آشنایی با شناور و زیر سطحی

آشنایی با ربات­های سطحی و زیرسطحی

در این مقاله سعی شده است تا بتوان معرفی اجمالی را نسبت به معرفی ربات­های زیرسطحی و روسطحی داشته باشیم و موارد استفاده از آنها و همچنین وسایلی که بر روی آنها نصب می­گردد نیز به صورت مختصر توضیح دهیم.

ربات­های زیر سطحی

امروزه استفاده از رباتهای زیر سطحی ( UUV ) در بسیاری از صنایع دریایی به طور چشمگیری در حال افزایش است. به طور کلی این ربات­ها به دودسته ROV و AUV تقسیم می­گردند که هر کدام کاربری، مزایا و محدودیت­های ویژه­ای دارند. تفاوت اصلی این دو دسته در هوشمندی آن­ها می­باشد بدین صورت که AUVها به صورت کاملاً هوشمند عمل می­نمایند و از سوی دیگر ROVها با استفاده از لینک ارتباطی (کابل،فیبرنوری و …) توسط انسان کنترل می­گردند. این تجهیزات امکان انجام عملیات هیدروگرافی، بازرسی­های زیرسطحی، انجام مطالعات نقشه برداری،نظارت و کنترل عملیات زیرسطحی و … را فراهم می­آورند. از این تجهیزات در صنایع مختلف از قبیل فراساحل، بنادر، شیلات، جست­وجو و نجات و … استفاده می­گردد و متناسب با نیاز کاربر مجهز به ابزار و سنسورهای گوناگون می­گردند.

کاربردها

  • هیدروگرافی
  • انجام عملیات شناسایی
  • بازرسی خطوط لوله
  • انجام بازرسی ، پایش و نمونه برداری زیست محیطی
  • انجام عمیات جست و جو و نجات
  • انجام مطالعات، نقشه برداری و نمونه برداری علمی
جدول 1:تجهیزات قابل نصب بر روی انواع زیرسطحی¬ها

جدول ۱:تجهیزات قابل نصب بر روی انواع زیرسطحی¬ها

شناور هوشمند

شناور بدون سرنشین یا هوشمند ، شناوری است که به صورت کنترل از راه دور یا خود کنترل قادر به انجام ماموریت­های سخت و دشوار با دقت زیاد می باشد. قابلیت کنترل از راه دور به صورت هوشمند، باعث کاهش هزینه ومخاطرات و افزایش توانمندی در اجرای فعالیت های گوناگون از قبیل پایش کیفیت آب، پایش الودگی )نفت و موادشیمیایی(، بازرسی و ویدیوم ری بنادر( ISR )هیدروگرافی و …از جمله مزایای استفاده از این شناورها می باشد.

موارد استفاده

الف) سواحل و دریاچه­ها

ب) کانالها و رودخانه­ها

ج) مخازن و دریاچه پشت سدها

د) بنادر

ه) اطراف سازه های فراساحلی

کاربری

الف) هیدورگرافی

ب) پایش واندازه­گیری کیفیت آب

ج) پایش آلودگی

د) بازرسی و فیلم برداری سطحی

ه) بازرسی­های زیست محیطی

و) عملیات شناسایی

ز) جستجوی اجسام مغروق

ویژگی ها

الف) قابلیت نصب انواع تجهیزات برحسب ماموریت

ب) سرعت عمل و دقت در اجرای ماموریت

ج) قابلیت حمل آسان

د) قابلیت کنترل و کاربری آسان

ه) پایداری و ثبات بسیار زیاد در شرایط نامساعد جوی

و) قابل استفاده در آب­های کم عمق و عمیق

ز) ارسال اطلاعات به ایستگاه ساحلی

جدول2:سیستم¬های کنترلی

جدول۲:سیستم¬های کنترلی

انواع مدل شناور

شناورهای هوشمند پایش کیفیت آب (Q-SSC)

بـا توجـه بـه اهمیـت و الزامـات موجـود بـرای کنترل و پایـش کیفیـت آب مخـازن و دریاچـه پشـت سـدها میتـوان بـا نصـب سنسـورهای مخصـوص کنترل کیفیـت آب بـر روی شـناور، بـه صـورت دوره­ای و برنامـه ریـزی شـده ایـن دریاچـه هـا را بـه صـورت آنلاین پایـش نمود. همچنیـن سـامانه نمونه­بردار عمقـی، امـکان نمونه­بـرداری و تسـت آن در آزمایشـگاه را فراهـم مـی­آورد.

