¿Cómo funcionan los submarinos? (página 2)

Comúnmente, por «submarino» se entiende un
buque que funciona en la superficie y bajo el agua por sí
mismo. Los buques subacuáticos con movilidad limitada,
destinados a permanecer en el mismo lugar durante la mayor parte
de su tiempo de uso, como los usados para rescate,
investigación o salvamento, suelen denominarse
sumergibles. Los sumergibles suelen ser llevados a su zona de
operación por barcos comunes o grandes submarinos y tienen
una autonomía muy pequeña. Muchos sumergibles
funcionan conectados por un «cordón umbilical»
a un buque nodriza (submarino, buque de superficie o plataforma)
que les suministra aire y electricidad.

Las batisferas son sumergibles que carecen de sistema de
propulsión y se usan para inmersiones muy profundas. Un
predecesor de la batisfera, la campana submarina,
consistía en una cámara con el fondo abierto que se
hacía bajar en el agua. Los batiscafos son sumergibles
autopropulsados para inmersiones muy profundas que dependen de un
barco nodriza en la superficie.

Un desarrollo bastante reciente son los
pequeños sumergibles operados por control remoto, usados
para trabajos en aguas demasiados profundas o peligrosas para los
buceadores, por ejemplo, en la reparación de tipo y
así es mejor que los demás submarinos.

Submarinos militares

Hay muchos más submarinos militares
que civiles en funcionamiento. Los submarinos son muy
útiles desde el punto de vista militar por ser
difíciles de detectar y destruir cuando navegan a gran
profundidad.

Se presta mucha atención en el
diseño de estos submarinos para que al desplazarse lo
hagan silenciosamente y eviten su detección: el sonido
viaja en el agua mucho más fácilmente que en el
aire, por lo que el sonido de un submarino es su
característica más fácilmente detectable.
Algunos submarinos ocultan su sonido tan bien que en realidad
crean una zona silenciosa a su alrededor, que también
puede detectarse.

Inmersión y
navegación

Todos los barcos, así como los
submarinos en superficie, están en situación de
flotación positiva, pesando menos que el volumen
equivalente de agua desplazada (de acuerdo con el principio de
Arquímedes).

Para sumergirse hidrostáticamente
(sin ayuda mecánica), un buque debe ganar flotación
neutral (peso igual a empuje), bien incrementando su propio peso
o disminuyendo el desplazamiento de agua (volumen).

Para controlar su peso, los submarinos
están equipados con tanques de lastre, que pueden llenarse
con agua tomada del exterior o aire a presión.

Para sumergirse o emerger, los submarinos
usan los tanques de proa y popa, llamados tanques principales,
que se abren y se llenan completamente de agua para sumergirse o
se llenan de aire a presión para emerger. Durante la
inmersión, los tanques principales suelen permanecer
inundados, lo que simplifica su diseño, por lo que en
muchos submarinos estos tanques son simplemente una
sección del espacio entre los cascos. Para un control
manual más rápido y preciso de la profundidad, los
submarinos disponen de unos tanques de control de profundidad
más pequeños, capaces de soportar presiones
más altas. La cantidad de agua en estos tanques puede
controlarse tanto para responder a cambios en las condiciones
exteriores como para cambiar la profundidad de inmersión.
Dichos tanques pueden situarse cerca del centro de
gravedad del submarino, o distribuirse por el buque para evitar
afectar a la escora.

En inmersión, la presión del
agua sobre el casco del submarino puede alcanzar los 3 MPa en los
submarinos de acero y hasta los 10 MPa en los de titanio, como
los Komsomolets, permaneciendo constante la presión
interior. Esta diferencia provoca la compresión del casco,
lo que disminuye el desplazamiento. La densidad del agua
también se incrementa, pues la salinidad y la
presión son mayores, pero esto no compensa la
compresión del casco, así que la flotabilidad
disminuye con la profundidad.

Un submarino sumergido está en
equilibrio inestable, teniendo tendencia a caer hacia el
fondo o flotar hacia la superficie. Mantener una profundidad fija
exige la operación continua de los tanques de control de
profundidad.

Para mantener la escora deseada, los
submarinos usan tanques de escora especializados a proa y popa.
Las bombas trasladan agua entre ellos, cambiando la
distribución del peso y creando así un momento que
gira el buque hacia arriba o hacia abajo. Un sistema parecido se
usa a veces para mantener la estabilidad.

El efecto hidrostático de los
tanques de lastre variable no es la única forma de
controlar el submarino bajo el agua. La maniobra
hidrodinámica se logra mediante varias superficies, que
pueden ser giradas para crear las correspondientes fuerzas
hidrodinámicas cuando el submarino se desplaza a la
suficiente velocidad. Los planos de popa, situados cerca del
propulsor y orientados por lo general horizontalmente, sirven
para el control de la inclinación longitudinal del
submarino, y son de uso común, a diferencia de otras
superficies de control de las que pueden carecer algunos
submarinos. Los planos de inclinación en la torreta y los
de popa en el cuerpo principal, ambos también
horizontales, se sitúan más cerca del centro de
gravedad y son utilizados para controlar la profundidad con menos
efecto sobre la inclinación.

Cuando un submarino realiza una
emersión de emergencia, se usan simultáneamente
todos los métodos de control de la profundidad y la escora
para propulsar al buque hacia arriba.

Dicha emersión es muy rápida,
por lo que el submarino puede incluso saltar parcialmente fuera
del agua.

Los submarinos modernos tienen un
sistema de guía inercial para navegar bajo el agua,
pero el error de deriva se acumula inevitablemente con el
tiempo.

Para contrarrestarlo, se usa
periódicamente el GPS para obtener una
posición exacta. El periscopio (un tubo
retráctil con prismas que permite ver sobre la
superficie sin emerger) sólo se usa ocasionalmente, debido
a que su rango de visibilidad es corto. Los submarinos modernos
tienen «mástiles optrónicos» en lugar
de periscopios de tubo ópticos que penetran en el casco.
Estos mástiles tienen que seguir subiéndose a la
superficie, pero emplean sensores electrónicos para la luz
visible y la infrarroja, telémetro láser y
dispositivos de vigilancia electromagnética.

Cascos

El HMS Astute en su
presentación. Puede verse el casco con la forma
típica ahusada.

Los submarinos modernos suelen tener forma
ahusada. Este diseño, usado ya en los submarinos
más primitivos, se inspiró en el cuerpo de las
ballenas y reduce significativamente el arrastre
hidrodinámico sobre el submarino bajo el agua, pero
empeora su comportamiento frente al oleaje e incrementa el
arrastre en superficie. Dado que las limitaciones de los sistemas
de propulsión en los primeros submarinos militares le
obligaban a operar en superficie la mayoría del tiempo, el
diseño de sus cascos era un compromiso. Debido a las bajas
velocidades subacuáticas de estos submarinos, normalmente
muy por debajo de 10 kt (18 km/h), el mayor arrastre bajo el agua
se consideraba aceptable. Sólo al final de la Segunda
Guerra Mundial, cuando la tecnología permitió
operaciones submarinas más rápidas y prolongadas y
la mayor vigilancia aérea enemiga obligó a los
submarinos a permanecer sumergidos, volvieron los diseños
de los cascos a tener forma ahusada, reduciendo el arrastre y el
ruido. En los submarinos militares modernos, el casco exterior
está recubierto por una gruesa capa de goma especial o
placas anecoicas para absorber el sonido y hacer más
silencioso el submarino.

Una torreta, llamada vela, que sobresale en la parte alta del
submarino alberga los periscopios y los mástiles
electrónicos, que pueden incluir radio, radar, armas
electrónicas y otros sistemas. En muchas clases primitivas
de submarinos, la sala de mando se ubicaba en esta torreta,
conocida como «torre de control». Sin embargo, desde
entonces la sala de mando se ha ubicado dentro del casco del
submarino. No debe confundirse dicha sala con el
«puente», que es una pequeña plataforma
abierta situada en lo alto de la vela y usada para observaciones
oculares mientras se opera en superficie. Puede haber
también una plataforma cerrada adicional bajo ésta
con ventanas y limpiaparabrisas para el mal tiempo.

Doble
casco

Todos los submarinos y sumergibles modernos
pequeños, así como los más antiguos, tienen
un único casco.

Los submarinos grandes suelen tener un
casco adicional externo, o partes de éste. Este casco
externo, que en realidad constituye la forma del submarino, se
denomina casco exterior o casco ligero, pues no tiene que
soportar ninguna diferencia de presión. Dentro del casco
exterior hay un casco más fuerte o casco de
presión, que soporta la diferencia entre la presión
del mar y la atmosférica normal del interior.

