Morskie opowieści (6) czyli jak Pan Bernoulli kontenerowiec Ever Given wystrychnął na Dudka.

Kochany Czytelniku.

Aby pływać na statku, nie trzeba być profesorem, doktorem czy naukowcem. To prosta rzemieślnicza robota, wymagająca zdrowego rozsądku, odrobiny wiedzy i zaangażowania oraz szacunku do Natury. Z tym większym zadziwieniem chylę czoła przed ludźmi, którzy swoje życie poświęcili nauce, edukacji i wiedzy niekoniecznie czerpiąc z tego zasłużone profity. Nauka to pasja, która pcha świat do przodu. Bez tych ludzi, ciekawych świata nadal byśmy zjadali własne smarki, siedząc zimą w jaskini, ogrzewani ciepłem wspomnień o minionych dniach lata, nie wiedząc czy znowu przyjdzie. (I proszę nie podawajcie przykładu Fritza Habera. Nawet wśród naukowców znajdują się moralne czarne owce).

Poczta Egiptu z okazji 1 rocznicy blokady kanału przez kontenerowiec Ever Given wydała znaczek. Kopareczka walcząca w pocie hydraulicznych przewodów uwieczniona.

Rozwój techniki jednak zmusił i nas marynarzy do odrobiny wysiłku intelektualnego i postaramy się ruszyć odrobinę szarych komórek do omówienia jakże ciekawego wypadku kontenerowca MV Ever Given, który osiadł w Kanale Sueskim 23 marca 2021r. Nie będę Was szczegółowo zanudzał hydro-dynamiką płynów, liczbą Reynoldsa czy równaniem Bernoulliego, ale odrobina podstaw ze szkoły podstawowej (średniej?) się przyda.

Dudek w kanale. Wystrychnął,,,,,

Ponieważ ostatnio kilka razy przemierzałem Kanał Sueski, zdobyłem trochę oficjalnych i nieoficjalnych informacji, które pomogą naświetlić Wam problem tranzytu przez ten, jakże istotny dla światowego handlu, szlak morski. Problem, który z pewnością znowu się wydarzy. Chciwość ludzka i powiększanie się kontenerowców rośnie wraz z kwadratem zamówień dóbr na portalach aukcyjnych. A święta tuż za rogiem.

Zatem do krótkiej historii, dlaczego i w jaki sposób, doszło do zablokowania kanału przez kontenerowiec Ever Given, serdecznie Państwa zapraszam.

Miejsce w którym Ever Given zablokował kanał. Po lewej stronie brzegu tablice pamiątkowe.

Jak wiemy, na wszystko na świecie działają siły. Powietrze (chociaż pewnie o tym nie myślimy) waży około 1,224 kg/m3 zatem ma masę i waży, wisząc nad nami wywiera nacisk, siłę, które czasem przytłacza meteopatów. Jeżeli takie powietrze nabierze prędkości z powodu różnicy ciśnień i jeżeli gradient różnicy będzie duży, czyli ośrodki wysokiego i niskiego ciśnienia będą blisko siebie, to powstanie pospolity silny wiatr. Siła niszcząca działającego wiatru, upraszczając, zależy od jego masy i prędkości. Im większa powierzchnia, na którą działa wiatr, tym ciśnienie wiatru większe.

Kopareczka czeka….

Tu ważna uwaga: Siła jest wyrażana w Newtonach, ale ponieważ dla „zwykłych ludzi” jest to jednostka równie abstrakcyjna jak ciepło wyrażane w dżulach, zatem przeliczyłem Newtony siły za pomocą stałej grawitacji na tony. Zastosowałem pewne uproszczenie, aby łatwiej to sobie wyobrazić. Pamiętamy ze szkoły, że siła to F = a*m (przyśpieszenie: a (m/s2) oraz masa: m (kg).) i że siła ma wektor, czyli kierunek działania.