شناورهای هوشمند هیدروگرافی (H-SSC)

بـا توجـه بـه گسـرده­تر شـدن فعالیت­ها در مناطـق آبـی، امـروزه نیـاز بـه نقشـه بـرداری دریایـی بیـش از پیـش احسـاس می شـود. ایـن شـناور بـا مجهـز شـدن بـه انـواع تجهیـزات هیدروگرافـی، می­توان بـه سهولت و بـا دقت بسیار زیاد در بنادر، اطراف سکوهای نفتـی، دریاچه­ها و رودخانه­ها از بسر دریـا نقشه تهیه نماید.

شناورهای هوشمند امنیت بنادر (M-SSC)

از اینگونه شناورها در تامین امنیت بنـادر بـه دلیـل قابلیت کنترل از راه دور و یـا کاملا هوشمند بـودن و عـدم حضور نیروی انسانی بـر روی آن میتوان بـه منظـور بازرسی­های مختلف و عملیات­های شناسایی اسـفاده نمود. همچنیـن ایـن شناور قابلیت نصب سامانه حمل و هدایت انـواع زیرسطحی­ها از قبیل ROV و AUV را دارا می­باشد.

شناورهای هوشمند در حوزه نفت و گاز(O-SSC)

فعالیت در صنعت فراساحل به مراتب پیچیدگی و دشواری های خاص خود را در مقایسه با خشکی دارد که از جمله می توان به هزینه های نگهداری، استاندارهای زیست محیطی سخت گیرانه، مقررات ایمنی (HSE)، هزینه های جا به جایی، ریسک های عملیاتی و از این دست اشاره کرد.

از ایـن شناور می­تـوان بـرای بازرسی خطوط لوله­نفتـی و بازرسی سکوهای نفتی اسـتفاده نمود.همچنیـن ایـن شناور قابلیـت شناسایی آلودگی­های نفتی و شیمیایی را دارا می­باشد.

جدول3: شناورهای هوشمند متناسب با ماموریت، قابلیت مجهزشدن به انواع سنسورها و تجهیزات را دارا می باشد.

جدول۳: شناورهای هوشمند متناسب با ماموریت، قابلیت مجهزشدن به انواع سنسورها و تجهیزات را دارا می باشد.

*دایره­های سبز یعنی این ابزار را دارا می­باشد.

*دایره­های زرد یعنی می­توانید به صورت اختیاری بر روی ان نصب کنید.

اجسام با خاصیت­های مختلف چه رفتاری در آب دارند؟؟

اولین سوالی که در ذهن هر فرد درباره زیردریایی­ها و کشتی­ها شکا می­گیرد این است که،چگونه یک جسم می­تواند ددر سطح آب شناور بماند؟؟

جواب این سوال در اصل ارشمیدسش نهفته است.با توجه به این اصل امروزه بشر موفق به ساخت سازه­های فولادی بزرگ شناور بر سطح آب مانند کشتی­ها،ناوهای بزرگ هواپیمابر،زیردریایی و…شده است.

در حالی که وزن این سازه­ها در حد چندصدبرابر خانه­ای که هم اکنون در آن زندگی می­کنیم و یا مدرسه و یا دانشگاهی است که در آن هستیم.

اصل ارشمیدس

اصل ارشمیدس اصلی در فیزیک است که بیان می‌کند نیروی شناوری رو به بالای وارد بر جسمی که در یک مایع (یا گاز) فرو می‌رود، با وزن مقداری از مایع که بر اثر فرورفتن جسم جابه‌جا شده است برابر است.

این اصل نخستین بار توسط ریاضی‌دان و مخترع یونانی ارشمیدس مطرح شد. نیروی شناوری ایجادشده از اثرات جانبی نیروی گرانش است.

اصل ارشمیدس را به طور تجربی با یک مثال می توان بررسی کرد.

شکل زیر یک جسم فلزی آویزان شده به یک نیروسنج را نشان می دهد که وزن آن ۱۰ نیوتون است. وقتی این جسم مطابق شکل ب به طور کامل درون آب قرار می گیرد، نیروسنج عدد ۶ نیوتون را نشان می دهد. در واقع این کاهش ۴ نیوتونی عددی که نیروسنج نشان می دهد، ناشی از نیروی شناوری است که از طرف شاره به جسم وارد شده است.