Aunque ya no son necesarios por la
diferencia de formas, el diseño de doble casco sigue
teniendo cierto número de ventajas. Los refuerzos anulares
y longitudinales se ubican entre los dos cascos, y el ligero
también puede ser usado para montar en él el
equipamiento que no necesite una presión constante para
funcionar, mientras que adosarlo directamente al casco de
presión podría provocar una fatiga local peligrosa.
Estas medidas ahorran mucho espacio dentro del casco de
presión, que es mucho más pesado y requiere mucho
más tiempo de fabricación que el ligero. En caso de
que el submarino resulte dañado, el casco de
presión puede absorber la mayoría de los
daños, lo que no compromete la integridad del buque,
siempre que el casco fuerte permanezca intacto. El casco ligero
también puede ser aislado acústicamente del casco
de presión, reduciendo significativamente el ruido del
equipamiento interno, mejorando la capacidad de camuflaje o
permitiendo el uso de una disposición interna y un montaje
del equipamiento más simples.

La mayor desventaja de la estructura de
doble casco es la cantidad significativamente mayor de trabajo
manual necesario para construirla. La Unión
Soviética había desarrollado la tecnología
de soldadura antes y tenía una fuerza de trabajo
cualificada y barata disponible, pero el alto coste del trabajo
manual en los Estados Unidos hacía preferible el menos
caro diseño de casco simple. Otra razón para la
construcción de submarinos de doble casco por parte de la
Unión Soviética era la operación bajo el
Océano Ártico, donde los submarinos tenían
que romper una capa de grueso hielo al emerger para disparar los
misiles, lo que siempre podía dañar el casco. Sin
embargo, el diseño de doble casco está siendo
actualmente considerado para futuros submarinos también en
los Estados Unidos, de forma que se incremente la capacidad de
carga y camuflaje y la autonomía.

Casco de
presión

El casco de presión suele
construirse con acero grueso de alta resistencia con una
estructura compleja y alta reserva de resistencia, y se divide
con mamparos herméticos en varios compartimentos. Existen
también ejemplos de submarinos con más de dos
cascos, como son los de la clase Typhoon, que cuentan con dos
cascos de presión principales y otros tres más
pequeños para la sala de control, los torpedos y el
mecanismo de dirección, situándose el sistema de
lanzamiento de misiles entre los dos cascos
principales.

La profundidad de inmersión
máxima no puede incrementarse
fácilmente.

Limitarse a incrementar el grosor del casco
provoca un aumento del peso y requiere la reducción del
peso del equipo de a bordo, lo que termina llevando a un
batiscafo. Esto puede hacerse en los sumergibles civiles de
investigación pero no en los submarinos militares, de
forma que la profundidad de inmersión máxima ha
estado siempre limitada por la tecnología
disponible.

La tarea de construir un casco de
presión es muy compleja, pues debe poder soportar una
fuerza de varios millones de toneladas. Cuando el casco es
perfectamente redondo en su sección transversal la
presión se distribuye uniformemente, lo que sólo
provoca la compresión del casco. Si la forma no es
perfecta, el casco se curva, sufriendo varios puntos una
presión altísima. Las inevitables desviaciones
menores son soportadas por los anillos de refuerzo, pero incluso
una desviación de 25 mm respecto a la forma circular
provoca un decremento del 30% de la carga hidrostática
máxima y consecuentemente de la profundidad de
inmersión máxima. El casco debe por tanto ser
construido con una precisión altísima. Todas las
partes del mismo tienen que ser soldadas sin defectos, y todas
las uniones deben ser comprobadas varias veces usando diferentes
métodos. Esto contribuye a los elevadísimos costes
de fabricación de los submarinos modernos (por ejemplo, un
submarino de ataque de clase Virginia cuesta unos 2.600 millones
de dólares).

Propulsión

El primer submarino impulsado
mecánicamente fue el francés Plongeur (1863), que
usaba aire comprimido, siendo la propulsión
anaeróbica empleada por primera vez en el español
Ictíneo II (1864) sufragado por suscripción
popular. El motor de este último usaba un compuesto
químico de magnesio, peróxido, zinc y clorato
potásico que genera vapor con que mover la hélice y
oxígeno para los tripulantes. Este sistema no
volvió a ser empleado hasta 1940, cuando la armada alemana
probó la turbina Walter en el submarino experimental V-80
y más tarde en el U-791.

Hasta la llegada de la propulsión nuclear marina, la
mayoría de los submarinos del siglo XX usaron
baterías eléctricas para la navegación
subacuática y motores de combustión interna para la
de superficie y para recargar las baterías. Los primeros
modelos usaban gasolina pero pronto se sustituyó por
parafina y luego gasóleo gracias a su menor
inflamabilidad. La combinación diesel-eléctrico se
convertiría en el medio de propulsión
estándar. Inicialmente el motor diesel o gasolina y el
eléctrico, separados por embragues, estaban en el mismo
eje e impulsaban el propulsor. Esto permitía que el
primero usase al segundo como generador para recargar las
baterías e impulsar también al submarino si era
necesario. Cuando el submarino se sumergía, se
desembragaba el motor diesel de forma que se usase el
eléctrico para girar la hélice.

El motor eléctrico puede tener más de un
inducido sobre el eje, estando eléctricamente acoplados en
serie para velocidades bajas y en paralelo para velocidades
altas.

En los años 1930, el anterior diseño fue
modificado en algunos submarinos, particularmente en los
estadounidenses y británicos de clase U. El motor de
combustión interna ya no estaba unido al eje de
propulsión, sino que impulsaba un generador separado, que
a su vez se usaba para navegar en superficie y recargar las
baterías. Esta propulsión diesel-eléctrica
permitía mucha mayor flexibilidad: por ejemplo, el
submarino podía moverse despacio mientras los motores
funcionaban a toda potencia para recargar las baterías lo
más rápidamente posible, reduciendo así el
tiempo en la superficie o el uso del snorkel. También
hacía posible aislar los ruidosos motores diesel del
casco, haciendo más silencioso el submarino.

Se probaron otras fuentes de energía: turbinas de vapor
alimentadas por petróleo impulsaron la clase K
británica construida durante la Primera Guerra Mundial y
en los años siguientes, pero no tuvieron mucho
éxito. Se eligieron las turbinas para darles la velocidad
en superficie necesaria para seguir a la flota de guerra
británica. Los submarinos de tipo XXI alemanes probaron la
aplicación del peróxido de hidrogeno para conseguir
una propulsión rápida e independiente del aire en
el largo plazo, pero finalmente fueron construidos con enormes
baterías en su lugar.

La propulsión a vapor fue resucitada en los años
1950 con la llegada de la turbina de vapor alimentada por
energía nuclear que impulsaba un generador. Al eliminar la
necesidad de oxígeno atmosférico estos submarinos
podían permanecer sumergidos indefinidamente siempre y
cuando durasen las reservas de alimento (el aire para la
tripulación se recicla y el agua dulce se obtiene por
destilación de la marina). Estos buques siempre tienen una
pequeña batería y un motor-generador diesel para
situaciones de emergencia si los reactores nucleares deben ser
detenidos.

La energía nuclear se usa
actualmente en todos los submarinos grandes, pero debido a su
alto coste y gran tamaño, los submarinos más
pequeños siguen usando propulsión
diesel-eléctrica. La relación entre buques de
tamaño grande y pequeño depende de las necesidades
estratégicas y, por ejemplo, la armada estadounidense
cuenta sólo con submarinos nucleares,4
lo que suele explicarse por la necesidad de operar
transoceánicamente. Otras potencias militares cuentan con
submarinos nucleares para fines estratégicos y buques
diesel-eléctricos para las necesidades de defensa. La
mayoría de las flotas carecen de submarinos nucleares
debido a la poca disponibilidad de la tecnología nuclear y
submarina. Los submarinos civiles suelen disponer sólo de
baterías eléctricas si se diseñan para
funcionar conectados a un barco nodriza.

Un posible sistema de propulsión
para submarinos es la propulsión magneto
hidrodinámica o «propulsión oruga», que
carece de partes móviles.

Fue popularizada por la versión
cinematográfica de La caza del Octubre
Rojo, escrita por Tom Clancy, que la presentaba como un sistema
virtualmente silencioso. (En la novela se usaba un tipo de
propulsor convencional.) Aunque se han construido algunos barcos
de superficie experimentales con este sistema de
propulsión, las velocidades logradas no han sido tan altas
como se esperaba. Además, el ruido creado por las burbujas
y el elevado consumo energético que requeriría del
reactor del submarino hacen que su uso sea improbable para fines
militares.