Miejsce pamięci. Tu blokowałem…

Obecnie największe kontenerowce (o wymiarach 400m długości, 62 szerokości, wysokości burty 10 metrów i średnio 10 kontenerów w kolumnie), przepływające przez Kanał Sueski mają powierzchnię nawiewu wiatru około 10.000-12. 000 m2 . Pamiętajmy, że nasz Dar Młodzieży to maleństwo o powierzchni żagli około 3000 m2 . Różnica ogromna. Przy wietrze wiejącym z prędkością 20 węzłów (takie marne 5°B) – siła nacisku działająca na statek to około 50-60 ton. Przy prędkości 25 węzłów to już 70-80 ton a przy wietrze 40 węzłów (8°B) ta siła nacisku już ponad 200 ton. Pamiętajmy, że siła (opór) rośnie z kwadratem prędkości.

Typowy widok na mijance. Północna strona Jeziora Gorzkiego.

Aby uzmysłowić sobie teraz, jak to się przekłada na codzienne operowanie statkiem w porcie czy kanale? Musicie widzieć, że standardowa siła uciągu zwykłego, nowoczesnego holownika tzw. bollard pull to około 40-60 ton. W dużych i nowoczesnych portach 80-120 ton. Jest to siła, którą holownik pracujący z pełną mocą maszyn, wywiera na obiekt (poler) położony w linii poziomej.  W Kanale Sueskim największy holownik ma bollard pull około 70-80 ton i kilka mniejszych circa 40 ton. To wszystko. Dookoła kręcą się jeszcze komercyjne holowniki portowe, ale nie są one rozpatrywane jako asysta kanałowa. Jedynie w przypadkach awaryjnych są wynajmowane na zasadach Lloyd Salvage agreement – no cure-no pay. Mówiąc po polsku: w przypadku wypadku, umowa o ratownictwo za grube pieniądze idące w miliony dolarów. To już nie jest standardowe wynajęcie holownika w porcie za 20.000 USD.

Tak. To tu….

Zatem staje się jasne, że tak duże statki mają limit pogodowy (siły wiatru) aby przepłynąć Kanał Sueski. Standardowo około właśnie 20-25 węzłów w asyście holownika. Ta asysta jest niestety iluzoryczna, gdyż holownik nie jest połączony ze statkiem, aby wspomagać jego kontrolowanie. Władze kanału dość ambiwalentnie podchodzą to takich rzeczy. Dlaczego? Można snuć domysły. Pewnie chodzi o koszty, ale i odpowiedzialność, gdy coś pójdzie nie tak.

Typowy “bąbelek”

Zatem podsumujmy. Powierzchnia nawiewu dużego kontenerowca jest równie duża jak rozmiar standardowego boiska do gry w piłkę nożną. Aby holowniki o bollard pull 100 ton mogły przy sile 6°B taki statek kontrolować, trzeba ich przynajmniej 4.

No cóż. Szeroko to już było….

Pamiętajmy, że również sporym ograniczeniem jest konstrukcja statku i tzw. mooring calculation force, czyli obliczony na podstawie wyporności, wielkości statku i przewidywanych sił, parametr wytrzymałości zainstalowanych urządzeń do kotwiczenia i cumowania (tzw. equipment number), według którego dobiera się parametry urządzeń kotwiczno – cumowniczych. W przypadku statków ‘tanio” zrobionych może się okazać, że polery statkowe mogą obsłużyć jedynie 54 tony czy 94 tony itd. – co może ograniczać użyteczną moc holownika, aby uniknąć zniszczenia statku/pęknięcia holu.

Tego statki stanowią wyzwanie nawet w najbardziej technologicznie rozwiniętych portach jak Rotterdam czy Singapur.

Czy w wypadku kontenerowca Ever Given zadziałał jakiś podmuch wiatru? Tu zdania są podzielone, bo piloci gubią się w zeznaniach. Jest to o tyle dziwne, że miałem nadzieję, że tzw case study, czyli analiza wypadku została upubliczniona, ale okazuję się, że obie strony nabrały wody w usta, wyjaśnienia są enigmatyczne i nikt do końca nie wie co się stało. Ja doświadczyłem burzy piaskowej w Kanale Sueskim, podmuchy wiatru czasem się tam zdarzają, chociaż nieczęsto. Niestety ten czynnik wypadku nie jest potwierdzony, ale prawdopodobny.

