2021年3月23日,"长赐"号大型集装箱货轮由红海北向进入苏伊士运河时,因船长失误操作,船身横向卡在航道中无法动弹,导致运河通行受阻(图1)。3月29日,"长赐"号恢复正常航道,历时六天的运河堵塞事件宣告结束。据悉,此次搁浅导致的苏伊士运河封锁,是自1975年以来该运河发生过的最严重同类事件,德国保险公司安联(Allianz)评估称其造成的全球贸易日损失高达60亿至100亿美元^[1]。

苏伊士运河全长190公里,是世界上使用最频繁的航线之一,其宽度仅有200~300米,而"长赐"号长达400米,轻轻一横便将苏伊士运河卡得严严实实。为什么如此巨大的一艘货轮会在航行途中意外搁浅、横转受困,最终堵塞运河河道呢?救援人员又是如何做到将其扭转回原本的航道呢?本文借助于几首中国唐诗,尝试解答这些问题。

泾溪

杜荀鹤(唐)

泾溪石险人兢慎,终岁不闻倾覆人。

却是平流无石处,时时闻说有沉沦。

《泾溪》是唐代著名现实主义诗人杜荀鹤(约846-904年)创作的一首哲理诗。杜荀鹤身逢乱世,一生坎坷,其诗作总蕴含着他对人生深刻的思考。这首诗描述了急流险滩之处鲜有船只失事,反倒是水流平缓处常有船只倾覆的反常现象,告诫人们要居安思危、处盈虑亏。水流湍急处船只容易失事,是众所周知的道理,而"平流无石处"船只倾覆,也并非仅与船员的疏漏有关,其在一定程度上或与"岸壁效应"也有关联。

"岸壁效应"是指船舶在靠近岸壁航行时,其左右两侧流体流动不对称,使船体受到指向岸壁的横向力和使船首偏离岸壁的首摇力矩,产生所谓的"岸吸"和"岸推"现象^[2],"岸吸力"和"岸推力"使船只航行时船体极不稳定,容易打转倾覆,尤其是河道较窄、船只较大时更为明显。岸壁效应的根本原因是文丘里效应(Venturi effect)。文丘里效应又称文氏效应,是指高速流动的流体附近会产生低压,从而产生吸附作用。如图2所示,船舶在靠近岸壁行驶时,船身会与岸壁间形成一个狭窄区域,根据伯努利方程,由于过水断面变小,此区域内的水流流速将会增加,形成低压区,从而对船身产生吸附,即产生指向岸壁一侧的岸吸力;同时船舶航行时,船首将前方的水流推向岸壁,又经由岸壁反射,对船首施加反作用力,即产生指向河心的岸推力。此时,若河道很窄、船首在突遇大风等外力时船长准备不足,进而失误操作,容易使得船体过于偏离一侧岸壁,触碰浅滩而搁浅,甚至倾覆。正因如此,"平流无石处"才会显得危机重重,对船而言,岸边原本是最为安全的停泊地点,然而靠岸行船时却是处处需要"人兢慎"。

一般地,船舶航行时,为了保证航行安全,往往不会过于靠近岸壁,若河道过窄,不可避免靠近岸壁,船长也往往会不停调整航向,避免船首方位产生较大变化。在"长赐"号货轮尺度下,我们已知运河的宽度是小于货轮的长度的,对于"长赐"号来说,苏伊士运河过于狭窄,极易使船体与岸壁间产生低压区,促使船尾进一步向岸壁靠拢。而"长赐"号货轮搁浅当天,或突遇沙尘暴强风,货轮自身方位无法得到有效控制,又因为岸壁效应过于靠近河岸,船首产生偏离河岸的力矩,偏向另一侧的河岸;此时,船长或因准备不足,或因可能的失误操作进一步地加深"岸壁效应",最终导致货轮搁浅。

滁州西涧

韦应物(唐)

独怜幽草涧边生,上有黄鹂深树鸣。

春潮带雨晚来急,野渡无人舟自横。

《滁州西涧》是唐代著名山水田园派诗人韦应物(约737-796年)所做的一首写景小诗。唐德宗建中二年,韦应物时任滁州刺史,他时常漫步郊野,对西涧清幽的景色非常喜爱,春景与晚潮相映,野渡与诗意同生,这首诗情浓郁的小诗即孕育在这恬淡而忧伤的氛围里。郊野渡口栓着的一条孤舟,在春雨晚潮所形成的湍急水流中,会独自横在河中(图3),为什么自然状态下的小舟是垂直于河岸而不是与河岸平行呢?

