苏伊士运河被堵,可能是因为这个邪门的物理现象
2021-04-08 10:10

苏伊士运河被堵,可能是因为这个邪门的物理现象

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,原文标题:《苏伊士运河被堵,可能是因为这个邪门的物理现象》,头图来自:视觉中国


今年3月24号,由日本制造、船员来自印度、运营公司来自中国台湾、挂的是巴拿马的旗、最后被荷兰人和埃及人帮忙拖走的长赐号巨型集装箱船在苏伊士运河搁浅。


搁浅的长赐号巨型集装箱船,来源见水印


苏伊士运河连接着红海和地中海,全球12%的贸易要通过这个运河,因此它常被称为“欧亚大动脉”。但是,长赐号把这个重要的国际运输要道的血管给堵上了,超过200艘轮船卡在了河道里,在整整6天6夜后才再次通行。


苏伊士运河管理局(Suez Canal Authority)的局长 Osama Rabie 称,搁浅期间,光是埃及每天的损失就在1200万~1500万美金之间。一些分析人士指出,长赐号搁浅带来的整体损失可达每天100亿美金。


所以,长赐号是怎么搁浅的呢?


这可能是由于一个经典的物理现象。根据比利时根特大学海洋技术系系主任 Evert Lataire,长赐号搁浅可能和岸壁效应(bank effect)有关。


长赐号,图片来源:vesselfinder


长赐号长400米,高60米,横过来就可以把苏伊士运河整个堵住。在这样狭窄的水道里,大船运行时屁股很容易被河岸吸牢,这就是岸壁效应。


实际上当船在狭窄的水道中前进时,船头的水位总是比船身和船尾的高。因此当水流从船头沿着船身流向船尾时,就会从一个较宽的通道进入一个狭窄的区域。


船头的水位总是比船身和船尾高。图片来源:wikipedia


这道题可以用文丘里效应(venturi effect)来解:当液体经过一个狭窄区域时,流速会增加,而压强降低。这就意味着,和船头相比,船体附近是个低压区。如果船靠河岸或者其他船太近,它就容易被吸住,造成岸壁效应。


文丘里效应:经过狭窄通道时,液体速度增加,压强降低。


大家可以看看比利时根特大学用模型轮船做的岸壁效应演示,岸边的小球被船身吸引。



根据岸壁效应可知,在狭窄的水道中行驶时,当船头开始转向时,更靠近河岸的那一边船身就容易被河岸吸过去。因此学船舶的都知道,大船过小道时,就要特别留心别让船体和河岸或其他船只靠太近,速度不能太快,要尽量走河道中心线。


船身附近的水压比船头小,更容易被河岸吸引。图片来源:themarinestudy


历史上岸壁效应曾经造成一些大事故。


比如在1934年1月,英国纳尔逊级战列舰以每秒4.6米的速度离开英国朴次茅斯港,结果就因为岸壁效应搁浅。


英国纳尔逊级战列舰


从行驶记录来看,长赐号可能也发生了类似的事。


在当地时间3月23日早上7 :30,长赐号刚进入苏伊士运河不久就遇到了沙尘暴。苏伊士运河管理局在3月26号表示,长赐号是在遇到了强风和沙尘暴后才无法掌舵的。


根据船舶自动追踪网站 VesselFinder 对当时长赐号航行姿势的跟踪记录,当长赐号遇到强劲的西风时,曾试图向西面操舵对抗风力,如此一来就陷入了岸壁效应的困局,最终船身顺时针旋转,船头扎入了东岸。


长赐号在苏伊士运河内的搁浅路径。


不过,狭窄水道中邪门的物理现象并不只有岸壁效应,大船过小道还要注意艉坐效应(squat effect)


刚才说到,当船在狭窄的水道中前进时,船头的水位总是比船身和船尾的高,因此船身的水流速度比船头更大,压强更低。实际上这一点也适用于船底的情况,因为水流从船头流到船底时,也要经过更狭窄的通道。如此一来,船底也会被河床吸引,也就是说船屁股容易在浅水区下沉,这就是艉坐效应。


在深海(上)轮船不容易受到艉坐效应的影响,在浅滩(下)艉坐效应很明显。图片来源:wikipedia


艉坐效应主要和水深以及船速有关。船速更大时,轮船更容易屁股蹲。而水深不足吃水深度(船舶在水中沉入时水下部分的最深长度)2.5倍时艉坐效应非常明显。


水深不足吃水深度(船舶在水中沉入时水下部分的最深长度)2.5倍时,艉坐效应很明显。图片来源:fas.org


因为艉坐效应,大船在浅水中很难操舵,很容易跟着水底地形运动,或在浅水中打转。艉坐效应也曾造成不少事故。


1992年7月8日,伊利莎白女王二号远洋邮轮在美国马塞诸塞州的卡蒂杭克岛(cuttyhunk island)附近的沙洲上搁浅。美国国家运输安全委员会(NTSB)后来的调查指出,船员们不清楚水底地形,因此低估了船速过高造成的艉坐效应,直接导致了事件的发生。


当时报纸对伊利莎白女王二号搁浅的报道。


2000年, Tecam Sea 号和 Federal Fuji 号散货船在加拿大魁北克的索雷尔·特雷西港口相撞,后来的事故分析报告指出,艉坐效应也是肇事因素。


甚至还有轮船利用艉坐效应强行降低“身高”,避免超过最大安全通航高度的奇怪操作。


2009年11月1日,世界第三大游轮、高出水面72米的海洋绿洲号为了能通过丹麦的大贝尔特桥,在过桥时加速至每小时37千米,成功让大船多入水30厘米,最终以小于最大安全通航高度4厘米的距离惊险过桥,大秀了一把“过桥米线”技术。


海洋绿洲号擦线过大贝尔特桥。图片来源:cnn


总而言之,运河啊浅滩啊这些水道对大船来说处处是坑,没学好流体力学的船员搞不好分分钟就要给人添堵啊。


冷知识:长赐号进入苏伊士运河之前的行动轨迹 ——



参考资料储存于石墨:https://shimo.im/docs/3qvwjrcjc8vjJW3j/


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

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