“霍克”号-“奥林匹克”号碰撞

灾难原因的实验性调查


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英国海军当局和白星航运公司的官员似乎决心向公众隐瞒有关“霍克”号和“奥林匹克”号于9月20日碰撞事件的基本事实。如果任何一艘船的指挥官在操纵其船只时无疑犯了错误,那么目前的沉默政策不太可能被保持,这自然表明存在一些情况,这些情况促成了不幸事件的发生,并在一定程度上是未被察觉的或超出指挥官控制范围的。这暗示了一条调查路线。虽然并非全新,但目前尚未得到充分探索。1908年4月,“普林策斯·艾琳”号和“帕里玛”号轮船在纽约下湾出海。“普林策斯·艾琳”号前往欧洲,而“帕里玛”号则驶往西印度群岛。两艘船至少相距200英尺,但在相对狭窄的航道中航行。就在到达某个浮标之前,“普林策斯·艾琳”号——较大的船只——开始逐渐靠近领头的“帕里玛”号的船尾。突然,后者 vessel 被拉向右舷并朝向“普林策斯·艾琳”号,而尽管掌舵和发动机运转,她的船首还是转向了左舷,船头触底。没有发生碰撞。“帕里玛”号在几个小时后脱困,但发现她漏水,需要花费约 40,000 美元进行维修才能出海。当时有人声称,“帕里玛”号的不幸事件是由于两艘船在同一航线上行驶时产生的吸力造成的。由于这次不寻常的不幸事件,美国海军造船师 D. W. 泰勒在美国海军华盛顿模型水池进行了一系列实验。实质上,海军造船师泰勒发现,当超船开始与另一艘船重叠时,干扰力矩很小:实际上,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于作用在超船船首上的排斥力——导致后者的船尾向领头船转动。随着超船继续靠近,船首的吸力越来越强,而这艘船船尾的排斥力减弱——事实上,当两艘船并排时,排斥力变成了吸引力。海军造船师泰勒将这一作用贯穿其自然序列——两艘船继续前进——发现当超船领先时,效应会发生逆转:船首的吸力迅速减小,而船尾的拉力则变得更强——当超船的中心长度大约领先被超船中心长度十分之二时,船尾的拉力达到最大值。这些干扰力在浅水中尤其有效,华盛顿海军造船厂的实验是在深度条件下进行的,这些深度条件旨在减小而不是放大吸力的程度,与船舶通过接近港口的普通航道的情况相比。海军造船师泰勒通过他的模型试验发现,当两艘船处于里夫教授描述的位置时,吸引力和排斥力的作用实际上是完全相反的,即,超船的船首转向仍在领先的船只的中心长度部分。即使一个人没有可用于实际测试的模型水池,也可以轻松验证和理解海军造船师泰勒的结论。在图 1 中,我们有一个直径可变的管道,水在箭头的方向流动。在最大直径的点 P、P 处,我们有全部水头压力,而在收缩部分 V 处,我们有增加的速度但降低的压力。将此管道的比喻以及由于直径变化引起的压力变化牢记在心,我们可以轻松地追踪两艘船之间力的作用,其中一艘船正在超越并与另一艘船重叠。在图 2 中,较小的船只距离较大的领头船很近,并且位于后者的船舷之后。两艘船都在运动,流线力的影响与向船尾方向扫过的水流相似。两艘船的船体为我们形成了管道的相邻壁,而底部在一侧和水面在另一侧的相对接近度,可以这么说,将流线限制在其中。在点 V 处,我们有一个受限的水流通道,因此压力降低,流速增加。大型船只的螺旋桨尾流可能会增强这种作用。在点 P 处,我们有完全压力作用在右舷船首上,而在 V 处的左舷船首上,压力有所损失。自然地,船首向左摆动,船尾向相反方向摆动,将较小的超船拉向较大的船只。“霍克”号巡洋舰在与“奥林匹克”号碰撞之前不久的运动描述似乎一致认为,这艘军舰被挤向了班轮,并大致进入了图 2 所示的位置。“奥林匹克”号是一艘排水量为 45,000 吨的船只,而“霍克”号大约只有六分之一大小,吃水也轻得多。很容易理解,在这种情况下,巡洋舰是如何被拉向班轮的,即使“霍克”号的指挥官确实猛打舵,水静力能量的作用也会超过后者的舵在可用时间内可以抵消的作用——特别是如果军舰正在以相当大的速度航行。在图 4 中,我们看到了接下来发生的事情,这证实了海军造船师泰勒在他的模型中发现的情况。图 3 向我们展示了两艘船直接并排时力的分布情况。两艘船之间的空间与图 1 中管道所示的条件类似。假设 P 在每种情况下都具有相同的力值,而 V 表示压力降低,那么不难理解结果是较小的船只整体向左舷移动并朝向被 P、P、P 超载的较大船只移动。没有必要将这个问题与船舶在运动中形成的相邻波浪的波峰和波谷混淆。事实上,船只不需要以足够高的速度移动以至于扰乱水面到这种程度,就可以激起将船只相互靠近所需的吸力。 “奥林匹克”号和“霍克”号之间尺寸的差异很可能促成了这场灾难,因为“普林策斯·艾琳”号和“帕里玛”号之间的尺寸也存在相当大的差异。在华盛顿模型水池进行的实验中,模型具有相同的排水量。幸运的是,军舰和班轮之间的碰撞没有造成人员伤亡;原因。如果这是由于吸力造成的——即使承认海军舰长的轻率——这也只是一个大规模的实物教材,说明在这种情况下应该采取的谨慎措施。我们绝不能忘记“奥林匹克”号以及目前从事跨大西洋客运和货运服务的大多数船舶的巨大尺寸,我们也不能忽视这些大型船舶速度的稳步发展。毫无疑问,这两个因素都对吸力问题产生了重要影响,这些船只在运动时应保持更宽的航距。这次不幸事件带来了宝贵的建议,同时也使我们认识到一旦流线的平衡或均衡受到干扰,水中蕴藏着巨大的能量。

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