Tipos de submarinos
militares

Los submarinos militares suelen dividirse
en submarinos de ataque, diseñados para actuar contra
barcos enemigos, otros submarinos incluidos, y submarinos
estratégicos equipados con misiles balísticos,
diseñados para lanzar ataques contra objetivos terrestres
desde una posición oculta. La división en estos
tipos alude a su papel más que a su construcción,
siendo ambos parecidos (sobre todo si los primeros se destinan a
atacar flotas lejanas) en tamaño, armamento y otras
características.

Los submarinos de ataque pueden ser
divididos en dos tipos generales: nucleares o
diesel-eléctricos. Los primeros son más
rápidos y grandes, y tienen más potencia de fuego y
mayor autonomía que los segundos. Dependiendo de la
misión típica a la que se destinen, los submarinos
diesel-eléctricos son a veces más adecuados para
misiones en aguas poco profundas o costeras.

Para acortar la distancia entre estos dos
diseños muy diferentes, varias armadas han empezado el
desarrollo de buques de propulsión anaeróbica, que
pueden usarse como los diesel-eléctricos pero con un
tiempo de inmersión mayor.

Los submarinos de misiles
balísticos, a los que se alude frecuentemente con las
siglas SSBN («SS» de Silent Service,
«B» de Ballistic missile y «N»
de Nuclear), portan misiles balísticos lanzables
desde submarino (SLBM, Submarine Launched Ballistic
Missile) con cabezas nucleares para atacar objetivos
estratégicos como ciudades o silos de misiles en
cualquier lugar del mundo. Actualmente todos ellos son
propulsados por energía nuclear, para dotarlos de
la mayor autonomía y capacidad de camuflaje posibles. (Los
primeros SSBM soviéticos fueron diesel).
Desempeñaron un importante papel en la estrategia de
disuasión mutua de la Guerra Fría, pues tanto
Estados Unidos como la Unión Soviética
tenían la capacidad creíble de llevar a cabo un
contraataque contra la otra nación en caso de un ataque.
Esto suponía una parte importante de la estregia de
destrucción mutua asegurada.

Misil balístico

Un misil balístico es un
misil, generalmente sin alas ni estabilizadores, con una
trayectoria predefinida que no puede ser modificada
después de que el misil ha acabado su combustible, y que
sigue por tanto a partir de ese punto una trayectoria
balística.

Para poder tener largos alcances los
misiles balísticos deben ser lanzados a alturas muy
elevadas y por lo general órbitas de baja altitud. Los
misiles balísticos suelen estar diseñados para
llevar cabezas nucleares porque su carga es muy limitada como
para llevar cabezas convencionales y porque la reentrada produce
tanto calor que dañaría una carga química o
biológica.

Tripulación

Un submarino nuclear típico tiene
una tripulación de unas 120 personas, los buques no
nucleares tienen menos de la mitad. Las condiciones dentro de un
submarino pueden ser difíciles debido a que los miembros
de la tripulación tienen que trabajar aislados durante
largos periodos de tiempo, sin contacto con sus familias. Los
submarinos suelen mantener el silencio de radio para
evitar ser detectados. Operar un submarino es peligroso, incluso
en tiempos de paz, y muchos buques se han hundido por
accidentes.

Sistema de soporte
vital

Con la llamada propulsión nuclear, los
submarinos pueden permanecer sumergidos durante meses seguidos, a
diferencia de los submarinos diesel, que tienen que emerger
periódicamente o emplear el snorkel para poder recargar
las baterías. La mayoría de los submarinos
militares modernos pueden generar oxígeno para la
tripulación mediante electrólisis del agua.

El equipo de control de atmósfera incluye un filtro de
CO2, que usa un catalizador para eliminar este gas del aire y
mezclarlo con los desperdicios bombeados afuera. El óxido
de carbono (IV), también denominado dióxido de
carbono, gas carbónico y anhídrido
carbónico, es un gas cuyas moléculas están
compuestas por dos átomos de oxígeno y uno de
carbono. Su fórmula química es CO2.

Su representación por estructura de Lewis es: O=C=O. Es
una molécula lineal y no polar, a pesar de tener enlaces
polares. Esto se debe a que dada la hibridación del
carbono la molécula posee una geometría lineal y
simétrica.

También se emplea un dispositivo que utiliza un
catalizador para convertir el monóxido de carbono en CO2
(eliminado por el anterior filtro) y mezcla el hidrógeno
producido por las baterías eléctricas del buque con
oxígeno del aire para producir agua. Un sistema de
monitorización de atmósfera analiza el aire de
diferentes zonas del buque para controlar los niveles de
nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, refrigerantes
R12 y R114, dióxido de carbono, monóxido de carbono
y otros componentes. Los gases venenosos se eliminan y se vuelve
a añadir oxígeno procedente de un depósito
situado en un tanque de lastre principal. Algunos submarinos
más pesados tienen dos estaciones de purga de
oxígeno (a proa y popa). El nivel de oxígeno del
aire se mantiene a veces en un porcentaje más bajo que la
concentración atmosférica normal para reducir el
peligro de incendio.

El agua dulce se produce bien por evaporación o por
ósmosis inversa. Se usa para las duchas, los fregaderos,
cocinar y limpiar. El agua marina se usa para los inodoros,
almacenándose el «agua negra» resultante en un
tanque sanitario hasta que se expulsa afuera usando aire a
presión o se bombea al exterior usando una bomba sanitaria
especial. El método para limpiar los sanitarios de abordo
es difícil de operar, y el submarino alemán de tipo
VIIC U-1206 se hundió con bajas por un error con los
inodoros. El agua de las duchas y los fregaderos se almacena
separada en tanques de «agua gris», que se bombean
afuera usando una bomba de drenaje.

En los grandes submarinos modernos la basura suele eliminarse
usando un tubo llamado Unidad de Eliminación de Basura
(Trash Disposal Unit o TDU), donde se compacta dentro de un
bidón de acero galvanizado. Cuando este bidón se
llena, se deja caer al fondo del océano con ayuda de
lastres de hierro.

Avances entre las
guerras mundiales

Varios diseños de submarinos nuevos
fueron desarrollados en los años entre las guerras
mundiales. Entre los más notorios estaban los submarinos
portaaviones, equipados con un hangar impermeable y una catapulta
de vapor, que podía lanzar y recoger uno o más
pequeños hidroaviones. El submarino y su avión
podían así actuar como una unidad de reconocimiento
por delante de la flota, un papel esencial en una época en
la que el radar aún no existía.

El primer ejemplo fue el HMS M2
británico, seguido del francés Surcouf y numerosos
buques de la Armada Imperial Japonesa. El Surcouf de 1929
también fue diseñado como un «crucero
subacuático», destinado a buscar y entrar en combate
en superficie.

El casco Hidrodinámico permite al
submarino navegar con facilidad.

La falta de espacio a veces provoca
problemas psicológicos a la tripulación.

Sala de torpedos.

El periscopio es básicamente un
tubo dotado de espejos en su interior.

El primer submarino era de
madera

Una barca sumergible hecha de madera, los
bocetos del autogiro de Juan de la Cierva y un aparato para
extraer oro de la arena por ventilación son algunos
ejemplos de los esfuerzos creadores de los últimos 400
años en España.

Mecánica de
fluidos

Ahora, que conocemos el aspecto
básico de los submarinos, pasaremos al tema central de
esta composición, su relación con los fluidos, y
para ello debemos partir estudiando la mecánica de
fluidos.

Comenzaremos especificando qué
entendemos por fluidos:

Fluido es cualquier sustancia que cede
inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma,
con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los
fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas
que componen un líquido no están rígidamente
adheridas entre sí, pero están más unidas
que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en
un recipiente hermético permanece constante, y el
líquido tiene una superficie límite definida. En
contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y
difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta
difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque
los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando
están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo
en los glaciares.

La mecánica de fluidos es la
parte de la física que se ocupa de la
acción de los fluidos en reposo o en movimiento,
así como de las aplicaciones y mecanismos de
ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de
fluidos es fundamental en campos tan diversos como la
aeronáutica, la ingeniería química, civil e
industrial, la meteorología, las construcciones navales y
la oceanografía.

La mecánica de fluidos puede
subdividirse en dos campos principales: la estática de
fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en
reposo, y la dinámica de fluidos, o hidrodinámica,
que trata de los fluidos en movimiento.

Entre las aplicaciones de la
mecánica de fluidos están la propulsión a
chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La
hidráulica estudia la utilización en
ingeniería de la presión del agua o del
aceite.

