常 皓 楊紹瓊 姜 楠

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350)

2021 年3 月23 日，“長賜” 號大型集裝箱貨輪由紅海北向進(jìn)入蘇伊士運(yùn)河時(shí)，因船長失誤操作，船身橫向卡在航道中無法動(dòng)彈，導(dǎo)致運(yùn)河通行受阻(圖1)。3 月29 日，“長賜”號恢復(fù)正常航道，歷時(shí)六天的運(yùn)河堵塞事件宣告結(jié)束。據(jù)悉，此次擱淺導(dǎo)致的蘇伊士運(yùn)河封鎖，是自1975 年以來該運(yùn)河發(fā)生過的最嚴(yán)重同類事件，德國保險(xiǎn)公司安聯(lián)(Allianz) 評估稱其造成的全球貿(mào)易日損失高達(dá)60 億至100 億美元[1]。

圖1 蘇伊士運(yùn)河“堵船” 情況衛(wèi)星圖

蘇伊士運(yùn)河全長190 公里，是世界上使用最頻繁的航線之一，其寬度僅有200～300 米，而“長賜”號長達(dá)400 米，輕輕一橫便將蘇伊士運(yùn)河卡得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)。為什么如此巨大的一艘貨輪會在航行途中意外擱淺、橫轉(zhuǎn)受困，最終堵塞運(yùn)河河道呢？救援人員又是如何做到將其扭轉(zhuǎn)回原本的航道呢？本文借助于幾首中國唐詩，嘗試解答這些問題。

1 貨輪擱淺與“岸壁效應(yīng)”

涇溪

杜荀鶴(唐)

涇溪石險(xiǎn)人兢慎，終歲不聞傾覆人。

卻是平流無石處，時(shí)時(shí)聞?wù)f有沉淪。

《涇溪》是唐代著名現(xiàn)實(shí)主義詩人杜荀鶴(約846–904 年) 創(chuàng)作的一首哲理詩。杜荀鶴身逢亂世，一生坎坷，其詩作總蘊(yùn)含著他對人生深刻的思考。這首詩描述了急流險(xiǎn)灘之處鮮有船只失事，反倒是水流平緩處常有船只傾覆的反?，F(xiàn)象，告誡人們要居安思危、處盈慮虧。水流湍急處船只容易失事，是眾所周知的道理，而“平流無石處” 船只傾覆，也并非僅與船員的疏漏有關(guān)，其在一定程度上或與“岸壁效應(yīng)” 也有關(guān)聯(lián)。

“岸壁效應(yīng)” 是指船舶在靠近岸壁航行時(shí)，其左右兩側(cè)流體流動(dòng)不對稱，使船體受到指向岸壁的橫向力和使船首偏離岸壁的首搖力矩，產(chǎn)生所謂的“岸吸” 和“岸推” 現(xiàn)象[2]，“岸吸力” 和“岸推力” 使船只航行時(shí)船體極不穩(wěn)定，容易打轉(zhuǎn)傾覆，尤其是河道較窄、船只較大時(shí)更為明顯。岸壁效應(yīng)的根本原因是文丘里效應(yīng)(Venturi effect)。文丘里效應(yīng)又稱文氏效應(yīng)，是指高速流動(dòng)的流體附近會產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用。如圖2 所示，船舶在靠近岸壁行駛時(shí)，船身會與岸壁間形成一個(gè)狹窄區(qū)域，根據(jù)伯努利方程，由于過水?dāng)嗝孀冃?，此區(qū)域內(nèi)的水流流速將會增加，形成低壓區(qū)，從而對船身產(chǎn)生吸附，即產(chǎn)生指向岸壁一側(cè)的岸吸力；同時(shí)船舶航行時(shí)，船首將前方的水流推向岸壁，又經(jīng)由岸壁反射，對船首施加反作用力，即產(chǎn)生指向河心的岸推力。此時(shí)，若河道很窄、船首在突遇大風(fēng)等外力時(shí)船長準(zhǔn)備不足，進(jìn)而失誤操作，容易使得船體過于偏離一側(cè)岸壁，觸碰淺灘而擱淺，甚至傾覆。正因如此，“平流無石處” 才會顯得危機(jī)重重，對船而言，岸邊原本是最為安全的停泊地點(diǎn)，然而靠岸行船時(shí)卻是處處需要“人兢慎”。

