Как поднять затонувший корабль? Физика подъёма кораблекрушений

Деревянный военный корабль, затонувший на 333 года, поднятый целиком с 98% сохранившейся оригинальной древесины. Круизный лайнер длиной в три футбольных поля, опрокинутый набок, выпрямленный тросами, достаточно толстыми, чтобы буксировать авианосец. И самое знаменитое кораблекрушение в мире, покоящееся на морском дне более века, которое никто всерьёз не предлагал поднять. Три очень разные истории — и все три опираются на одну и ту же горстку физических идей, применённых в масштабе, который большинство людей никогда не видят в действии.

Эта статья объясняет, как реально работает подъём кораблекрушений — три реальных метода, три реальных корабля, формулы за каждым из них, и, честно говоря, почему некоторые кораблекрушения лучше оставить именно там, где они есть.

Базовый уровень GCSE

Физика, на которой строится всё остальное

Две идеи выполняют почти всю работу в этой статье. Первая — принцип Архимеда: любой объект, погружённый в жидкость, испытывает направленную вверх силу плавучести, равную весу вытесненной им жидкости.

Сила плавучести = плотность воды × вытесненный объём × g

Корабль плавает, когда эта сила плавучести равна его весу. Корабль тонет, когда его вес превышает её — обычно потому, что вода проникла в корпус и заменила воздух, который поддерживал его среднюю плотность ниже плотности морской воды. Каждый метод подъёма в этой статье, по сути, является способом склонить это равновесие в обратную сторону: либо добавляя плавучесть (воздух), либо убирая вес (воду), пока направленная вверх сила снова не победит.

Вторая идея — гидростатическое давление — чем глубже вы спускаетесь, тем сильнее давит вода:

Давление = атмосферное давление + (плотность воды × g × глубина)

Конкретный пример: морская вода имеет плотность около 1025 кг/м³. Всего на 32 метрах глубины дополнительное давление от одной только воды составляет примерно 1025 × 9,81 × 32 ≈ 322 000 паскалей — примерно на 3,2 атмосферы больше, чем уже ощущается на поверхности. Эта цифра значит больше, чем кажется, потому что она определяет, что оборудование и водолазы реально могут выдержать там внизу, и это настоящая причина, почему три корабля в этой статье потребовали трёх совершенно разных подходов.

Метод 1: подъём плавучестью — «Ваза», 1961

Шведский военный корабль «Ваза» затонул в гавани Стокгольма в 1628 году, менее чем в миле от своего первого плавания, опрокинутый порывом ветра из-за слишком высокого центра тяжести. Он оставался всего на 32 метрах глубины более трёх столетий, прежде чем был вновь обнаружен в 1956 году.

Решение спасательной команды напрямую следовало принципу Архимеда: водолазы прорыли туннели, чтобы провести тросы под корпусом, и подключили их к большим понтонам, плавающим на поверхности. Откачка воды из понтонов делала их более плавучими, что каждый раз немного подтягивало «Вазу» выше — поднимая её осторожными этапами в течение восемнадцати месяцев, а не одним драматичным подъёмом, именно чтобы хрупкий, пропитанный водой корпус никогда не подвергся внезапному шоку силы.

Что сделало это спасение выдающимся, — не только подъём, а то, что водолазы нашли внизу. Балтийское море холодное, бедное кислородом и слишком малосолёное для выживания Teredo navalis, морского червя, который обычно превращает затонувшую древесину в ничто за несколько лет. Эти три условия вместе почти исключительно защитны, и около 98% оригинальной древесины «Вазы» сохранилось нетронутым. Физика её подъёма оказалась более лёгкой половиной истории — предотвращение растрескивания и усадки древесины при окончательном высыхании потребовало ещё семнадцати лет непрерывного распыления полиэтиленгликоля, воскоподобного соединения, которое медленно заменило воду внутри каждой клетки древесины.

Метод 2: парбаклинг — «Коста Конкордия», 2012–2014

Круизный лайнер «Коста Конкордия» сел на мель у острова Джильо, Италия, в январе 2012 года, разорвав корпус и опрокинувшись набок на мелководье — близко к берегу, но слишком большой и слишком повреждённый для чего-либо похожего на постепенный подъём понтонами, как у «Вазы».

Инженеры построили искусственную подводную платформу рядом с обломками, затем приварили одиннадцать огромных стальных резервуаров — называемых спонсонами — к борту корпуса, уже находящемуся вне воды. Огромные тросы и гидравлические домкраты со штоками затем тянули от точек крепления с противоположной стороны, прикладывая постоянную вращательную силу, которая использовала собственную точку опоры корабля на платформе как точку поворота — точно тот же принцип рычага, что и вращательная сила (момент = сила × расстояние до точки опоры), изучаемый на GCSE по физике, но применённый к чему-то размером со здание. Вращение, завершённое в сентябре 2013 года, заняло около девятнадцати часов, чтобы полностью выпрямить корабль.