Estática de Fluidos o
Hidrostática

Una característica fundamental de
cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre
cualquier partícula del fluido es la misma en todas
direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la
partícula se desplazaría en la dirección de
la fuerza resultante. De ello se deduce que la fuerza por unidad
de superficie —la presión— que el fluido
ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea
cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si
la presión no fuera perpendicular, la fuerza
tendría una componente tangencial no equilibrada y el
fluido se movería a lo largo de la pared.

Este concepto fue formulado
por primera vez en una forma un poco más amplia por el
matemático y filósofo francés Blaise Pascal
en 1647, y se conoce como principio de Pascal. Dicho principio,
que tiene aplicaciones muy importantes en hidráulica,
afirma que la presión aplicada sobre un fluido contenido
en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a
todas las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar
las diferencias de presión debidas al peso del fluido y a
la profundidad.

El segundo principio importante de la
estática de fluidos fue descubierto por el
matemático y filósofo griego Arquímedes. El
principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido
en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso
del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica
por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua
desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que
mantiene el barco a flote.

El punto sobre el que
puede considerarse que actúan todas las fuerzas que
producen el efecto de flotación se llama centro de
flotación, y corresponde al centro de gravedad del fluido
desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que flota
está situado exactamente encima de su centro de gravedad.
Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la
estabilidad del cuerpo.

El principio de Arquímedes permite
determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular
que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se
pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso
será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este
volumen es igual al volumen del objeto, si éste
está totalmente sumergido. Así puede determinarse
fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por
volumen). Si se requiere una precisión muy elevada,
también hay que tener en cuenta el peso del aire
desplazado para obtener el volumen y la densidad
correctos.

Dinámica de Fluidos o
Hidrodinámica

Esta rama de la mecánica de
fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas
leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinámica
tiene una importancia práctica mayor que la
hidrostática, sólo podemos tratar aquí
algunos conceptos básicos.

El interés por la dinámica
de fluidos se remonta a las aplicaciones más antiguas de
los fluidos en ingeniería. Arquímedes
realizó una de las primeras contribuciones con la
invención, que se le atribuye tradicionalmente, del
tornillo sin fin. La acción impulsora del tornillo de
Arquímedes es similar a la de la pieza semejante a un
sacacorchos que tienen las picadoras de carne manuales. Los
romanos desarrollaron otras máquinas y mecanismos
hidráulicos; no sólo empleaban el tornillo de
Arquímedes para bombear agua en agricultura y
minería, sino que también construyeron extensos
sistemas de acueductos, algunos de los cuales todavía
funcionan. En el siglo I a.C., el arquitecto e ingeniero
romano Vitrubio inventó la rueda hidráulica
horizontal, con lo que revolucionó la técnica de
moler grano.

A pesar de estas tempranas aplicaciones
de la dinámica de fluidos, apenas se comprendía la
teoría básica, por lo que su desarrollo se vio
frenado. Después de Arquímedes pasaron más
de 1.800 años antes de que se produjera el siguiente
avance científico significativo, debido al
matemático y físico italiano Evangelista
Torricelli, que inventó el barómetro en 1643 y
formuló el teorema de Torricelli, que relaciona la
velocidad de salida de un líquido a través de un
orificio de un recipiente, con la altura del líquido
situado por encima de dicho agujero. El siguiente gran avance en
el desarrollo de la mecánica de fluidos tubo que esperar a
la formulación de las leyes del movimiento por el
matemático y físico inglés Isaac Newton.
Estas leyes fueron aplicadas por primera vez a los fluidos por el
matemático suizo Leonhard Euler, quien dedujo las
ecuaciones básicas para un fluido sin rozamiento (no
viscoso).

Euler fue el primero en
reconocer que las leyes dinámicas para los fluidos
sólo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si
se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se
pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Sin
embargo, como esto nunca es así en el caso de los fluidos
reales en movimiento, los resultados de dicho análisis
sólo pueden servir como estimación para flujos en
los que los efectos de la viscosidad son
pequeños.

Flujos Incompresibles y sin
rozamiento

Estos flujos cumplen el
llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático
y científico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que
la energía mecánica total de un flujo incompresible
y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una
línea de corriente. Las líneas de corriente son
líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la
dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo
uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas
individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una
relación entre los efectos de la presión, la
velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando
la presión disminuye. Este principio es importante para la
medida de flujos, y también puede emplearse para predecir
la fuerza de sustentación de un ala en vuelo.

Flujos Viscosos: Movimiento Laminar y
Turbulento

Los primeros experimentos
cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja
velocidad a través de tuberías fueron realizados
independientemente en 1839 por el fisiólogo francés
Jean Louis Marie Poiseuille, que estaba interesado por las
características del flujo de la sangre, y en 1840 por el
ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich
Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la
viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió
al ingeniero francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e,
independientemente, al matemático británico George
Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones
básicas para los fluidos viscosos incompresibles.
Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son
tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos
sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a
través de una tubería recta. El teorema de
Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la
energía mecánica total se disipa como consecuencia
del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de
presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones
sugieren que, dados una tubería y un fluido determinados,
esta caída de presión debería ser
proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos realizados
por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto
sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades
mayores, la caída de presión era más bien
proporcional al cuadrado de la velocidad. Este problema no se
resolvió hasta 1883, cuando el ingeniero británico
Osborne Reynolds demostró la existencia de dos tipos de
flujo viscoso en tuberías. A velocidades bajas, las
partículas del fluido siguen las líneas de
corriente (flujo laminar), y los resultados experimentales
coinciden con las predicciones analíticas. A velocidades
más elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del
flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una forma que ni
siquiera en la actualidad se puede predecir completamente.
Reynolds también determinó que la transición
del flujo laminar al turbulento era función de un
único parámetro, que desde entonces se conoce como
número de Reynolds. Si el número de Reynolds
—que carece de dimensiones y es el producto de la
velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la
tubería dividido entre la viscosidad del fluido— es
menor de 2.100, el flujo a través de la tubería es
siempre laminar; cuando los valores son más elevados suele
ser turbulento. El concepto de número de Reynolds es
esencial para gran parte de la moderna mecánica de
fluidos.

Los flujos turbulentos no se
pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones
calculadas, y su análisis depende de una
combinación de datos experimentales y modelos
matemáticos; gran parte de la investigación moderna
en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor
formulación de la turbulencia. Puede observarse la
transición del flujo laminar al turbulento y la
complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo
asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un
movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero
al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un
sistema de remolinos entrelazados.

Flujos de la Capa Límite

Antes de 1860, aproximadamente, el
interés de la ingeniería por la mecánica de
fluidos se limitaba casi exclusivamente al flujo del agua. El
desarrollo de la industria química durante la
última parte del siglo XIX dirigió la
atención a otros líquidos y a los gases.

La complejidad de los flujos
viscosos, y en particular de los flujos turbulentos,
restringió en gran medida los avances en la
dinámica de fluidos hasta que el ingeniero alemán
Ludwig Prandtl observó en 1904 que muchos flujos pueden
separarse en dos regiones principales. La región
próxima a la superficie está formada por una
delgada capa límite donde se concentran los efectos
viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo
matemático. Fuera de esta capa límite, se pueden
despreciar los efectos de la viscosidad, y pueden emplearse las
ecuaciones matemáticas más sencillas para flujos no
viscosos. La teoría de la capa límite ha hecho
posible gran parte del desarrollo de las alas de los aviones
modernos y del diseño de turbinas de gas y compresores. El
modelo de la capa límite no sólo permitió
una formulación mucho más simplificada de las
ecuaciones de Navier-Stokes en la región próxima a
la superficie del cuerpo, sino que llevó a nuevos avances
en la teoría del flujo de fluidos no viscosos, que pueden
aplicarse fuera de la capa límite. Gran parte del
desarrollo moderno de la mecánica de fluidos, posibilitado
por el concepto de capa límite, se ha debido a
investigadores como el ingeniero aeronáutico
estadounidense de origen húngaro Theodore von
Kármán, el matemático alemán Richard
von Mises y el físico y meteorólogo
británico Geoffrey Ingram Taylor.

Flujos Comprensibles

El interés por los flujos
compresibles comenzó con el desarrollo de las turbinas de
vapor por el inventor británico Charles Algernon Parsons y
el ingeniero sueco Carl Gustaf Patrik de Laval durante la
década de 1880. En esos mecanismos se descubrió por
primera vez el flujo rápido de vapor a través de
tubos, y la necesidad de un diseño eficiente de turbinas
llevó a una mejora del análisis de los flujos
compresibles. Pero los avances modernos tuvieron que esperar al
estímulo que supuso el desarrollo de la turbina de
combustión y la propulsión a chorro en la
década de 1930. El interés por los flujos de alta
velocidad sobre superficies surgió de forma temprana en
los estudios de balística, donde se necesitaba comprender
el movimiento de los proyectiles. Los avances más
importantes comenzaron hacia el final del siglo XIX, con Prandtl
y sus discípulos, entre otros, y crecieron con la
introducción de los aviones de alta velocidad y los
cohetes en la II Guerra Mundial.