圖2 岸壁效應(yīng)示意圖

一般地，船舶航行時(shí)，為了保證航行安全，往往不會過于靠近岸壁，若河道過窄，不可避免靠近岸壁，船長也往往會不停調(diào)整航向，避免船首方位產(chǎn)生較大變化。在“長賜” 號貨輪尺度下，我們已知運(yùn)河的寬度是小于貨輪的長度的，對于“長賜” 號來說，蘇伊士運(yùn)河過于狹窄，極易使船體與岸壁間產(chǎn)生低壓區(qū)，促使船尾進(jìn)一步向岸壁靠攏。而“長賜” 號貨輪擱淺當(dāng)天，或突遇沙塵暴強(qiáng)風(fēng)，貨輪自身方位無法得到有效控制，又因?yàn)榘侗谛?yīng)過于靠近河岸，船首產(chǎn)生偏離河岸的力矩，偏向另一側(cè)的河岸；此時(shí)，船長或因準(zhǔn)備不足，或因可能的失誤操作進(jìn)一步地加深“岸壁效應(yīng)”，最終導(dǎo)致貨輪擱淺。

2 貨輪橫轉(zhuǎn)與“舟自橫” 現(xiàn)象

滁州西澗

韋應(yīng)物(唐)

獨(dú)憐幽草澗邊生，上有黃鸝深樹鳴。

春潮帶雨晚來急，野渡無人舟自橫。

《滁州西澗》是唐代著名山水田園派詩人韋應(yīng)物(約737–796 年) 所做的一首寫景小詩。唐德宗建中二年，韋應(yīng)物時(shí)任滁州刺史，他時(shí)常漫步郊野，對西澗清幽的景色非常喜愛，春景與晚潮相映，野渡與詩意同生，這首詩情濃郁的小詩即孕育在這恬淡而憂傷的氛圍里。郊野渡口栓著的一條孤舟，在春雨晚潮所形成的湍急水流中，會獨(dú)自橫在河中(圖3)，為什么自然狀態(tài)下的小舟是垂直于河岸而不是與河岸平行呢？

圖3 野渡無人舟自橫

無依無憑的小舟在湍急的水流中的狀態(tài)，是一個(gè)流體力學(xué)相關(guān)的平衡性問題。天津大學(xué)力學(xué)科普專家王振東教授，對于“舟自橫” 現(xiàn)象，早有珠玉在前，其所著《詩韻力學(xué)》中《野渡無人舟自橫––漫話流體運(yùn)動(dòng)中物體的穩(wěn)定性》篇對這一現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析[3-4]。

王先生將小船簡化為一個(gè)細(xì)長橢圓柱體，通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)橢圓柱體所受合力矩與來流同長軸的夾角有關(guān)，且當(dāng)夾角為0 或π/2 時(shí)合力矩為零，此時(shí)如受到任一擾動(dòng)，長軸與來流間會產(chǎn)生一個(gè)小偏角，若夾角為0，產(chǎn)生的合力矩會使偏角增大，促使橢圓柱體偏離原位，若夾角為π/2，則產(chǎn)生的合力矩會使偏角減小，促使橢圓柱體復(fù)歸原位。由此可見，只有當(dāng)橢圓柱體長軸與來流的夾角為π/2(小船與河岸垂直) 時(shí)，才算處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)位置。后來，王先生還在天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了以上分析在實(shí)際情況中的適用性[5]。

王先生關(guān)于小船平衡穩(wěn)定性的分析，對于航行中的“長賜” 號貨輪(大船) 也是適用的?！度龂萘x》第四十九回“七星壇諸葛祭風(fēng)，三江口周瑜縱火” 中也曾有過類似描寫：趙云接應(yīng)諸葛亮撤離時(shí)，一箭射斷東吳追船的蓬索，只見“那蓬墮落下水，其船便橫”(圖4)?？梢娡募钡暮恿髦?，失去了動(dòng)力而不得行駛的船，便會橫在河中。這一現(xiàn)象與意大利NOVA 新聞社所報(bào)道的，“在面對沙塵暴強(qiáng)風(fēng)時(shí)，‘長賜號’貨輪船長或因其失誤操作導(dǎo)致該船在完全駛?cè)胩K伊士運(yùn)河航道時(shí)首部嚴(yán)重偏離航道并產(chǎn)生劇烈搖擺，最終在運(yùn)河中擱淺[6]” 的情況高度相似。