اگر مطابق شکل پ ظرف لبریز از آب باشد، با قرار دادن جسم در آن آبی به وزن ۴ نیوتون در ظرف دیگر می ریزد. با توجه به این مثال، اصل ارشمیدس را می توان به صورت زیر بیان کرد:

وقتی تمام یا قسمتی از یک جسم در شاره ای فرو رود، شاره نیرویی بالاسو بر آن وارد می کند که با وزن شاره جابه جا شده توسط جسم برابر است.

اگر مانند شکل زیر جسمی مکعبی شکل به ضلع L را در نظر بگیرید که درون شاره ساکنی با چگالی ρ  غوطه ور است.

نیروهای افقی وارد بر مکعب یکدیگر را خنثی می کنند در حالی که برای نیروهای عمودی با توجه بیشتر بودن فشار آب در سطح پایینی نسبت به بالایی داریم :

h1 ارتفاع شاره از سطح آزاد مایع تا سطح بالایی جسم است و h2 ارتفاع شاره از سطح آزاد تا سطح پایینی جسم است. که اختلاف این دو برابر L ضلع معکب است.

که در رابطه بالا Fb نیروی شناوری ارشمیدس می باشد که به سمت بالا به جسم وارد می شود. V حجم شاره ای است که جسم آن را جابه جا کرده است. در واقع حجم جسم غوطه ور، برابر حجم شاره جابه جا شده است.

پرسش های مفهومی از اصل ارشمیدس

پرسش ۱:

 در شکل روبرو، نیروی شناوری Fb و نیروی وزن W وارد بر چند جسم نشان داده شده است. با توجه به نیروی خالص وارد بر هر جسم، وضعیت آن را به کمک یکی از واژه های شناوری، غوطه وری، فرورفتن و بالارفتن توصیف کنید.

پاسخ پرسش ۱:

برای بادکنک داریم Fb>W بنابراین بادکنک بالا می رود.

برای قطعه چوب داریم Fb=W بنابراین قطه چوب روی آب شناور می ماند.

برای قطعه فلزی بزرگتر داریم Fb<W بنابراین قطعه پایین می رود و به کف ظرف می رسد.

برای قطعه فلزی کوچک داریم Fb=W بنابراین قطعه در آب غوطه ور می ماند.

پرسش ۲:

شکل زیر ظرفی محتوی آب را نشان می دهد که روی یک ترازوی عقربه ای قرار دارد. شخصی انگشت خود را وارد آب می کند. توضیح دهید عقربه ترازو چه تغییری می کند.

پاسخ پرسش ۲:

با فرو رفتن انگشت در آب، حجمی از آب جابه جا شده و به انگشت نیروی شناوری به سمت بالا وارد می شود. طبق قانون سوم نیوتون نیروی واکنش نیروی شناوری وارد بر دست به کف ترازو وارد می شود و موجب می شود ترازو عدد بیشتری را نشان دهد.

پرسش ۳:

جرم قطعه های آهنی در شکل زیر با یکدیگر برابر است. دریافت خود را از این شکل بیان کنید.

پاسخ پرسش ۳:

 با تغییر شکل یک قطعه می توان حجم شاره جابه جا شده را افزایش داد. وقتی جسم به صورت مکعب است، حجم کمتری نسبت به حالت دیگر، از شاره را جابه جا می کند. بنابراین Fb<W و مکعب در شاره فرو می رود. و در حالت دیگر حجم شاره جابه جا شده بیشتر است و خواهیم داشت Fb=W یعنی جسم شناور می ماند.

پرسش ۴:

یک قطعه چوبی را روی آب درون ظرفی قرار می دهیم. یک وزنه آهنی را یک بار روی چوب قرار می دهیم (شکل الف) و بار دیگر از زیر چوب آویزان می کنیم (شکل ب). در کدام حالت، چوب بیشتر فرو می رود؟

پاسخ پرسش ۴:

در حالت الف قطعه چوب بیشتر فرو می رود. در شکل ب چون قطعه آهنی هم در شاره فرو می رود، شاره بیشتری نسبت به شکل الف جابه جا می شود. بنابراین نیروی شناوری در شکل ب بیشتر از شکل الف است. و موجب می شود چوب در شکل ب بالاتر قرار گیرد.