无依无凭的小舟在湍急的水流中的状态,是一个流体力学相关的平衡性问题。天津大学力学科普专家王振东教授,对于"舟自横"现象,早有珠玉在前,其所著《诗韵力学》中《野渡无人舟自横——漫话流体运动中物体的稳定性》篇对这一现象进行了详细的分析^[3-4]。

王先生将小船简化为一个细长椭圆柱体,通过计算,发现椭圆柱体所受合力矩与来流同长轴的夹角有关,且当夹角为0或$\pi/2$时合力矩为零,此时如受到任一扰动,长轴与来流间会产生一个小偏角,若夹角为0,产生的合力矩会使偏角增大,促使椭圆柱体偏离原位,若夹角为$\pi/2$,则产生的合力矩会使偏角减小,促使椭圆柱体复归原位。由此可见,只有当椭圆柱体长轴与来流的夹角为$\pi/2$ (小船与河岸垂直)时,才算处于稳定的平衡状态位置。后来,王先生还在天津大学流体力学实验室进行了相关实验,证实了以上分析在实际情况中的适用性^[5]。

王先生关于小船平衡稳定性的分析,对于航行中的"长赐"号货轮(大船)也是适用的。《三国演义》第四十九回"七星坛诸葛祭风,三江口周瑜纵火"中也曾有过类似描写：赵云接应诸葛亮撤离时,一箭射断东吴追船的蓬索,只见"那蓬堕落下水,其船便横"(图4)。可见湍急的河流中,失去了动力而不得行驶的船,便会横在河中。这一现象与意大利NOVA新闻社所报道的,"在面对沙尘暴强风时,`长赐号'货轮船长或因其失误操作导致该船在完全驶入苏伊士运河航道时首部严重偏离航道并产生剧烈摇摆,最终在运河中搁浅^[6]"的情况高度相似。

综上,借助"平流无石处多沉沦"、无动力行船时"舟自横"现象的原因分析,我们对苏伊士运河货轮搁浅及其堵塞河道事件进行了科学解释。"长赐"号货轮在驶进苏伊士运河后,突然遭遇沙尘暴强风袭扰,恶劣天气导致水流湍急,强风及急流促使货轮无法保持航向稳定,进而向河岸偏移,并因"岸壁效应"趋于搁浅,此时货轮船长因为准备不足,或可能失误操作,导致货轮失去动力,在强风及急流影响下,船首迅速偏离航向,因"舟自横"现象发生横转。"长赐"号货轮全长400余米,大于苏伊士运河此时宽度,货轮因惯性深嵌两岸淤泥之中,以"横置"姿态搁浅受困,最终对运河造成封堵。

次北固山下

王湾(唐)

客路青山外,行舟绿水前。

潮平两岸阔,风正一帆悬。

海日生残夜,江春入旧年。

乡书何处达?归雁洛阳边。

《次北固山下》是唐代著名诗人王湾(生卒年不详)旅途中暂时停泊北固山下写就的一篇歌咏山水的诗作。写就此诗时,映入他眼帘的,是潮水上涨所带来的河面开阔,此时即将行舟游船,兴之所至,无处不达,可谓自在畅快,若碰上潮水回落,河面萎靡,泛舟其上不免束手束脚,甚而有触礁搁浅的危险(图5)。

《次北固山下》千古传唱,诗中所蕴含的关于潮汐的自然科学哲理,非常值得反复体味。潮汐是指海水在天体引潮力作用下所产生的周期性运动,在地球上,潮汐主要受月球和太阳引力作用影响。太阳因距地球太远,其引潮力仅为月球的46%。如图6所示,农历每月的朔(初一)和望(十五),月球、太阳和地球的位置大致处于一条直线上,此时月球和太阳的引潮力方向相同,产生的潮汐互相叠加,使潮汐出现极大值。这种极大值每半个朔望月(14.763天)出现一次,称为大潮。而农历每月上弦(初七或初八)、下弦(廿二或廿三)时,月球和太阳的引潮力方向接近正交,互相削弱情况最显著,故潮差达极小值,称为小潮^[3,7]。而且每年的春分或者秋分节气,地球距离太阳最近,叠加月球的引力作用,还会形成特大潮。

在流体力学中,涌潮可看作逆水流传播的水跃(指在海水自由表面,从一个高度在很短的距离内跃升到较大的高度)。一般来说,弗劳德数可用来描述涌潮是否出现,即

式中,$v$是水流速度,$g$是重力加速度,$h$是水深,$\sqrt {gh}$是潮波的传播速度。当$Fr$略大于1时,出现弱涌潮波;当$Fr$远大于1时,出现强涌潮波^[7]。

