte, la densidad aumenta a medida que se hace mayor la presión a que está sometida, comprimiéndose.
A medida que aumenta la profundidad a la que nos sumergimos en una masa de agua la presión del fluido aumenta. Ello es debido a que la columna de agua que se encuentra sobre ese punto tiene una masa y, por tanto, un peso en función de su altura. Al aumentar la presión en el fluido su densidad aumenta más o menos, en función de la compresibilidad del mismo.
Para el caso del agua la compresibilidad es igual a:
K = 0,05 (1/Mega Pascal)
Lo que significa que con una presión de un millón de pascales el volumen varia en un 5 % (Este valor de compresibilidad es para el agua sometida a la presión atmosférica). Hemos de tener en cuenta que la compresibilidad varía para distintas presiones y temperaturas.
Cabe recordar que 1 Pascal (N/m²) = 10-5 Bares = 0,987×10-5 Atmósferas.
Con este valor de compresibilidad se puede hacer un cálculo de la variación de la densidad con la profundidad del agua, tal como se muestra en la tabla siguiente.
Para un volumen de 5.000 Cm3 (5 litros), la diferencia de empuje, debida a la profundidad, entre la superficie y 60 Cm de profundidad es de 0,288923 gramos. Si el volumen del submarino es de 50 metros cúbicos (Sería el volumen de un cilindro de 10 metros de largo y 2,5 metros de diámetro) la diferencia de empuje, en estas circunstancias, sería de 2.889 gramos.
Se tiene que tener en cuenta que cuando aumenta la profundidad no sólo se incrementa la densidad del agua, sinó que también se comprime el casco cel submarino, disminuyendo su volumen. Uno de estos factores ayuda a que el empuje que ejerce el agua sea mayor, el otro tiendo a disminuirlo. Monturiol estudio el efecto de la disminución de volumen del casco para la contrucción de sus Ictíneos.
A continuación se puede ver una tabla que muestra los valores de la densidad del agua, en función de su temperatura.
La densidad del agua a 50 grados es de 0,98806. La densidad del agua a 60 grados es de 0,9832. La densidad a 50 grados es 0,98806 /0,9832 = 1,00494 la de 60 grados. Es decir que la densidad ha disminuido un 0,494 por ciento, o sea el volumen ha aumentado un 0,494 por ciento.
A continuación se muestran unos dibujos que muestran el esquema para la construcción de un minisubmarino.
El cuerpo cilíndrico del submarino está dividido en varios cuerpos. El delantero tiene forma cónica y alberga dos sensores de proximidad, de infrarrojos o ultrasonidos. El cuerpo posterior alberga la hélice con su motor y el timón de dirección. Más hacia el interior se encuentran dos depósitos que aseguran la flotabilidad del submarino. Llenando o vaciando estos depósitos de agua se puede conseguir mantener la nave en un equilibrio horizontal y sumergirla hasta la profundidad deseada. Estos dos depósitos se mantienen sin variación durante la operación de la nave, para conseguir que suba y baje dentro del agua, se utilizan otros depósitos auxiliares más pequeños. Estos pequeños depósitos pueden ser simples jeringuillas accionadas mediante un motor eléctrico.
Estos depósitos auxiliares y la parte eléctrica, es decir, la batería y el conjunto de microcontrolador y drivers de potencia para controlar los motores, se encuentran situados en los dos cuerpos centrales.
El microcontrolador se encuentra situado encima de la batería para conseguir un centro de gravedad bajo e impedir que la nave tenga tendencia a volcar.
Para mover la hélice se utiliza también un servo utilizado como motor de corriente continua con reducción de engranajes. El manejo del timón de dirección también se puede realizar con un servo, que aquí no está representado.
En el dibujo anterior se puede ver el mecanismo que mueve, mediante un servomotor de giro contínuo, cuatro jeringuillas, de forma que se llenen o vacíen de agua, aumentando o disminuyendo la masa y, por tanto, la flotabilidad del minisubmarino. Los pistones de las jeringuillas están unidos a una placa que lleva insertada una tuerca en la que entra una varilla roscada unida al eje del servomotor. Al girar el servomotor hace girar la varilla roscada y desplaza los pistones de las jeringuillas hacia adelante y hacia atrás. En el dibujo no se han representado unos finales de carrera que indiquen las dos posiciones extremas de los pistones.
Como depósito auxiliar se puede utilizar un conjunto de pequeños depósitos en los que se deja entrar agua del exterior, o se la expulsa, utilizando aire omprimido. Una electroválvula permite el paso del depósito de aire hacia los depósitos auxiliares, expulsando el agua y otra permite que el aire de los depósitos auxiliares se escape dejando entrar el agua del exterior.
Para conseguir una estabilidad transversal se han de situar los elementos más pesados en el fondo de los cuerpos cilíndricos del submarino.
Para automatizar toda la operación del submarino se utiliza un microcontrolador en el que se carga el programa que realiza la secuencia de operaciones deseadas. Para poder realizar esto de forma correcta se ha de tener en cuenta la información de los diferentes sensores, los dos delanteros que avisan de la presencia de un obstáculo, el sensor de nivel, los sensores finales de carrera que detectan las dos posiciones de las jeringuillas, sensores de profundidad, etc. El microcontrolador controla los motores a través de unos drivers de potencia. El esquema eléctrico es el siguiente.
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