Drugim czynnikiem, który już na pewno miał udział z wypadkiem jest związany z Bernoullim.

Wikipedia. Tak wygląda zwężka Venturiego, która prezentuje działanie prawa Bernoulliego. Pomiar dla gazów

Prawo Bernoulliego w zastosowaniu morskim wykłada się jasno; Im szybciej płynie ciecz, tym niższe ciśnienie. Jest z tym związany tzw. paradoks hydrodynamiczny, bo ciecz zachowuje się inaczej niż nam wskazuje intuicja. Jeżeli wtłoczymy ciecz do rury a następnie tę rurę przewęzimy, to w zwężeniu tym ciecz popłynie szybciej pod UWAGA: mniejszym ciśnieniem.

Wikipedia. Prezentacja siły nośnej skrzydła. Bernoulli w całej krasie.

Dzięki temu latają samoloty, statki wchodzą na mieliznę a żaglówki na Mazurach pływają do przodu. Strugi powietrza opływając szybciej zwężenie, wytwarzają siłę nośną na skutek właśnie spadku ciśnienia.

Wikipedia. Tak wygląda zwężka Venturiego, która prezentuje działanie prawa Bernoulliego. Pomiar dla cieczy

W przypadku kontenerowca Ever Given będziemy mówić o „banking effect” czyli efekcie zasysania brzegowego, o osiadaniu statku, czyli „squat effect” oraz efekcie poduszki brzegowej, czyli cushion effect.

Tak Ever Given powinien powoli płynąć kanałem.

Generalnie poruszający się statek rozpycha nieściśliwą wodę we wszystkich kierunkach. Taki tłusty bąbelek. Po wpłynięciu na płytsze wody zaczyna ona jednak mieć trudności, aby swobodnie opłynąć kadłub, ograniczona np. brzegiem kanału, czy bliskością dna. No i właśnie wtedy Pan Bernoulli daje o sobie znać. Wał spiętrzonej przed dziobem wody musi bowiem bokiem ominąć kadłub w kierunku rufy. Jak już wiemy wzrost prędkości przepływu powoduje spadek ciśnienia. Mała bieda, jeżeli statek trzyma się środka kanału. Wtedy siły są wyrównane symetrycznie i o ile statek nie rozwinie nadmiernej prędkość szansa na wpadnięcie na brzeg jest mała.

Doskonale widoczna “górka” podwyższonej, pchanej wody. To jest strefa wysokiego ciśnienia. Zaraz za nią widać lekkie obniżenie lustra wody. To strefa ssąca – obniżonego ciśnienia.

Dochodzi też do tego osiadanie statku, gdyż woda próbuje również opłynąć statek pod jego dnem. Zachodzi szereg wzajemnie się łączących zjawisk, zależnych głownie od prędkości statku, głębokości i szerokości i kształtu kanału, pełnotliwości kadłuba (czyli jego bąbelkowatości) oraz stosunku zanurzenia statku do głębokości kanału. Generalna zasada: speed kills. Zatem statek powinien poruszać się z prędkością minimalną, która zapewni mu sterowność, ale nie za szybko, aby siły ssące i osiadanie statku nie zaburzyły jego sterowności. (Jako ciekawostkę tylko podam, że na wodach otwartych mój bąbelek – tankowiec, przy pełnej prędkości około 15 węzłów osiada na dziób około 1.5 metra. O tyle zwiększa swoje zanurzenie)

Opis efektu kanałowej poduszki (banking and cushion effect) – główna przyczyna zablokowania kanału przez Ever Given.

