如何打捞一艘沉船?沉船打捞背后的物理学

一艘沉睡了333年的木制战舰,以一个整体被打捞上来,原始木材98%完好无损。一艘长如三个足球场的邮轮,侧翻在水中,被粗到足以拖动航空母舰的钢缆扶正。而世界上最著名的沉船,已经在海底躺了一个多世纪,却从未有人真正提议要把它打捞起来。三个截然不同的故事——而这三者都建立在同一小组物理学思想之上,只是被应用在大多数人从未见过它们真正运作的规模上。

这篇文章会解释沉船打捞实际是如何运作的——三种真实的方法,三艘真实的船,每一种方法背后的公式,以及说实话,为什么有些沉船最好就留在原来的地方。

GCSE核心

其他一切都依赖的物理学

两个想法几乎完成了这篇文章里所有的工作。第一个是阿基米德原理:任何浸没在流体中的物体,都会受到一个向上的浮力,大小等于它排出的流体的重量。

浮力 = 水的密度 × 排出的体积 × g

当这个浮力等于船的重量时,船就会漂浮。当船的重量超过浮力时,船就会沉没——通常是因为水侵入了船体,取代了原本让它的平均密度低于海水的空气。这篇文章中的每一种打捞方法,归根结底,都是一种把这个平衡朝相反方向倾斜的方式:或是增加浮力(空气),或是减少重量(水),直到向上的力再次占上风。

第二个想法是静水压强——潜得越深,水推回来的力量就越大:

压强 = 大气压 + (水的密度 × g × 深度)

具体例子:海水的密度约为1,025 kg/m³。仅仅在32米深处,单纯由水造成的额外压强大约是1,025 × 9.81 × 32 ≈ 322,000帕斯卡——比海面上已经感受到的压强再多出约3.2个大气压。这个数字比看起来重要,因为它决定了设备和潜水员在那个深度实际能承受什么,而这正是这篇文章中三艘船需要三种截然不同方法的真正原因。

方法一:浮力打捞——瓦萨号,1961年

瑞典战舰瓦萨号在1628年沉没于斯德哥尔摩港,离它的处女航还不到一英里,因重心过高而在一阵大风中倾覆。它在仅仅32米深处沉睡了三个多世纪,直到1956年被重新发现。

救援团队的解决方案直接遵循阿基米德原理:潜水员挖掘隧道,把缆绳穿过船体下方,连接到漂浮在水面上的大型浮筒。把水从浮筒中抽出会让它们更加漂浮,每一次都把瓦萨号向上拉一点——通过十八个月的谨慎分阶段完成,而不是一次戏剧性的整体打捞,恰恰是为了让脆弱、浸透水的船体永远不会遭受突然的冲击。

让这次救援值得关注的,不仅仅是打捞本身——还有潜水员在下面发现的东西。波罗的海寒冷、缺氧,而且盐度太低,通常会在几年内把水下木材化为无物的船蛆无法在那里生存。这三个条件加在一起几乎完全是保护性的,瓦萨号原始木材约98%都完好无损地保存下来。它的浮起物理学被证明是这个故事中较容易的一半——防止木材在终于干燥后开裂和收缩,又需要额外的十七年不间断地喷洒聚乙二醇,这是一种类似蜡的化合物,缓慢地替换了每个木材细胞内部的水分。

方法二:滚转法——科斯塔·康科迪亚号,2012–2014年

邮轮科斯塔·康科迪亚号于2012年1月在意大利吉利奥岛附近搁浅,船体被撕裂,在浅水中侧翻——离岸很近,但太大、损坏太严重,无法使用类似瓦萨号那种渐进式浮筒打捞。

工程师在沉船旁边建造了一个人工水下平台,然后把十一个巨大的钢制箱体——称为浮箱——焊接在已经露出水面的船体一侧。巨大的缆绳和带杆的液压千斤顶从对面的锚点拉动,施加一个恒定的旋转力,利用船自身在平台上的支撑点作为支点——这正是GCSE物理中教授的同一个杠杆原理(力矩 = 力 × 到支点的距离),只是应用在一栋建筑大小的物体上。这次旋转在2013年9月完成,花了大约十九个小时才使船完全扶正。