涨潮不仅可以带来开阔的河面,利于行船航行,其所蕴含的能量,更让人叹为观止。我国浙江省钱塘江大潮,素有"天下第一潮"美誉,古来无数文人墨客为其折服咏赞。北宋著名词人苏轼(1037-1101年)曾在《催试官考较习作》中写下"八月十八潮,壮观天下无",称赞钱塘江潮威势天下无对;南宋词人周密(1232-1298年)在《观潮》一文中写道："浙江之潮,天下之伟观也。自既望以至十八日最盛。方其远出海门,仅如银线,既而渐进,则玉城雪岭际天而来,大声如雷霆,震撼激射,吞天沃日,势极雄豪",其文生动简练,从色彩、声响、力量、气势各个角度刻画江潮。而其中犹以唐代著名诗人刘禹锡(772-842年)的《浪淘沙》最为雄壮。

浪淘沙

刘禹锡(唐)

八月涛声吼地来,头高数丈触山回。

须臾却入海门去,卷起沙堆似雪堆。

《浪淘沙》是刘禹锡的组诗,其内容包罗万象,既有神话传说的演绎,又有自然风光的描绘,还有对社会不公的揭露、时移事迁的感悟等等。其中第七首,寥寥数笔,写尽了钱塘江潮的壮阔雄奇,使得"天下第一潮"奇观跃然纸上(图7)。而其九中"流水淘沙不暂停,前波未灭后波生"之句,更道出了潮汐的本质。潮汐有盛有衰,日复一日涨落不息,涨潮时,潮水虽遇阻碍而暂时退去,可下一次到来必将更为强势。对刘禹锡来说,驱除积弊并不能一蹴而就,而钱塘潮水只会一次比一次迅猛。

2021年3月29日,苏伊士运河恢复了通航。此次事件,埃及政府派出的救援团队,主要采用"拖"和"挖"的方法进行处理,"拖"即利用拖船从两侧拖拽,把货轮拖回正确的航道,"挖"即利用挖掘机将船头和船尾底下的淤泥清理出来,使船体重新获得浮力^[8]。但无论是"拖"法还是"挖"法,都存在巨大的局限性。"长赐"号长400米,宽59米,吃水16米深,仅仅是其上装载的18 300多个集装箱,就有22万吨,常规拖船根本没有这样的动力输出,哪怕是可以拖动,拖拽期间船体的平衡问题也很难得到保证;而根据测算,如果要通过"挖"法清理泥沙,整个过程大约需要挖2万立方的泥沙,挖掘机体积与货轮对比如图8所示,如果单纯指望这些挖掘机挖泥,其速度是很难保证的。

如此棘手的事态下,运河疏通工作还能在短短几天内得到解决,其隐藏的"幕后英雄",便是潮汐。在朔月、望月时期,潮汐的高低差距达到最大,潮水上涨所提供的力量也将最大。据悉,苏伊士海域属规则半日潮,每个潮汐日约为25小时,这期间将出现两次高潮和两次低潮,平均潮差为116厘米,平均大潮差达142厘米,平均小潮差也有87厘米,平均涨潮、落潮历时分别为6小时15分钟、6小时10分钟。而据《纽约时报》报道,2021年3月28日(农历当月十六)晚上,正值满月阶段(图6),潮水上涨,此时借助海水上涨的最大力量,配合救援人员作业,"长赐"号货轮才得以向上浮动,成功脱困^[9]。

此次苏伊士运河堵塞事件,导致大量船只停滞在这条全球最繁忙贸易航线上,有部分船只不得不选择绕道南非好望角,给全球贸易造成了不可估量的影响。虽然整个事件仍充斥着诸多疑点,但基于科学的分析和理性的推断,我们还是能够探寻出隐藏在事件背后可能的科学真相。

在探究的过程中,我国古典诗词的启发为我们开拓了新角度。除美学价值外,其中蕴含的科学原理,同样具有深刻意义。那些诗词作者用细致入微的观察,将现实生活既存的自然景观以雕肝琢肾的态度,拣其精要展现出来,其理性的思考哪怕在千百年后,依旧能带给我们启迪。例如这次苏伊士运河堵塞事件,其所涉及的大型货轮"舟自横"现象、"却是平流无石处"的岸壁效应,及救援过程中潮汐的妙用使得"潮平两岸阔",早在几千年前便得到记述。自然界中的许多现象都蕴含着丰富的科学道理,我们认真观察,理性思考,探求到其原委与真相,从而真正做到认识自然、了解自然,并在这一过程中得到乐趣。