[中配]如何巨浪不讓大型船隻沉沒

這是一艘在公海中 與三十英尺巨浪抗爭的商船 像這樣的巨浪 看起來應該像玩具一樣 將船折斷 但他們卻沒有 船之不沉的原理 拓展了物理學的極限可能性 如果你從貨船的側面往下看 你會發現船體與水面的接觸 不是一條直線 它向外彎曲 從中線向外擴展 逐漸升高至甲板 這個外擴並不是僅僅爲了裝飾 它同時在做兩件關鍵的事情 當波浪撞擊船頭時 曲面將撞擊力向外和向上偏轉 而不是直接吸收 水不是衝撞在牆上 而是滑落在斜波上 本可以壓碎鋼鐵的能量 卻毫無害處地噴灑到了空中 與此同時 船體的這種外翹設計 創造了海軍建築師所稱的儲備浮力 當船首衝入波谷 水從船體底部上升時 擴展的部分在水面上排開的水量 超過在龍骨處排開的水量 那是船體底部的主龍骨 更多的排水量 意味着更大的向上浮力 船在潛得太深之前 會把自己擰起來 這也是爲什麼船隻有一種 叫做剪切的設計 即甲板向船頭和船尾 輕微向上的曲線 甲板在水最可能氾濫的地方升高 這個額外的高度 意味着更大的吃水線 自水面以上的船體部分 使得船隻在海水湧入內部之前 有更大的餘地 船體的每一條線條曲線和角度 都有其用途 只有在天氣惡劣時 纔會變得顯而易見 但那只是你能看到的 船體的一部分 水線以下船體的設計 同樣經過深思熟慮 大多數大型貨船都具有球狀 逆 這是一種圓形凸出部分 位於船頭前方 淹沒在水面以下 看起來會產生更多的阻力 但實際上它通過生成自身的反向波 消除了部分船首波 在惡劣的海況中 一步的突起還會發揮其他作用 它在前方增加了體積 從而在船隻最有可能 向下俯衝的地方增加了浮力 船體不僅僅是一個容器 這是一臺旨在重新引導力量的機器 並且它永遠不會停止工作 但這個概念似乎違揹物理學 鋼是不會浮的 一塊實心的 它比水的密度大八倍 把它扔進海里 它會直接沉到底部 那麼一艘重達一千噸的船 是如何保持在水面上的呢 構成船體的鋼材並不是實心的 它被塑造成一個空心的外殼 能夠捕捉空氣 當你把那個殼放入水中時 它會將水推開 水不僅僅是讓開 它還會反擊 這種反作用力就是浮力 殼越大 推開的水就越多 水反推的力量也越大 一旦船隻入水 船推開的水的重量 等於船自身的重量 船便會浮起 一艘十萬噸的船隻 必須擠開同樣多的水 才能保持在水面上 船舶設計師將船體設計得 足夠寬 足夠長 足夠深 以便在甲板下沉之前 正好排開如此多的水 水線以上的部分都是額外的 那就是土背 這就是波浪衝過船頭 和船隻沉沒之間的障礙 在風暴中 這個數學總是會被不斷驗證 巨浪拍打在甲板上 把成千上萬加噸的水 傾倒進船艙 那水增加了重量 船沉得更低了一點 但沉得更低 意味着船體推開的水更多 這產生了更大的向上浮力 船隻尋找到了新的平衡點 只要水能通過船 Railing上的排水口 和側壁上的自由口 排出甲板 船就會彈回浮起 準備迎接下一道波浪 這場鬥爭每秒都在發生 唯一的問題是這艘船 是否建造得有足夠的餘地 來持續取勝 船隻本應有滾動的動作 在風暴中觀察一艘船 它會傾斜30 40甚至50度 看起來要翻過來了 然後每次都會回來了 那不是運氣 那叫做重量分佈 所有重型機械 引擎 發電機 油箱 壓艙水和貨物 都位於船體的下方 上層甲板相對空曠 只有橋樓設備 船員宿舍和通風系統 因此船的底部較重 而底部較輕 想象一下一個半滿的水瓶 放在浴缸裏 當海浪將船體推向一側時 沉重的底部想保持在下面 船傾斜得越遠 重力就越強烈地 將那份重心拉回中心 這種自我矯正的力量 有一個名稱 稱爲穩定力矩 這是將船隻恢復到 直立狀態的轉動力 船隻傾斜得越多 這種力量就越強 把船傾斜到20度 它就會反向推回來 傾斜到40度時 它會更強烈地反彈 即使看起來並非如此 物理學仍在發揮作用 船舶設計師用一種叫做 恆星高度的參數 來測量這個指標 本質上 船的重心與浮心之間的距離 有多遠 高的Centric高度 意味着快速而果斷的修正 船隻快速恢復直立 但搖晃得很厲害 較低的葛青高 意味着動作較慢 較溫 對船員和貨物更舒適 但如果出錯 餘地就更小了 每艘船都是根據 特定的航程設計的 