綜上，借助“平流無石處多沉淪”、無動(dòng)力行船時(shí)“舟自橫”現(xiàn)象的原因分析，我們對蘇伊士運(yùn)河貨輪擱淺及其堵塞河道事件進(jìn)行了科學(xué)解釋?！伴L賜”號貨輪在駛進(jìn)蘇伊士運(yùn)河后，突然遭遇沙塵暴強(qiáng)風(fēng)襲擾，惡劣天氣導(dǎo)致水流湍急，強(qiáng)風(fēng)及急流促使貨輪無法保持航向穩(wěn)定，進(jìn)而向河岸偏移，并因“岸壁效應(yīng)”趨于擱淺，此時(shí)貨輪船長因?yàn)闇?zhǔn)備不足，或可能失誤操作，導(dǎo)致貨輪失去動(dòng)力，在強(qiáng)風(fēng)及急流影響下，船首迅速偏離航向，因“舟自橫” 現(xiàn)象發(fā)生橫轉(zhuǎn)?！伴L賜”號貨輪全長400 余米，大于蘇伊士運(yùn)河此時(shí)寬度，貨輪因慣性深嵌兩岸淤泥之中，以“橫置”姿態(tài)擱淺受困，最終對運(yùn)河造成封堵。

3 貨輪脫困與潮汐的“妙用”

次北固山下

王灣(唐)

客路青山外，行舟綠水前。

潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸。

海日生殘夜，江春入舊年。

鄉(xiāng)書何處達(dá)？歸雁洛陽邊。

《次北固山下》是唐代著名詩人王灣(生卒年不詳) 旅途中暫時(shí)停泊北固山下寫就的一篇歌詠山水的詩作。寫就此詩時(shí)，映入他眼簾的，是潮水上漲所帶來的河面開闊，此時(shí)即將行舟游船，興之所至，無處不達(dá)，可謂自在暢快，若碰上潮水回落，河面萎靡，泛舟其上不免束手束腳，甚而有觸礁擱淺的危險(xiǎn)(圖5)。

《次北固山下》千古傳唱，詩中所蘊(yùn)含的關(guān)于潮汐的自然科學(xué)哲理，非常值得反復(fù)體味。潮汐是指海水在天體引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)，在地球上，潮汐主要受月球和太陽引力作用影響。太陽因距地球太遠(yuǎn)，其引潮力僅為月球的46%。如圖6所示，農(nóng)歷每月的朔(初一) 和望(十五)，月球、太陽和地球的位置大致處于一條直線上，此時(shí)月球和太陽的引潮力方向相同，產(chǎn)生的潮汐互相疊加，使潮汐出現(xiàn)極大值。這種極大值每半個(gè)朔望月(14.763天) 出現(xiàn)一次，稱為大潮。而農(nóng)歷每月上弦(初七或初八)、下弦(廿二或廿三) 時(shí)，月球和太陽的引潮力方向接近正交，互相削弱情況最顯著，故潮差達(dá)極小值，稱為小潮[3，7]。而且每年的春分或者秋分節(jié)氣，地球距離太陽最近，疊加月球的引力作用，還會形成特大潮。

在流體力學(xué)中，涌潮可看作逆水流傳播的水躍(指在海水自由表面，從一個(gè)高度在很短的距離內(nèi)躍升到較大的高度)。一般來說，弗勞德數(shù)可用來描述涌潮是否出現(xiàn)，即

漲潮不僅可以帶來開闊的河面，利于行船航行，其所蘊(yùn)含的能量，更讓人嘆為觀止。我國浙江省錢塘江大潮，素有“天下第一潮” 美譽(yù)，古來無數(shù)文人墨客為其折服詠贊。北宋著名詞人蘇軾(1037–1101年) 曾在《催試官考較習(xí)作》中寫下“八月十八潮，壯觀天下無”，稱贊錢塘江潮威勢天下無對；南宋詞人周密(1232–1298 年) 在《觀潮》一文中寫道：“浙江之潮，天下之偉觀也。自既望以至十八日最盛。方其遠(yuǎn)出海門，僅如銀線，既而漸進(jìn)，則玉城雪嶺際天而來，大聲如雷霆，震撼激射，吞天沃日，勢極雄豪”，其文生動(dòng)簡練，從色彩、聲響、力量、氣勢各個(gè)角度刻畫江潮。而其中猶以唐代著名詩人劉禹錫(772–842 年) 的《浪淘沙》最為雄壯。

浪淘沙

劉禹錫(唐)

