“霍克”號-“奧林匹克”號碰撞

災難原因的實驗性調查


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英國海軍當局和白星航運公司的官員似乎決心向公眾隱瞞有關“霍克”號和“奧林匹克”號於9月20日碰撞事件的基本事實。如果任何一艘船的指揮官在操縱其船隻時無疑犯了錯誤,那麼目前的沉默政策不太可能被保持,這自然表明存在一些情況,這些情況促成了不幸事件的發生,並在一定程度上是未被察覺的或超出指揮官控制範圍的。這暗示了一條調查路線。雖然並非全新,但目前尚未得到充分探索。1908年4月,“普林策斯·艾琳”號和“帕裡瑪”號輪船在紐約下灣出海。“普林策斯·艾琳”號前往歐洲,而“帕裡瑪”號則駛往西印度群島。兩艘船至少相距200英尺,但在相對狹窄的航道中航行。就在到達某個浮標之前,“普林策斯·艾琳”號——較大的船隻——開始逐漸靠近領頭的“帕裡瑪”號的船尾。突然,後者 vessel 被拉向右舷並朝向“普林策斯·艾琳”號,而儘管掌舵和發動機運轉,她的船首還是轉向了左舷,船頭觸底。沒有發生碰撞。“帕裡瑪”號在幾個小時後脫困,但發現她漏水,需要花費約 40,000 美元進行維修才能出海。當時有人聲稱,“帕裡瑪”號的不幸事件是由於兩艘船在同一航線上行駛時產生的吸力造成的。由於這次不尋常的不幸事件,美國海軍造船師 D. W. 泰勒在美國海軍華盛頓模型水池進行了一系列實驗。實質上,海軍造船師泰勒發現,當超船開始與另一艘船重疊時,干擾力矩很小:實際上,船首和船尾都似乎存在排斥力,而且,奇怪的是,作用在船尾上的排斥力似乎大於作用在超船船首上的排斥力——導致後者的船尾向領頭船轉動。隨著超船繼續靠近,船首的吸力越來越強,而這艘船船尾的排斥力減弱——事實上,當兩艘船並排時,排斥力變成了吸引力。海軍造船師泰勒將這一作用貫穿其自然序列——兩艘船繼續前進——發現當超船領先時,效應會發生逆轉:船首的吸力迅速減小,而船尾的拉力則變得更強——當超船的中心長度大約領先被超船中心長度十分之二時,船尾的拉力達到最大值。這些干擾力在淺水中尤其有效,華盛頓海軍造船廠的實驗是在深度條件下進行的,這些深度條件旨在減小而不是放大吸力的程度,與船舶透過接近港口的普通航道的情況相比。海軍造船師泰勒透過他的模型試驗發現,當兩艘船處於裡夫教授描述的位置時,吸引力和排斥力的作用實際上是完全相反的,即,超船的船首轉向仍在領先的船隻的中心長度部分。即使一個人沒有可用於實際測試的模型水池,也可以輕鬆驗證和理解海軍造船師泰勒的結論。在圖 1 中,我們有一個直徑可變的管道,水在箭頭的方向流動。在最大直徑的點 P、P 處,我們有全部水頭壓力,而在收縮部分 V 處,我們有增加的速度但降低的壓力。將此管道的比喻以及由於直徑變化引起的壓力變化牢記在心,我們可以輕鬆地追蹤兩艘船之間力的作用,其中一艘船正在超越並與另一艘船重疊。在圖 2 中,較小的船隻距離較大的領頭船很近,並且位於後者的船舷之後。兩艘船都在運動,流線力的影響與向船尾方向掃過的水流相似。兩艘船的船體為我們形成了管道的相鄰壁,而底部在一側和水面在另一側的相對接近度,可以這麼說,將流線限制在其中。在點 V 處,我們有一個受限的水流通道,因此壓力降低,流速增加。大型船隻的螺旋槳尾流可能會增強這種作用。在點 P 處,我們有完全壓力作用在右舷船首上,而在 V 處的左舷船首上,壓力有所損失。自然地,船首向左擺動,船尾向相反方向擺動,將較小的超船拉向較大的船隻。“霍克”號巡洋艦在與“奧林匹克”號碰撞之前不久的運動描述似乎一致認為,這艘軍艦被擠向了班輪,並大致進入了圖 2 所示的位置。“奧林匹克”號是一艘排水量為 45,000 噸的船隻,而“霍克”號大約只有六分之一大小,吃水也輕得多。很容易理解,在這種情況下,巡洋艦是如何被拉向班輪的,即使“霍克”號的指揮官確實猛打舵,水靜力能量的作用也會超過後者的舵在可用時間內可以抵消的作用——特別是如果軍艦正在以相當大的速度航行。在圖 4 中,我們看到了接下來發生的事情,這證實了海軍造船師泰勒在他的模型中發現的情況。圖 3 向我們展示了兩艘船直接並排時力的分佈情況。兩艘船之間的空間與圖 1 中管道所示的條件類似。假設 P 在每種情況下都具有相同的力值,而 V 表示壓力降低,那麼不難理解結果是較小的船隻整體向左舷移動並朝向被 P、P、P 超載的較大船隻移動。沒有必要將這個問題與船舶在運動中形成的相鄰波浪的波峰和波谷混淆。事實上,船隻不需要以足夠高的速度移動以至於擾亂水面到這種程度,就可以激起將船隻相互靠近所需的吸力。 “奧林匹克”號和“霍克”號之間尺寸的差異很可能促成了這場災難,因為“普林策斯·艾琳”號和“帕裡瑪”號之間的尺寸也存在相當大的差異。在華盛頓模型水池進行的實驗中,模型具有相同的排水量。幸運的是,軍艦和班輪之間的碰撞沒有造成人員傷亡;原因。如果這是由於吸力造成的——即使承認海軍艦長的輕率——這也只是一個大規模的實物教材,說明在這種情況下應該採取的謹慎措施。我們絕不能忘記“奧林匹克”號以及目前從事跨大西洋客運和貨運服務的大多數船舶的巨大尺寸,我們也不能忽視這些大型船舶速度的穩步發展。毫無疑問,這兩個因素都對吸力問題產生了重要影響,這些船隻在運動時應保持更寬的航距。這次不幸事件帶來了寶貴的建議,同時也使我們認識到一旦流線的平衡或均衡受到干擾,水中蘊藏著巨大的能量。

大眾科學 Magazine Vol 105 Issue 18This article was originally published with the title “The “Hawke”-“Olympic” Collision” in 大眾科學 Magazine Vol. 105 No. 18 (), p. 389
doi:10.1038/scientificamerican10281911-389
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