平衡舒適性和安全性 但是物理學能夠承受的 有其極限 如果船隻傾斜到甲板邊緣下 沉至水線以下 海水就會順着通風口 艙口和門口湧入 一旦水進入船內 並停留在那裏 情況就會發生變化 被困的水 增加了船上高處的重量 提高了重心 並削弱了自我糾正力 如果淹沒了足夠的艙室 船就不再反抗了 它不是從每一次搖擺中 恢復過來 而是持續前行 反覆 這就是爲什麼在惡劣天氣中 船舶的密閉性 比其他幾乎任何因素 都更爲重要 船可以承受驚人的傾斜角度 但前提是 水要保持在外面 然而 船體並不是只靜靜承受衝擊 它實際上是會彎曲的 想象一艘船 在巨大浪潮中航行 當波峯經過船體中間時 船頭和船尾 懸掛在兩側的波谷上 中間被向上頂起 而兩端則下垂 整艘船像香蕉一樣向上彎 海軍建築師稱之爲彎曲 幾秒鐘後 波浪被移動了 現在波峯在船頭和船尾 波谷在中間 船頭和船尾抬起 船中間下沉 船體向另一側彎曲 這叫做下垂 這些循環不斷重複 每一波浪的經過 都會使船體向一側彎曲 然後再向另一側彎曲 在暴風雨中 這樣的彎曲循環 每天會達到數千次 涉及的力量巨大 足以折斷像杆枝一樣 鮮硬的結構 所以船枝並不是剛性的 它們被設計成可以彎曲 鋼鐵骨架 橫向的框架 縱向的梁 和底部的龍骨 吸收了彎曲的力量 並將其分散到 數千個接頭和連接處 船體在移動 在極端條件下 大型船隻的船首和船尾之間 可以彎曲幾英尺 在惡劣海況下 走進貨輪的內部 你會聽到鋼鐵的呻吟聲 擴展關節的吱吱聲 整個結構隨着每一波的來去而呼吸 然而危險並不是某一單獨的巨浪 這是一種節奏 如果波浪以恰到好處的間隔到達 與船的自然彎曲頻率相匹配 彎曲週期就會開始增強 每一個波浪都會給前一個波浪 增加能量而不是抵消它 這叫做共振 如果士兵起步走過橋 就會讓橋坍塌 這也是同樣的原理 在船之中 共振會在結構的弱點處集中硬力 通常是在船體中部 那裏彎曲程度最大 這就是船隻斷裂的方式 不是因爲一波突如其來的巨浪 而是因爲逐漸積累的壓力不斷加大 直到鋼鐵最終屈服 在船體內部 船隻還有一層保護 即隔艙設計 內部並不是一個巨大的開放箱子 它被防水艙壁隔開 從船體底部延伸到中間甲板的垂直鋼壁 如果外殼被刺破 並且水湧入一個區段 隔艙壁會將其隔離 這個艙室充滿了水 但其餘的部分保持乾燥 一艘被評定爲雙艙船的船隻 可以在失去任何兩個相鄰的艙室後 仍然漂浮 隔艙壁守住了頂線 這就是船隻如何在撞擊和擱淺時 倖存下來 避免船體被打捅的方式 損害是真實的 但已經被控制住了 這時船員在保持船隻福利方面 變得至關重要 在船進入暴風雨之前 船員們已經開始工作了 天氣路線服務提前數天 甚至數週跟蹤發展中的系統 發送天氣預報並建議航向調整 船長研究數據規劃替代航線 並做出決策 穿越 繞行 或在港口等待 完全避開風暴 始終是最安全的選擇 一艘晚到兩天 但完好無損的船 做出了正確的選擇 當無法避免時 工作就變成了替代活 甲板上的船員檢查每個貨物的固定帶 集裝箱船使用牛索 將堆疊集裝箱的角落連接起來 並且還使用鋼杆和拉緊器 將堆疊固定在甲板上 每一個連接點都很重要 在惡劣天氣中 這些是防止價值數百萬美元的貨物 欺負的唯一保障 一個鬆動的綁繩會引發連鎖反應 一個集裝箱移動 拉扯到下一個 整個堆棧突然就開始自我撕裂 集裝箱成群成隊地掉入海中 如果重心的移動 影響了船隻的穩定性 情況可能會變得嚴重 導致船隻傾覆甚至沉沒 因此爲了防止水進入 船員檢查每個艙口 並將每扇門固定上鎖 用設計用於在壓力下 保持防水的重金屬夾具扣緊 每個通風口都要密封或蓋住 每個舷窗都會被檢查 如果水能進入船體 缸殼就毫無意義 一個打開的艙口 一個小的出入口 能讓一個艙室進水 船員們系統地逐個艙室檢查船隻 查看每一個關閉點 依據主清單進行覈對 任何鬆動的物品 都要綁緊或妥善存放 在劇烈搖擺中 任何可能成爲彈丸的物品 都需要固定 工具 傢俱 設備 在50度的傾斜中 即便是滅火器 也可能弄壞東西或傷害到人 在橋上 官員們根據波浪調整航線 從側面直接衝擊船隻的海浪 會導致最劇烈的滾動 正前方的波浪會造成極端的顛簸 