Uno de los principios
básicos del flujo compresible es que la densidad de un gas
cambia cuando el gas se ve sometido a grandes cambios de
velocidad y presión. Al mismo tiempo, su temperatura
también cambia, lo que lleva a problemas de
análisis más complejos. El comportamiento de flujo
de un gas compresible depende de si la velocidad de flujo es
mayor o menor que la velocidad del sonido. El sonido es la
propagación de una pequeña perturbación, u
onda de presión, dentro de un fluido. Para un gas, la
velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de
su temperatura absoluta. La velocidad del sonido en el aire a
20 °C (293 kelvins en la escala absoluta), es de unos
344 metros por segundo. Si la velocidad de flujo es menor que la
velocidad del sonido (flujo subsónico), las ondas de
presión pueden transmitirse a través de todo el
fluido y así adaptar el flujo que se dirige hacia un
objeto. Por tanto, el flujo subsónico que se dirige hacia
el ala de un avión se ajustará con cierta distancia
de antelación para fluir suavemente sobre la superficie.
En el flujo supersónico, las ondas de presión no
pueden viajar corriente arriba para adaptar el flujo. Por ello,
el aire que se dirige hacia el ala de un avión en vuelo
supersónico no está preparado para la
perturbación que va a causar el ala y tiene que cambiar de
dirección repentinamente en la proximidad del ala, lo que
conlleva una compresión intensa u onda de choque. El ruido
asociado con el paso de esta onda de choque sobre los
observadores situados en tierra constituye el estampido
sónico de los aviones supersónicos. Frecuentemente
se identifican los flujos supersónicos por su
número de Mach, que es el cociente entre la velocidad de
flujo y la velocidad del sonido. Por tanto, los flujos
supersónicos tienen un número de Mach superior a
1.

Fluido, sustancia que cede inmediatamente a
cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y
se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser
líquidos o gases. Las partículas que componen un
líquido no están rígidamente adheridas entre
sí, pero están más unidas que las de un gas.
El volumen de un líquido contenido en un recipiente
hermético permanece constante, y el líquido tiene
una superficie límite definida. En contraste, un gas no
tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire
disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil
distinguir entre sólidos y fluidos, porque los
sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están
sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los
glaciares.

Historia

Un submarino es un tipo especial de
buque capaz de navegar bajo el agua además de la
superficie, gracias a un sistema de flotabilidad variable. Usados
extensamente por primera vez en la Primera Guerra Mundial, en la
actualidad forman parte de todas las armadas
importantes.

Empezando en la época de la Primera
Guerra Mundial, se advirtió que la forma óptima
para soportar la presión entraba en conflicto con la forma
óptima para navegar y minimizar la resistencia del agua,
complicando las dificultades de fabricación aún
más el problema. Éste fue resuelto bien adoptando
una forma de compromiso, bien usando dos cascos con formas
diferentes: uno interno para soportar la presión y otro
externo con la forma óptima para navegar. Hasta finales de
la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los submarinos
tenían una cubierta parcial adicional en su parte
superior, la proa y la popa, hecha de metal delgado, que se
inundaba durante la inmersión. Alemania fue más
lejos con el tipo XXI, el predecesor de los submarinos modernos,
encerrando completamente el casco de presión dentro del
ligero, optimizando, sin embargo, éste para la
navegación submarina como no lo había hecho
diseño anterior alguno.

Tras la Segunda Guerra Mundial, las
estrategias se dividieron. La Unión Soviética
cambió sus diseños, basándolos en los
últimos desarrollos alemanes. Todos los submarinos pesados
soviéticos y rusos posteriores a la Segunda Guerra Mundial
se construyeron con una estructura de doble casco.

Los submarinos estadounidenses y de la
mayoría de los demás países occidentales
conservaron su estructura de casco simple. Seguían
teniendo secciones de casco ligero en la proa y la popa, que
albergaban tanques de lastre principales y proporcionaban una
forma hidrodinámicamente óptima, pero la
sección principal del casco cilíndrico tenía
una sola capa de chapa.

Los cascos de los submarinos de la Primera
Guerra Mundial fueron construidos con acero al carbón, y
no podrían sumergirse por debajo de 100 m. Durante la
Segunda Guerra Mundial se introdujo el acero aleado de alta
resistencia, permitiendo profundidades de hasta 200 m. El acero
aleado de alta resistencia sigue siendo el principal material de
los submarinos actuales, con un límite de profundidad de
250-400 m, que no puede excederse en los submarinos militares sin
sacrificar otras características. Para superar este
límite, se construyeron algunos submarinos con cascos de
titanio. Este metal es casi tan fuerte como el acero, más
ligero y no magnético, lo que es importante para el
camuflaje. Los Soviéticos fueron partidarios de los
submarinos de titanio, para los que desarrollaron aleaciones de
alta resistencia y construyeron una industria para producir
titanio a costes asequibles, llegando a tener varios tipos de
submarinos de titanio.

Las aleaciones de titanio permiten un gran
incremento en la profundidad de inmersión máxima,
pero también es necesario rediseñar otros sistemas,
por lo que la profundidad probada fue limitada a 1.000 m para el
K-278 Komsomolets, el submarino militar con mayor profundidad de
inmersión. Un submarino de clase Alfa puede haber operado
con éxito a 1.300 m de profundidad,2 si bien la
operación continua a tales profundidades supondría
una fatiga excesiva para muchos sistemas del submarino. Aparte de
sus beneficios, los altos costes de la construcción con
titanio llevaron a un abandono de los submarinos fabricados con
este metal al final de la Guerra Fría.

En los años 1930, el anterior diseño fue
modificado en algunos submarinos, particularmente en los
estadounidenses y británicos de clase U. El motor de
combustión interna ya no estaba unido al eje de
propulsión, sino que impulsaba un generador separado, que
a su vez se usaba para navegar en superficie y recargar las
baterías. Esta propulsión diesel-eléctrica
permitía mucha mayor flexibilidad: por ejemplo, el
submarino podía moverse despacio mientras los motores
funcionaban a toda potencia para recargar las baterías lo
más rápidamente posible, reduciendo así el
tiempo en la superficie o el uso del snorkel. También
hacía posible aislar los ruidosos motores diesel del
casco, haciendo más silencioso el submarino.

Se probaron otras fuentes de energía: turbinas de vapor
alimentadas por petróleo impulsaron la clase K
británica construida durante la Primera Guerra Mundial y
en los años siguientes, pero no tuvieron mucho
éxito. Se eligieron las turbinas para darles la velocidad
en superficie necesaria para seguir a la flota de guerra
británica.

Los submarinos de tipo XXI alemanes probaron la
aplicación del peróxido de hidrógeno para
conseguir una propulsión rápida e independiente del
aire en el largo plazo, pero finalmente fueron construidos con
enormes baterías en su lugar.

Al final de la Segunda Guerra Mundial los británicos y
los rusos experimentaron con motores de peróxido de
hidrógeno y queroseno (parafina) que podían ser
usado tanto en superficie como bajo el agua. Los resultados de
esta técnica no fueron lo suficientemente alentadores como
para adoptarlas en esa época, y aunque los rusos
produjeron una clase de submarinos con este tipo de motor,
llamados Quebec por la OTAN, nunca se consideraron exitosos.
Actualmente varias armadas, notablemente la sueca, usan buques
con propulsión anaeróbica que sustituyen el
oxígeno líquido por peróxido de
hidrógeno. Un reciente avance en este tipo de
propulsión son las células de combustible de
hidrógeno, aplicadas por primera vez en los submarinos
alemanes de tipo 212, equipados con nueve células de 34
kW.

Hacia finales del siglo XX algunos submarinos, por ejemplo la
clase Vanguard británica, comenzaron a usar la
propulsión por chorro de agua en lugar de hélices.
Aunque son más pesados, más caros y menos
eficientes, también son mucho más silenciosos, lo
que proporciona una ventaja táctica importante.

También han sido desarrollados diversos submarinos
militares especializados.