一旦船体变为垂直,第二组浮箱被焊接到另一侧——再一次回到阿基米德原理——全部二十二个箱体被排空水并充入空气,产生足够的浮力,在2014年7月把整艘沉船打捞上来。它随后被拖往热那亚拆解。整个作业耗资超过15亿美元,使其成为有史以来最昂贵的海上救援作业之一——提醒人们物理学可以很简单,而工程学绝不简单。

方法三:重型起重船——一种更直接的方法

不是每一次打捞都需要分阶段的浮力或戏剧性的旋转。对于更小、更浅,或结构仍然完好的沉船,专门设计的重型起重船有时可以直接把缆绳或吊索固定到船体上,用船载的起重机和绞盘把它整体从水中吊起——本质上和拖车一样的想法,只是规模达到数千吨。这是现代海事事故中最常使用的方法,当船体没有在水下停留足够长的时间,让腐蚀或海洋生物附着成为主要障碍时。

这种方法的限制正是直接吊起法所预期的那样:船体本身必须足够坚固,能承受集中在少数几个固定点上的自身重量的应力,而不是像沉没前那样由水压均匀地支撑整个表面。像瓦萨号这样脆弱、长期浸水的沉船,如果采用这种点荷载的吊起方式,很可能会被撕裂——这恰恰是为什么它被选择使用更温和、渐进的浮力方法的原因。

三种方法的比较

• 浮力打捞(浮筒/浮箱)——最适合:脆弱、浸水或历史价值高的船体。优点:温和、渐进,最大限度地减少结构应力。缺点:缓慢;需要船体已经大致完好且稳定。
• 滚转法+浮箱——最适合:在岸边附近侧翻的大型现代船舶。优点:能扶正并打捞真正巨大、不对称的沉船。缺点:极其昂贵;需要浅水域和稳定的海床来建造平台。
• 直接重型吊装起重机——最适合:最近沉没、结构完好、较小的船舶。优点:快速、直接、相对简单。缺点:点荷载可能撕裂脆弱或长期浸水的船体。

为什么有些沉船从未被打捞

泰坦尼克号在1912年沉没于北大西洋,直到1985年才被发现——静卧在大约3,800米深处,比瓦萨号深一百多倍。

从来没有任何严肃的工程提案建议把泰坦尼克号作为一个整体打捞上来,三个独立的问题解释了原因,它们是相互叠加的,而不是单独一个成为阻碍因素:

• 压强。在3,800米深处,水以约380个大气压的压强推回来——每一根缆绳、每一台遥控潜水器、每一台起重设备,都必须能承受远超瓦萨号或科斯塔·康科迪亚号所用任何设备的条件。
• 结构性劣化。一个多世纪的水下浸泡让船体变得危险地脆弱——氧化铁细菌形成了正在积极侵蚀钢铁的“锈柱”,部分区域(包括瞭望台的一部分和船首区域)已经在自身重量下坍塌。任何试图固定起重缆绳的尝试,很可能会撕裂沉船,而不是把它吊起。
• 木材早已消失。与保护了瓦萨号的寒冷、低盐度的波罗的海不同,开阔的大西洋没有提供任何这样的保护——蛀木生物几十年前就已经吃完了泰坦尼克号的木材,只留下金属结构,而现在细菌正在吞噬的正是这个结构。

在物理学之外,还有一个法律和伦理层面,值得比一句带过更多的关注。泰坦尼克号沉没时有1,500多人遇难,他们中的大多数人从未被找到——这个沉船遗址,在一个真实的意义上,就是他们的墓地。这不应该是任何个人、公司或探险队能够根据自己的判断,拿科学好奇心或商业利益来权衡的事情。事实上,这也没有被留给个人判断:根据2001年联合国教科文组织《保护水下文化遗产公约》,这艘沉船在2012年4月,水下超过100年后,自动获得了受保护的资格。英国和美国之间的另一项协议——2003年签署,2019年美国正式批准——更进一步,要求在任何人进入船体或从遗址取走任何文物之前,必须获得两国政府的联合许可。即使是从周边残骸区回收文物,在法律上仍然存在争议。两国政府建立了一个正式、有约束力的许可制度,恰恰是为了不让任何一方能单方面做决定,这一事实值得真正的尊重,而不仅仅是一句带过——这正是一个保持完整的安息之地,和一个被当作先到先得的战利品的场所之间的全部区别。有时,对“我们能打捞它吗”这个问题,诚实且基于物理学的答案,是把它留在原来的地方恰恰才是正确的决定,而理由远远超出了工程学本身。