八月濤聲吼地來，頭高數(shù)丈觸山回。

須臾卻入海門去，卷起沙堆似雪堆。

《浪淘沙》是劉禹錫的組詩，其內(nèi)容包羅萬象，既有神話傳說的演繹，又有自然風(fēng)光的描繪，還有對社會不公的揭露、時(shí)移事遷的感悟等等。其中第七首，寥寥數(shù)筆，寫盡了錢塘江潮的壯闊雄奇，使得“天下第一潮” 奇觀躍然紙上(圖7)。而其九中“流水淘沙不暫停，前波未滅后波生”之句，更道出了潮汐的本質(zhì)。潮汐有盛有衰，日復(fù)一日漲落不息，漲潮時(shí)，潮水雖遇阻礙而暫時(shí)退去，可下一次到來必將更為強(qiáng)勢。對劉禹錫來說，驅(qū)除積弊并不能一蹴而就，而錢塘潮水只會一次比一次迅猛。

圖7 錢塘江大潮航拍圖

2021 年3 月29 日，蘇伊士運(yùn)河恢復(fù)了通航。此次事件，埃及政府派出的救援團(tuán)隊(duì)，主要采用“拖”和“挖” 的方法進(jìn)行處理，“拖” 即利用拖船從兩側(cè)拖拽，把貨輪拖回正確的航道，“挖” 即利用挖掘機(jī)將船頭和船尾底下的淤泥清理出來，使船體重新獲得浮力[8]。但無論是“拖” 法還是“挖” 法，都存在巨大的局限性?！伴L賜” 號長400 米，寬59 米，吃水16 米深，僅僅是其上裝載的18 300 多個(gè)集裝箱，就有22 萬噸，常規(guī)拖船根本沒有這樣的動(dòng)力輸出，哪怕是可以拖動(dòng)，拖拽期間船體的平衡問題也很難得到保證；而根據(jù)測算，如果要通過“挖”法清理泥沙，整個(gè)過程大約需要挖2 萬立方的泥沙，挖掘機(jī)體積與貨輪對比如圖8 所示，如果單純指望這些挖掘機(jī)挖泥，其速度是很難保證的。

圖8 挖掘機(jī)正在清理“長賜” 號船頭淤泥

如此棘手的事態(tài)下，運(yùn)河疏通工作還能在短短幾天內(nèi)得到解決，其隱藏的“幕后英雄”，便是潮汐。在朔月、望月時(shí)期，潮汐的高低差距達(dá)到最大，潮水上漲所提供的力量也將最大。據(jù)悉，蘇伊士海域?qū)僖?guī)則半日潮，每個(gè)潮汐日約為25 小時(shí)，這期間將出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，平均潮差為116 厘米，平均大潮差達(dá)142 厘米，平均小潮差也有87 厘米，平均漲潮、落潮歷時(shí)分別為6 小時(shí)15 分鐘、6 小時(shí)10分鐘。而據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，2021 年3 月28 日(農(nóng)歷當(dāng)月十六)晚上，正值滿月階段(圖6)，潮水上漲，此時(shí)借助海水上漲的最大力量，配合救援人員作業(yè)，“長賜” 號貨輪才得以向上浮動(dòng)，成功脫困[9]。

4 結(jié)語

此次蘇伊士運(yùn)河堵塞事件，導(dǎo)致大量船只停滯在這條全球最繁忙貿(mào)易航線上，有部分船只不得不選擇繞道南非好望角，給全球貿(mào)易造成了不可估量的影響。雖然整個(gè)事件仍充斥著諸多疑點(diǎn)，但基于科學(xué)的分析和理性的推斷，我們還是能夠探尋出隱藏在事件背后可能的科學(xué)真相。

在探究的過程中，我國古典詩詞的啟發(fā)為我們開拓了新角度。除美學(xué)價(jià)值外，其中蘊(yùn)含的科學(xué)原理，同樣具有深刻意義。那些詩詞作者用細(xì)致入微的觀察，將現(xiàn)實(shí)生活既存的自然景觀以雕肝琢腎的態(tài)度，揀其精要展現(xiàn)出來，其理性的思考哪怕在千百年后，依舊能帶給我們啟迪。例如這次蘇伊士運(yùn)河堵塞事件，其所涉及的大型貨輪“舟自橫” 現(xiàn)象、“卻是平流無石處”的岸壁效應(yīng)，及救援過程中潮汐的妙用使得“潮平兩岸闊”，早在幾千年前便得到記述。自然界中的許多現(xiàn)象都蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)道理，我們認(rèn)真觀察，理性思考，探求到其原委與真相，從而真正做到認(rèn)識自然、了解自然，并在這一過程中得到樂趣。

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