En la Segunda Guerra Mundial, los japoneses usaron submarinos
como sus clase I-400 a modo de plataforma para lanzar aviones de
ataque marítimo. Los alemanes construyeron sus submarinos
tipo XIV para servir como buques de aprovisionamiento para otros
submarinos. Los submarinos enanos se han usado para sabotaje y
espionaje, especialmente por las armadas japonesa y
británica (por ejemplo, cinco de ellos fueron usados por
Japón en el ataque a Pearl Harbor). Durante los primeros
años de la Guerra Fría, se desarrollaron submarinos
de vigilancia de radar como el USS Triton a distancias mucho
más largas que los demás buques.

Un mini submarino es un submarino de menos de 150 toneladas de
peso, operado regularmente por una o dos personas y con una
tripulación no mayor de 6 u 8, sin alojamiento a bordo.
Normalmente este tipo de submarinos trabajan con embarcaciones
nodriza, desde donde son lanzados y recuperados, además de
proveer alojamiento para la tripulación y el equipo de
apoyo.

Hay mini submarinos civiles y militares,
ambos tipos construidos y en operación. Los del tipo
militar, trabajan con embarcaciones de superficie y submarinos,
como naves de apoyo. Los de tipo civil o militar no combativo,
son conocidos generalmente como sumergibles, y normalmente
trabajan con navíos de superficie.

Mujeres a
bordo

En 1995 la Armada Real Noruega se
convirtió en la primera del mundo en designar a una mujer
capitán de un submarino.5 En 1998, la Armada Real
Australiana se convirtió en la segunda en permitir que las
mujeres sirvieran en submarinos de combate. Canadá y
España le siguieron. Las razones dadas comúnmente
para excluir a las mujeres son la falta de privacidad y los
«camastros calientes», una práctica
común en los submarinos, donde tres marineros comparten
dos camastros por turnos para ahorrar espacio. La armada
estadounidense, que permite a las mujeres servir en casi
cualquier otro buque de su flota, sólo permite su
presencia en submarinos militares bajo contadas excepciones,
argumentando que las condiciones de semi segregación que
aplica al personal femenino en los buques supondría un
coste de unos 300.000 dólares por camastro.

Historia de los primeros submarinos y sumergibles

Un lejano ancestro del submarino es probablemente la barca
cosaca del siglo XVII llamada chaika ("gaviota"), que fue usada
bajo el agua para misiones de reconocimiento e
infiltración. Chaika podía ser cerrada y sumergida
fácilmente de forma que la tripulación podía
respirar bajo ella como en una campana submarina moderna e
impulsarla caminando por el fondo del río. También
se usaban lastres especiales y tubos para tomar aire del
exterior.

El primer sumergible de cuya ejecución se tiene
información fidedigna fue construido en 1620 por Cornelius
Jacobszoon Drebbel, un holandés al servicio de Jaime I de
Inglaterra. Estaba propulsado por medio de remos, si bien su
naturaleza exacta es objeto de cierta controversia: algunos
afirman que era simplemente una campana remolcada por una barca.
Dos tipos mejorados fueron probados en el Támesis entre
1620 y 1624.

Aunque los primeros vehículos sumergibles eran meras
herramientas para exploraciones subacuáticas, a los
inventores no le costó mucho advertir su potencial
militar. Las ventajas estratégicas de los submarinos
fueron expuestas por el obispo John Wilkins de Chester ya en
1648.

Los primeros submarinos
militares

El primer submarino militar fue el Turtle
("tortuga"), un dispositivo aovado de tracción humana
diseñado por el estadounidense David Bushnell, con
capacidad para una sola persona. Fue el primer submarino
verificado capaz de operación subacuática y
movimiento independiente, el primero en usar hélices para
propulsarse. Durante la Guerra de la Independencia
estadounidense, el Turtle (operado por el sargento Ezra
Lee, del ejército continental) intentó hundir un
barco de guerra británico, el HMS Eagle (buque
insignia de los bloqueadores) en la bahía de Nueva York el
7 de septiembre de 1776, pero fracasó.

El Nautilus (1800).

En 1800, Francia construyó un
submarino de tracción humana diseñado por Robert
Fulton, el Nautilus. Los franceses terminaron cancelando el
experimento en 1804, al igual que los británicos cuando
más tarde consideraron el diseño del submarino de
Fulton.

Durante la Guerra de 1812, Silas Halsey
murió en 1814 mientras usaba un submarino en un ataque
fallido contra un barco de guerra británico fondeado en la
bahía de Nueva Londres.

En 1851 Wilhelm Bauer, un cabo de
artillería bávaro, botó un submarino
diseñado por él y llamado Brandtaucher
("buzo incendiario") en la bahía de Kiel. Este submarino
fue construido por August Howaldt y era propulsado por un molino.
Se hundió pero los tres tripulantes lograron escapar. El
submarino fue rescatado en 1887 y se exhibe en el museo de
Dresde.

Submarinos en la
Guerra Civil Estadounidense

Durante la Guerra Civil Estadounidense, la
Unión fue el primer bando en usar un submarino. El
Alligator ("caimán"), de diseño francés, fue
el primer submarino de la armada estadounidense y el primero en
contar con aire comprimido (para la tripulación) y un
sistema de filtrado de aire.

El Alligator fue el primer submarino que incluyó una
escotilla de buceo que permitía a un buzo colocar minas
detonadas eléctricamente en los barcos enemigos.

Inicialmente propulsado mediante remos movidos por la
tripulación, fue remodelado tras 6 meses para propulsarse
con una hélice movida por una manivela. Con una
tripulación de 20 personas, 14,3 m de longitud y unos 1,2
m de diámetro, era más grande que los submarinos
confederados. Desapareció en una tormenta junto al cabo
Hatteras el 1 de abril de 1863 sin tripulación cuando era
remolcado hasta su primer despliegue en combate en
Charleston.

Los Estados Confederados de América construyeron varios
submarinos de tracción humana, incluyendo el H. L. Hunley
(bautizado en honor de uno de sus promotores, Horace Lawson
Hunley). El primer submarino confederado fue el Pioneer
("pionero"), de 9 m de largo, que hundió una goleta
enemiga mediante una mina adosada durante las pruebas en el lago
Pontchartrain, pero no fue usado en combate. Fue hundido
después de que Nueva Orleans fuese tomada y vendido para
desguace en 1868.

Hunley estaba destinado a atacar los barcos del Norte, que
estaban bloqueando los puertos del Sur. El submarino tenía
un largo poste con una carga explosiva en la proa, llamado
«torpedo pértiga». El submarino tenía
que acercarse al buque enemigo, ponerle el explosivo, alejarse y
entonces detonarlo. Era extremadamente peligroso de operar y no
tenía más suministro de aire que el contenido en el
compartimento principal.

Se hundió en dos ocasiones: la primera vez murió
la mitad de la tripulación y la segunda vez se ahogaron
los ocho tripulantes, incluyendo al propio Hunley.

El 18 de febrero de 1864 el Hunley hundió al USS
Housatonic en la bahía de Charleston, siendo la primera
vez que un submarino lograba hundir otro barco, si bien fue
hundido en el mismo combate poco después de comunicar su
éxito. Otro submarino confederado fue hundido en su viaje
inaugural en el lago de Pontchartrain; fue hallado en tierra en
los años 1870 y actualmente se exhibe en el Museo Estatal
de Louisiana. Los submarinos no tuvieron un gran impacto en el
desenlace de la guerra, pero anunciaron su futura importancia en
la guerra naval, aumentando el interés por ellos.

América
Latina

El primer submarino fue el
Hipopótamo construido por José
Rodríguez Labandera en Ecuador, quien junto a José
Quevedo cruzó el río Guayas el 18 de septiembre de
1838.
Rodríguez Labandera realizó arreglos al
Hipopótamo y cruzó el mismo rio Guayas en dos
ocasiones más. Sin embargo, por falta de interés
del gobierno u otra institución, la nave quedó
varada en las orillas del Guayas, donde el tiempo se
encargó de destruirla.

Luego, el Flach, diseñado y
construido por el ingeniero chileno-alemán Karl Flach, en
1865, comisionado por el gobierno de Chile, durante la guerra que
este país junto a Perú,
libró contra España entre 1864 y 1866. El invento
de Flach era simple.

Totalmente hecho de hierro, el submarino
tenía una eslora de 12,5 metros, una manga de 2,5 metros y
un peso cercano a las 100 toneladas. Alcanzaba una velocidad de 2
a 3 nudos, impulsado a propulsión humana, con un sistema
de cigüeñales y pedales que movían sus dos
hélices, y se hundía con un ingenioso sistema de
arrastre de pesos de un lado a otro de la nave. Su armamento
consistía en dos cañones de retrocarga, ubicado uno
en la proa. Contaba además con un ingenioso sistema de
renovación de aire, por lo que su autonomía
sumergido podía llegar a las 8 horas aproximadamente.
Tenía una escotilla, pero no tenía periscopio, por
lo que, cada tanto, el buque debía salir a la superficie
para saber si iba en la dirección correcta. Su
tripulación constaba de 11 hombres. Luego de numerosas
pruebas, la nave se hundió en la bahía de
Valparaíso, con toda su tripulación el 3 de mayo de
1866.