船頭上下劇烈起伏 強烈到足以震動整艘船隻 斜角來的波浪會產生一股螺旋運動 對船體和船員都會造成壓力 船長選擇航向並平衡這些力量 選擇最適合當前條件和貨物的 最安全的運動方式 速度也很重要 速度太快會導致船頭扎進每一個波浪中 船隻會從甲板上進水 並對結構造成衝擊 太慢的話 船就會失去操控 側飄到危險的位置 隨着風暴的發展 適當的速度在不斷變化 甲板下工程師們管理壓艙物 將海水抽入船體底部的油箱 會增加底部的重量 從而提高穩定性 抽出水使船更輕更靈活 但也更容易翻滾 在惡劣天氣中 部分填充的油箱會造成自身的危險 每次翻滾時水會左右晃動 恰好在錯誤的時刻改變重量 這被稱爲自由面效應 船員要麼將油箱灌滿 要麼將其完全排空 不要有半滿的油倉 所有這一切都在船隻上下顛簸和滾動的過程中發生 船員們擠進臥鋪裏 廚房將所有可能飛起的東西鎖住 除非絕對必要 否則沒有人上甲板 必要時也只能成隊前往 並且要佩戴連接到安全繩的安全帶 睡眠是在值班間隙中零碎進行的 暴風雨可能持續兩天 船員必須堅持更久 船是一臺爲生存而建造的機器 但機器並不會做出決策 而是船員在做 而在惡劣天氣中 每個決定都至關重要 然而有時儘管如此 船隻仍然無法歸來 2015年9月29日 霍倫·L.Faro從佛羅里達州傑克遜維爾出發 前往波多黎各的聖湖庵 它40歲長度 790英尺 載有391個集裝箱 和近300個拖車及汽車 這條航線是常規航線 船隻每週都會航行一次 在海岸外 一個名爲華金的天氣系統 仍然只是熱帶風暴 船長制定了一條航線 將沿着綠孤路線的南側航行 雖然很近 但又能避開 霍金並沒有按照預期發展 大多數大西洋颶風 都向北和向東彎曲 這是受到盛行風的引導 而是向西南方向移動 直接朝着L.Faro的航線劃去 它迅速增強 靠着溫暖的水域滋養 到9月30日晚 它已升級爲三級颶風 持續風速達到115英里每小時 L.Faro正值面向它 在橋上 船員們表達了擔憂 大副質疑了航線 其他官員擔心暴風雨的路徑 以及船隻的年齡 船長告訴他們沒問題 他堅持到底 後來的調查顯示 他使用的天氣數據 已經過時幾個小時 更新的天氣預報 通過船上的衛星終端 顯示了風暴的確切方向 以及其增強的強度 信息就在那裏 在10月1日清晨 L.Faro靠近了風眼牆 這是環繞颶風中心 最危險風速的區域 波浪達到了40英尺 風速超過100英里每小時 船隻開始傾斜 持續向一側傾斜 情況不斷惡化 在某個地方 一個叫做艙口的小艙門 被流開了或出現了故障 水湧入貨艙 當潤滑油從泵中溢出時 工程師們拼命保持 發動機的運轉 早上7點半 船長請求支援 船隻失去了動力 傾斜已達到15度 並且還在繼續上升 失去引擎動力 L.Faro無法將船頭對準波浪 他側身飄進了風暴 正面迎接海浪的巨大沖擊 這是任何船隻最糟糕的姿態 船長命令船員放棄 但在颶風中 棄船幾乎是不可能的 L.Faro配備了開放式救生艇 這是一種古老的設計 無法提供抵禦風浪的保護 這艘船是在救生艇封閉設計 成爲強制標準之前建造的 因此法規允許 它保留原有的設備 在濃厚的水霧中 海洋與天空的界限被完全抹去 在能夠把人從甲板上 刮下來的狂風中 那些小艇根本沒有機會 L.Faro沉沒在 一千英尺英尺的水深處 兩年後 搜尋人員在海底的殘骸中 找回了航行數據記錄儀 他記錄了來自船橋的 26小時音頻 涵蓋了船最後一天的實時情況 國家運輸安全委員會的調查 發現了層層疊加的失敗 過時的天氣程序 使船長只能依賴幾個小時前的數據 公司監督不足 未能發現危險的航行計劃 老舊的設備本應早幾年更換 一個僅存在於紙面上的 安全管理系統 但在實踐中並不存在 運營L.Faro的公司 沒有正式政策 要求船長避免颶風 這艘船的救生設備 是根據在封閉式救生艇 成爲標準之前的規定 而保留下來的 船上的衛星氣象系統 本可以每幾小時提供更新的預報 但沒有人去檢查它 讓船隻漂浮的物理原理 並不在乎任何這些因素 浪潮不會妥協 有時生存和災難之間的差距 僅在於一個從未發生的航向改變 一份從未檢查的天氣預報 或者一條從未被聽到的警告 暫時告別