一些值得了解的事实

• 瓦萨号如今是斯德哥尔摩一座专门为它建造的博物馆的镇馆之宝,即使在保护工作完成数十年后,仍在被缓慢监测木材的收缩情况——一个真正跨代的工程项目。
• 正在吞噬泰坦尼克号船体的细菌中,包括一种专门在这艘沉船上发现的物种,并以此命名为泰坦尼克盐单胞菌。
• 科斯塔·康科迪亚号的滚转旋转把船移动了略超过65度才使其完全扶正——工程师在事前对这次作业进行了数月的建模,因为旋转力的计算错误可能导致船体在旋转过程中断裂。
• 一些研究人员估计,随着锈柱细菌继续工作,泰坦尼克号的钢铁结构可能在几十年内完全坍塌——这意味着如今留存的大部分东西,无论是否被打捞,都可能不会存续太久。

自己试试

• 使用压强 = 大气压 + (密度 × g × 深度),海水密度 ≈ 1,025 kg/m³,g = 9.81 m/s²,估算科斯塔·康科迪亚号沉没深度约20米处的额外压强(以帕斯卡为单位,再用1 atm ≈ 101,325 Pa换算成大气压)。
• 一个浮箱完全充气后排出2立方米的水。使用浮力 = 密度 × 体积 × g,计算它在海水中(密度 ≈ 1,025 kg/m³)提供的浮力。需要多少个这样的浮箱才能产生50,000牛顿的额外浮力?
• 使用杠杆/力矩原理(力矩 = 力 × 到支点的距离),解释为什么从离支点更远的点拉动一艘倾覆船只的缆绳,能用更小的力获得同样的旋转效果——以及为什么工程师在真实的港口中不总能选择最大可能的距离。
• 泰坦尼克号沉没的深度大约是瓦萨号的120倍。使用上面的压强公式,泰坦尼克号深度处的水压大约是瓦萨号的多少倍?这是否符合图示中提到的大约100倍这个数字?

本文建议的视觉素材

上面的浮力、滚转法和随深度变化的压强图示已经嵌入到页面中。以下几项补充会进一步强化这篇文章作为一件视觉上独立完整的作品:

• 一张1961年打捞过程中的瓦萨号与今天博物馆中修复后的船的真实照片对比——“几乎无法辨认的沉船”与“98%原始木材”之间的对比,会以任何图示都无法比拟的方式让保护的故事产生共鸣。给任何添加这张图的人的资料来源提示:只使用真正属于公共领域或明确获得授权的图像——通讯社的署名本身并不赋予再利用权,通讯社通常也只是从拍摄者那里获得了授权,而不是自由提供的图像。对于泰坦尼克号来说,沉没之前(1912年)的照片由于年代久远而安全地属于公共领域;但现代探险拍摄的水下沉船照片则不是,使用前需要真正的授权。这里使用的任何真实照片,都应附上清晰的说明,表明它仅作为历史/教育用途展示。
• 一张以延时摄影风格呈现科斯塔·康科迪亚号完整旋转过程的插图,展示船在倾覆和扶正之间的多个角度,并在每个阶段重新绘制旋转力的矢量——让力矩/杠杆原理作为一个连续的过程在视觉上一目了然,而不仅仅是简单的前后对比。
• 把三艘沉船按相同深度比例画在一张图中进行截面比较(而不是上面使用的断轴示意图),即使这会让泰坦尼克号的标记出现在页面上荒谬地低的位置——按比例绘制它本身的这种笨拙感,正是想要传达的信息。

如果力、压强、力矩或其他GCSE与A-Level物理科目需要用它们真实的用途来解释,而不是靠死记硬背的公式,这正是我们GCSE物理个别指导和A-Level物理个别指导所做的事情——请在这里查看完整的学习路径。