Submarinos de
propulsión mecánica (finales del siglo
XIX)

Plongeur, el primer submarino cuyo
sistema de propulsión no era la tracción
humana.

Réplica del submarino de madera de
Monturiol Ictíneo II en el Puerto Viejo de
Barceona.

El primer submarino cuyo sistema de
propulsión no era la tracción humana fue el
francés Plongeur, botado en 1863, que usaba aire
comprimido a 180 PSI.8

El primer submarino con motor de combustión fue el
Ictíneo II, propulsado por vapor y peróxido,
construido en Barcelona en 1867 por Narciso Monturiol y botado el
2 de octubre de 1864 en la Barceloneta. Medía 17 m de
largo y desplazaba 65 t. Inicialmente la propulsión era
una hélice que giraba mediante manubrios accionados por 16
hombres, pero en vista del escaso rendimiento dos años
más tarde se añadió un motor a vapor de 6
CV, realizando el 22 de octubre de 1867 la primera salida a
vapor.8 La nave estaba diseñada para albergar una
tripulación de 2 personas, sumergirse 30 m y permanecer
bajo el agua 2 horas. En la superficie usaba un motor a vapor,
pero bajo el agua dicho motor habría consumido
rápidamente el oxígeno del submarino, por lo que
Monturiol recurrió a la química para inventar un
motor que consumía una mezcla de clorato potásico,
zinc y peróxido de manganeso. La elegancia de este
método era que la reacción que movía la
hélice liberaba oxígeno, que tras ser tratado se
usaba en el casco para la tripulación y también
alimentaba un motor de vapor auxiliar que ayudaba a propulsar la
nave bajo el agua. A pesar de las exitosas demostraciones en el
puerto de Barcelona, Monturiol no logró interesar a la
armada española o de cualquier otro país.

En 1870, el escritor francés Julio Verne publicó
el clásico de ciencia ficción Veinte mil leguas de
viaje submarino, que narraba las aventuras de un inventor
inconformista en el Nautilus, un submarino más avanzado
que todos los existentes en la época. La historia
inspiró a los inventores para construir submarinos
más avanzados.

En 1879, durante la Guerra del Pacífico, el gobierno
peruano encargó la construcción de un submarino.
Así nació el completamente funcional Toro
Submarino, pero nunca fue empleado en batalla, ya que fue hundido
tras la derrota de Perú en la guerra para evitar la
captura por el enemigo.

El primer submarino construido en serie, sin embargo, era de
tracción humana. Fue el submarino del inventor polaco
Stefan Drzewiecki: 50 unidades fueron construidas en 1881 para el
gobierno ruso. El mismo inventor construyó en 1884 un
submarino impulsado por energía eléctrica.

Las discusiones entre el reverendo inglés George
Garrett y el experto industrial y comercial sueco Thorsten
Nordenfelt llevaron a una serie de submarinos impulsados a vapor.
El primero fue el Nordenfelt I (1885), un buque de 56 toneladas y
19,5 m de largo parecido al malogrado Resurgam de Garrett (1879),
con un alcance de 240 km y armado con un único torpedo.
Como el Resurgam, funcionaba a vapor en la superficie y apagaba
el motor para sumergirse. Grecia, temerosa del regreso de los
otomanos, lo compró. Nordenfelt construyó entonces
el Nordenfelt II, un submarino de 30 m de largo con dos tubos de
torpedos, que vendió a la preocupada armada alemana. Los
esfuerzos de Nordenfelt culminaron en 1887 con el Nordenfelt IV,
con motores y torpedos gemelos. Fue vendido a los rusos, pero
resultó ser inestable, encalló y fue
desguazado.

El submarino Peral, armado con torpedos
en 1888. Su casco puede verse actualmente en Cartagena
(España).

El primer submarino militar completamente
útil fue el submarino de Peral de propulsión
eléctrica construido por el ingeniero, marino y profesor
español de física matemática en la Escuela
de Ampliación de Estudios de la Armada, Isaac Peral y
Caballero para la Armada Española, prototipo que iba a ser
usado en la Guerra Hispano-Estadounidense. Se botó el 8 de
septiembre de 1888. Tenía un tubo lanzatorpedos, con dos
torpedos de recarga además del que iba ya montado en el
tubo, nuevos sistemas de aire, un casco ahusado, propulsor y
controles externos con forma de cruz, anticipando diseños
muy posteriores. Su velocidad subacuática era de 10 nudos,
pero adolecía de un corto alcance debido a la
alimentación por baterías de sus sistemas. Las
baterías eran una modificación de Peral de un
sistema zinc-dicromato potásico. En junio de 1890, el
submarino de Peral lanzó el primer torpedo de la historia
disparado con éxito, desde un submarino sumergido en el
mar. La armada española terminó cancelando el
proyecto. Muchos más submarinos fueron construidos en esta
época por varios inventores, pero no llegarían a
ser armas eficaces hasta bien entrado el siglo XX.

De finales del siglo
XIX a la Primera Guerra Mundial

El cambio de siglo supuso una época
crucial en el desarrollo de los submarinos, haciendo su debut un
número importante de tecnologías, y siendo
construidos y adoptados ampliamente por varios
países.

La propulsión
diésel-eléctrica pasaría a ser el sistema de
energía dominante y artilugios tales como el periscopio
serían normalizados. Se efectuaron un gran número
de experimentos sobre tácticas y armas efectivas para los
submarinos, lo que culminaría con el gran impacto que
supusieron en la próxima Primera Guerra Mundial.

En 1895, el inventor irlandés John Philip Holland
diseñó un submarino que, por primera vez, equipaba
un motor de combustión interna en superficie y un motor
eléctrico alimentado por baterías bajo el agua. En
1902, Holland recibió la Patente USPTO nº 708553.
Algunos de sus buques fueron comprados por los Estados Unidos, el
Reino Unido, la Armada Imperial Rusa y Japón, y encargados
sobre 1900 (1905 para Japón: demasiado tarde para la
guerra).

Encargado en junio de 1900, el submarino a vapor y
eléctrico Narval, diseñado por el francés
Maxime Laubeuf y por el ingeniero español Raymondo Lorenzo
d'Equevilley Montjustin, introdujo el clásico
diseño de doble casco, con un casco de presión
dentro del casco exterior ligero. Este buque de 200 t
tenía una autonomía de unas 100 millas en
superficie y unas 10 millas bajo el agua. El submarino
francés de 1904 Aigrette ("martinete") mejoró el
concepto al usar un motor diésel para la navegación
en superficie. Se construyó un gran número de estos
submarinos, con 74 terminados antes de 1914.

Submarinos en la Primera Guerra Mundial

Durante la Primera Guerra Mundial los estrategas militares
dieron verdadera importancia a las batallas navales. EPrimero
trataron con modelos que usaban energía diésel y
eléctrica pero requerían ser recargados con
frecuencia y solo alcanzaban una velocidad máxima de 16
km/h.

Submarino alemán U9 (1910). Hundió tres cruceros
británicos en pocos minutos en septiembre de 1914.

La primera vez que los submarinos militares
tuvieron un impacto significativo en batalla fue en la Primera
Guerra Mundial. Cuerpos como los U-Boot alemanes actuaron en
combate en la Batalla del Atlántico y fueron responsables
del hundimiento del RMS Lusitania, lo que recibe buena parte del
crédito de la decisión de Estados Unidos de entrar
en la guerra.

La capacidad de los U-Boot para servir como máquinas de
guerra útiles residía en nuevas tácticas, en
su número y en tecnologías submarinas tales como el
sistema de energía diésel-eléctrico que
había sido desarrollado en años anteriores.
Más como barcos sumergibles que como submarinos modernos,
los U-Boot operaban primordialmente en superficie usando motores
convencionales, usando sus baterías para sumergirse
ocasionalmente y realizar ataques. Su casco tenía una
sección aproximadamente triangular, con una quilla
distintiva, para controlar el oleaje, y una proa distintiva.

En 1916, el serbio Konjovic entró en la historia como
el primer piloto que destruyó un submarino desde el aire,
concretamente un submarino francés en el Adriático.
Cuando vio que había supervivientes tras el bombardeo,
amerizó su hidroavión y los salvó. Por esta
acción heroica, el gobierno francés le
condecoró el 14 de febrero de 1968 con un reconocimiento
especial por el heroísmo, humanidad y compasión en
las batallas marítimas. Todavía hoy hay un retrato
de Konjovic salvando a los marineros en la sede oficial de la
armada francesa.