Как только корпус стал вертикальным, второй набор спонсонов был приварен с другой стороны, и — снова к принципу Архимеда в последний раз — все двадцать два резервуара были опустошены от воды и заполнены воздухом, добавив достаточно силы плавучести, чтобы поднять всё кораблекрушение целиком в июле 2014 года. Вскоре после этого его отбуксировали в Геную на разборку. Вся операция стоила более 1,5 миллиарда долларов, что сделало её одной из самых дорогих морских спасательных операций из когда-либо проведённых — напоминание о том, что физика может быть простой, в то время как инженерия — совсем нет.

Метод 3: суда тяжёлого подъёма — более прямой подход

Не каждое спасение нуждается в поэтапной плавучести или драматичном вращении. Для меньших, менее глубоких, или всё ещё конструктивно исправных кораблекрушений специально спроектированные суда тяжёлого подъёма иногда могут закрепить тросы или стропы напрямую к корпусу и поднять его прямо из воды с помощью бортовых кранов и лебёдок — по сути та же идея, что и эвакуатор, но в масштабе тысяч тонн. Это метод, наиболее часто используемый для современных морских аварий, где корабль не находился под водой достаточно долго, чтобы коррозия или морские обрастания стали главным препятствием.

Ограничение именно то, которое можно ожидать от прямого подъёма: сам корпус должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать нагрузку своего собственного веса, сконцентрированного в нескольких точках крепления, вместо того чтобы равномерно поддерживаться давлением воды по всей своей поверхности, как это было до затопления. Хрупкое, давно затонувшее кораблекрушение вроде «Вазы» очень вероятно порвалось бы при таком типе подъёма с точечной нагрузкой — именно поэтому для него был выбран более мягкий, постепенный метод плавучести.

Сравнение трёх методов

• Подъём плавучестью (понтоны/подъёмные баллоны) — лучше всего подходит для: хрупких, пропитанных водой или исторически ценных корпусов. Преимущества: мягкий, постепенный, минимизирует нагрузку на структуру. Недостатки: медленный; требует уже достаточно целого и стабильного корпуса.
• Парбаклинг + спонсоны — лучше всего подходит для: больших современных кораблей, опрокинутых вблизи берега. Преимущества: может выпрямить и поднять по-настоящему огромное и асимметричное кораблекрушение. Недостатки: чрезвычайно дорого; требует мелководья и стабильного морского дна для платформы.
• Прямой кран тяжёлого подъёма — лучше всего подходит для: недавно затонувших, конструктивно исправных, меньших кораблей. Преимущества: быстро, напрямую, относительно просто. Недостатки: точечная нагрузка может порвать слабые или давно затонувшие корпуса.

Почему некоторые кораблекрушения никогда не поднимают

«Титаник» затонул в Северной Атлантике в 1912 году и был найден только в 1985 году — покоясь на глубине около 3800 метров, более чем в сто раз глубже, чем «Ваза».

Ни одно серьёзное инженерное предложение никогда не предлагало поднять «Титаник» целиком, и три отдельные проблемы объясняют почему, складываясь друг на друга, а не будучи единственным сдерживающим фактором:

• Давление. На 3800 метрах вода давит с силой около 380 атмосфер — каждый трос, каждый дистанционно управляемый аппарат, каждое подъёмное оборудование должны быть рассчитаны на условия, значительно превышающие всё, что использовалось на «Вазе» или «Коста Конкордии».
• Структурная деградация. Более века под водой оставили корпус опасно хрупким — бактерии, окисляющие железо, образовали «рустиклы», которые активно потребляют сталь, и участки уже обрушились под собственным весом (включая часть вороньего гнезда и области носа). Любая попытка закрепить подъёмные тросы очень вероятно порвала бы кораблекрушение, а не подняла бы его.
• Дерево уже исчезло. В отличие от холодной, малосолёной воды Балтики, которая защитила «Вазу», открытая Атлантика не предлагает такой защиты — организмы, поедающие древесину, доели дерево «Титаника» десятилетия назад, оставив только металлическую структуру, и именно эту структуру теперь также потребляют бактерии.

Помимо физики, существует юридическое и этическое измерение, которое заслуживает большего, чем просто упоминание. Более 1500 человек погибли при затоплении «Титаника», и большинство из них так и не были найдены — место кораблекрушения в самом реальном смысле является их могилой. Это не должно быть чем-то, что отдельный человек, компания или экспедиция могут взвешивать против научного любопытства или коммерческого интереса по собственному усмотрению. На самом деле это не оставлено на индивидуальное усмотрение: согласно Конвенции ЮНЕСКО 2001 года об охране подводного культурного наследия, кораблекрушение автоматически получило право на защиту, как только превысило 100 лет под водой, в апреле 2012 года. Отдельное соглашение между Великобританией и США — подписанное в 2003 году, официально ратифицированное США в 2019 году — идёт ещё дальше, требуя совместного разрешения обоих правительств, прежде чем кто-либо сможет войти в корпус или извлечь артефакт с места. Даже извлечение артефактов из окружающего поля обломков остаётся юридически спорным. Тот факт, что два правительства создали формальную, обязательную систему разрешений именно для того, чтобы ни одна сторона не могла решать в одиночку, заслуживает настоящего уважения, а не просто мимолётного упоминания — это вся разница между местом упокоения, оставшимся нетронутым, и местом, к которому относятся как к добыче для того, кто доберётся первым. Иногда честный, основанный на физике ответ на вопрос «можем ли мы это поднять» состоит в том, что оставить это именно там, где оно есть, оказывается правильным решением, по причинам, выходящим далеко за рамки инженерии.