Avances entre las guerras mundiales

Varios diseños de submarinos nuevos fueron
desarrollados en los años entre las guerras mundiales.
Entre los más notorios estaban los submarinos
portaaviones, equipados con un hangar impermeable y una catapulta
de vapor, que podía lanzar y recoger uno o más
pequeños hidroaviones. El submarino y su avión
podían así actuar como una unidad de reconocimiento
por delante de la flota, un papel esencial en una época en
la que el radar aún no existía. El primer ejemplo
fue el HMS M2 británico, seguido del francés
Surcouf y numerosos buques de la Armada Imperial Japonesa. El
Surcouf de 1929 también fue diseñado como un
«crucero subacuático», destinado a buscar y
entrar en combate en superficie.

Submarinos en la Segunda
Guerra Mundial Alemania

Alemania tuvo la mayor flota de submarinos
durante la Segunda Guerra Mundial. Debido a que el Tratado de
Versalles limitaba las fuerzas navales de superficie, la
reconstrucción de las fuerzas navales alemanas no
había hecho más que empezar seriamente un
año antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial. Sin
esperanzas de derrotar a la inmensamente superior Marina Real
Británica en el combate en superficie, el alto mando
alemán detuvo de inmediato la construcción de
grandes barcos de superficie con excepción del casi
terminado Bismarck y dos cruceros, y dedicó sus recursos a
los submarinos, que podían terminarse mucho más
rápidamente. Aunque ampliar las instalaciones de
producción y empezar la fabricación masiva
costó la mayor parte de 1940, al final de la guerra se
habían construido más de 1.000 submarinos.

Los submarinos alemanes tuvieron un efecto devastador en la
Batalla del Atlántico, intentando (pero finalmente
fracasando) cortar las rutas de suministro británicas al
hundir más barcos de los que los ingleses podían
reemplazar. Estas rutas eran vitales para la alimentación
y la industria británicas, así como para el
armamento estadounidense. Aunque los U-Boot habían sido
mejorados en los años anteriores, las mayores mejoras
fueron las de las comunicaciones, cifradas gracias al uso de la
famosa máquina de cifrado rotativo Enigma.

Esto permitió las tácticas de ataques masivos o
wolfpacks (en alemán Rudeltaktik), pero también la
caída definitiva de los U-Boot.

Tras hacerse a la mar, los U-Boot operaban de forma
prácticamente independiente para localizar convoyes en las
zonas que les había asignado el alto mando. Si encontraban
uno, el submarino no atacaba inmediatamente, sino que lo
seguía de cerca para permitir que otros submarinos de la
zona encontrasen al convoy. Luego se agrupaban en una fuerza
mayor y atacaban simultáneamente al convoy,
preferiblemente de noche y en superficie.

En la primera mitad de la guerra, los submarinos lograron
éxitos espectaculares con estas tácticas, pero muy
pocos tuvieron algún efecto decisivo. En la segunda mitad,
Alemania tenía submarinos suficientes, pero esto era
contrarrestado por el número igualmente mayor de buques de
escolta, aviones y avances técnicos como el radar y el
sónar. Huff-Duff y Ultra permitieron a los aliados guiar a
los convoyes entre los wolfpacks cuando los detectaban por sus
transmisiones de radio.

Winston Churchill escribió que la amenaza de los U-Boot
fue lo único que le llegó a provocar dudas sobre la
victoria final de los aliados (en referencia al tipo XXI).

Japón

Submarino de clase I-400 de la
Armada Imperial Japonesa, la mayor de la Segunda Guerra
Mundial.

Japón tuvo la flota más
diversa de submarinos de la Segunda Guerra Mundial, incluyendo
torpedos tripulados (Kaiten), submarinos enanos
(Ko–hyoteki, Kairyu), submarinos de tamaño medio,
submarinos especializados en el aprovisionamiento (la
mayoría para uso del ejército), flotas de
submarinos de larga distancia (muchos de los cuales llevaban un
avión), submarinos con las mayores velocidades
subacuáticas de la guerra (clase I-200) y
submarinos que podían transportar múltiples
bombarderos (el mayor de la guerra, el I–400). Estos
submarinos también estaban equipados con los torpedos
más avanzados de la guerra, los tipo 95, propulsados por
oxígeno.

En general, y a pesar de sus virtudes
técnicas, los submarinos japoneses fueron relativamente
ineficaces. Se usaron a menudo en ataques contra barcos de
guerra, que eran rápidos y maniobrables y tenían
mejores defensas que los barcos mercantes. En 1942, los
submarinos japoneses hundieron dos portaaviones además de
otros buques de guerra, pero no fueron capaces de repetir estos
éxitos más adelante. A finales de ese año,
los submarinos pasaron a usarse en el transporte de suministros a
las guarniciones isleñas.

Estados Unidos

Los Estados Unidos usaron sus submarinos
para atacar barcos mercantes (asalto comercial o guerra de
course), destruyendo más barcos japoneses que todas
las demás armas juntas.

Donde Japón tenía los mejores
torpedos de la guerra, la marina estadounidense tenía
quizá el peor, el torpedo a vapor Mark 14, con una
espoleta de detonación magnética Mk 6 y
una espoleta de contacto Mk 5, ninguno de los cuales era
fiable. El mecanismo de control de profundidad del Mark
14 fue corregido en agosto de 1942, pero las pruebas de
campo de los explosivos no fueron realizadas hasta mediados de
1943, cuando los ensayos en Hawái y Australia confirmaron
los fallos. En un intento de corregir los problemas se puso en
servicio un torpedo eléctrico sin estela, lo que
provocó las pérdidas del USS Tang y el USS Tullibee
como resultado de impactos de sus propios torpedos y graves
daños en el USS Wahoo debidos a un impacto circular en su
proa antes de sufrir un bombardeo aéreo.

Durante la Segunda Guerra Mundial, 314
submarinos prestaron servicio en la armada estadounidense, de los
que 111 estaban en servicio el 7 de diciembre de 1941 y 203, de
las clases Gato, Balao y Tench, lo hicieron durante la guerra, en
la que se perdieron 52 de ellos y 3.506 vidas. Los submarinos
estadounidenses hundieron 1.392 barcos enemigos con un tonelaje
total de 5,3 millones de toneladas, incluyendo 8 portaaviones y
unos 200 barcos de guerra.

Los schnorchel

Los submarinos diésel necesitaban
aire para hacer funcionar sus motores, por lo que equipaban
enormes baterías eléctricas para la
operación subacuática. Esto limitaba su velocidad y
autonomía cuando estaban sumergidos.

Los schnorchel (una invención
holandesa anterior a la guerra) fueron usados por los submarinos
alemanes para navegar justo por debajo de la superficie,
intentando evitar la detección visual y del radar. La
armada alemana experimentó con motores de peróxido
de hidrógeno para permitir el uso del diésel bajo
el agua, pero las dificultades técnicas eran enormes. Los
aliados experimentaron varios sistemas de detección,
incluyendo sensores químicos para «oler» los
gases de combustión de los submarinos.

Submarinos modernos

En los años 1950, la energía
nuclear reemplazó parcialmente a la propulsión
diésel-eléctrica. Este sistema se desarrolló
para extraer también oxígeno del agua del mar.
Estas dos innovaciones dieron a los submarinos la habilidad de
permanecer sumergidos durante semanas o meses, y permitieron
viajes previamente imposibles, como la travesía del Polo
Norte bajo la capa de hielo ártico por el USS Nautilus en
1958. La mayoría de los submarinos militares construidos
desde esa época en los Estados Unidos y Rusia han sido
propulsados por reactores nucleares. Los factores que limitan la
permanencia subacuática de estos buques son los
suministros alimenticios y los problemas psicológicos de
una tripulación confinada en un espacio tan
limitado.

Aunque la mayor autonomía y
rendimiento de los reactores nucleares implica que estos
submarinos son mejores para misiones de larga distancia o de
protección de una fuerza de portaaviones, los submarinos
diésel-eléctricos han seguido siendo producidos por
países con y sin capacidad nuclear, pues pueden ser
más difíciles de detectar, salvo cuando necesitan
usar su motor diésel para recargar las baterías.
Los avances tecnológicos en insonorización,
aislamiento y cancelación del ruido han erosionado
sustancialmente esta ventaja. Mucho más limitados en
cuanto a velocidad y capacidad armamentística, los
submarinos convencionales son también más baratos
de construir. La introducción de buques con
propulsión anaeróbica ha provocado un resurgimiento
de este tipo de submarinos.