Несколько фактов, которые стоит знать

• «Ваза» сегодня является центральным экспонатом собственного музея, построенного специально для неё в Стокгольме, всё ещё медленно контролируемого на предмет усадки древесины спустя десятилетия после завершения работ по консервации — по-настоящему межпоколенческий инженерный проект.
• Бактерии, потребляющие корпус «Титаника», включают вид, обнаруженный конкретно на кораблекрушении и названный Halomonas titanicae в его честь.
• Вращение парбаклингом «Коста Конкордии» переместило корабль чуть более чем на 65 градусов, чтобы полностью его выпрямить — инженеры моделировали операцию месяцами заранее, поскольку ошибка во вращательной силе рисковала сломать корпус в середине вращения.
• Некоторые исследователи полагают, что стальная структура «Титаника» может полностью обрушиться в течение нескольких десятилетий, поскольку бактерии-рустиклы продолжают свою работу — это означает, что большая часть того, что сохранилось сегодня, может не просуществовать намного дольше, поднятая или нет.

Попробуйте сами

• Используя Давление = атмосферное давление + (плотность × g × глубина), с плотностью морской воды ≈ 1025 кг/м³ и g = 9,81 м/с², оцените дополнительное давление (в паскалях, затем переведите в атмосферы, используя 1 атм ≈ 101 325 Па) на глубине покоя «Коста Конкордии», около 20 метров.
• Подъёмный баллон вытесняет 2 м³ воды при полном наполнении. Используя силу плавучести = плотность × объём × g, вычислите силу плавучести, которую он обеспечивает в морской воде (плотность ≈ 1025 кг/м³). Сколько таких баллонов потребуется для создания 50 000 ньютонов дополнительной подъёмной силы?
• Объясните, используя принцип рычага/момента (момент = сила × расстояние до точки опоры), почему тяга тросов опрокинутого корабля от точки дальше от точки опоры требует меньше силы для достижения того же вращательного эффекта — и почему инженеры не всегда могут выбрать наибольшее возможное расстояние в реальном порту.
• «Титаник» покоится примерно в 120 раз глубже, чем «Ваза». Используя формулу давления выше, во сколько раз примерно больше давление воды на глубине «Титаника» по сравнению с «Вазой»? Соответствует ли это цифре примерно в 100 раз, упомянутой на диаграмме?

Предлагаемые визуальные материалы для этой статьи

Диаграммы плавучести, парбаклинга и давления в зависимости от глубины выше уже встроены в страницу. Несколько дополнений ещё больше усилили бы эту самостоятельную визуальную работу:

• Настоящее фотосравнение «Вазы» во время подъёма в 1961 году рядом с восстановленным кораблём в её музее сегодня — контраст между «едва узнаваемым кораблекрушением» и «98% оригинальной древесины» резонирует с историей сохранения способом, который ни одна диаграмма не может передать. Примечание об источниках для любого, кто добавляет это: используйте только изображения, которые действительно являются общественным достоянием или имеют явную лицензию — указание информационного агентства само по себе не даёт прав на повторное использование, поскольку у агентства обычно есть своя собственная лицензия от того, кто сделал фото, а не свободное предложение. Для «Титаника» в частности фотографии корабля до затопления (1912) безопасно являются общественным достоянием из-за их возраста; фотографии подводного кораблекрушения из современной экспедиции таковыми не являются и требуют реальной лицензии перед использованием. Любое реальное фото, использованное здесь, должно содержать чёткое указание, что оно представлено только в исторических/образовательных целях.
• Иллюстрация в стиле замедленной съёмки полного вращения «Коста Конкордии», показывающая корабль под несколькими углами между опрокинутым и выпрямленным положением, с вектором вращательной силы, перерисованным на каждом этапе — делает принцип момента/рычага визуально очевидным как непрерывный процесс, а не просто до/после.
• Сравнение трёх кораблекрушений в разрезе, нарисованных в одном масштабе глубины на одном изображении (вместо диаграммы с разорванной осью, использованной выше), даже если это разместит маркер «Титаника» абсурдно низко на странице — сама неловкость рисования его в масштабе является посланием.

Если силы, давление, моменты или любая другая тема физики GCSE или A-Level нуждаются в объяснении их реального применения, а не формулы для запоминания, именно для этого существуют наше репетиторство по физике GCSE и наше репетиторство по физике A-Level — смотрите полный путь обучения здесь.