W przypadku EverGiven problem był w mojej ocenie następujący:

  1. Statek wpłynął w Kanał Sueski, od południa, ale na wejściu nie wziął pod uwagę silnego prądu pływowego w tym samym kierunku. Prąd ten doświadczyłem i może on sięgać nawet wartości 3-4 węzłów, co dla sterowności statku jest już sprawą problematyczną. Bo jeżeli sterowność minimalna jest przy 5 węzłach to, aby skutecznie sterować, taki statkiem musi płynąc względem dna co najmniej 9-10 węzłów. Jest to już dla tak głęboko zanurzonego statku w relatywnie płytkim kanale sytuacja niebezpieczna.
  2. Niektóre statki Evergreen (według nieformalnych rozmów z pilotami) mają niedoszacowaną powierzchnię płetwy sterowej (nie wiem czy to prawda). W normalnych warunkach nie jest to problemem, ale przy krytycznych prędkości minimalnej, aby nadal utrzymać sterowność, statek taki musi zwiększyć prędkość. Zwiększenie prędkości, powoduje w jej kwadracie gwałtowny wzrost sił (obszarów wyższego i niższego ciśnienia), które jeszcze bardziej destabilizują ruch statku a szczególnie, jeżeli wyjdzie on z osi symetrii kanału. Traci on sterowność i aby j a uzyskać, znowu musi zwiększyć prędkości i znowu… i w koło Macieju. Jak widza państwo – samonapędzająca się tragedia – istne kanałowe perpetuum mobile. Znane zjawisko i opisane w literaturze (banking oraz cushion effect). Piloci zgodnie twierdzą, że kontenerowiec poruszał się z prędkością około 13-14 węzłów, co przy jego zanurzeniu stanowczo przekraczało oficjalne limity prędkości w kanale i skutecznie przyczyniło się do utraty sterowności na skutek sił opisanych przez Pana Bernoulliego.
  3. Nadbudówka dużego kontenerowca znajduje się mniej więcej w punkcie obrotu statku (tzw. pivot point). Muszą państwo wiedzieć, że statek skręca jak kombajn zbożowy. Punk obrotu znajduje się w około 2/3 odległości od rufy statku, zatem trochę jak kombajn czy Ikarus przegubowiec, zarzuca nasz bąbelek dupką. Przy skręcie w prawo, dupka leci w lewo. I odwrotnie. Mała bieda, jeżeli nadbudówka (jak w przypadku tankowca) jest na rufie. Dużo łatwiej jest ocenić wizualnie ruch statku i jego prędkość zmiany kursu. W przypadku kontenerowca jest to bardzo utrudnione i Kapitan z Pilotem muszą polegać głównie na wskazaniach urządzeń. Niestety przy zaburzonym przepływie wody, wszelkie logi i “Dopplery” zaczynają wariować, a GPS nie pokaże wszystkich parametrów ruchu.
No cóż. Małe opóźnienie…. widzę…

Mam nadzieję, że załączone wizualizacje pokazują problem dogłębnie.

Władze Kanału Sueskiego z pewnością mają problem. Statki są coraz większe. Pogłębienie i poszerzenie kanału to niebotyczne ilości pieniędzy i czasu. Szkolenie pilotów to również czas i koszty. Statki kontenerowe są coraz większe. Mają długość 399.9 metra i nośność >24.000 TEU (czyli standardowych kontenerów 20 stopowych). Przy szerokości 62 metrów i maksymalnym zanurzeniu 16.5 metra te monstra należą do majstersztyków inżynierii morskiej. Nie są największymi statkami, które eksploatuje obecnie człowiek, ale z pewnością wyglądają spektakularnie. Będą nadal perlić pot na czole i kapitanów i pilotów pomimo starań właścicieli i stoczni, aby sprawowały się jak najlepiej. Obawiam się, że podobne wypadki jak Ever Given to kwestia czasu. Na stan obecny parametry Kanału Sueskiego są następujące: max dopuszczalne zanurzenie to 60 stóp, czyli około 20.1 metra dla szerokości statku 50 metrów. Przy szerokości kontenerowca około 61 metrów maksymalne zanurzenie to 16.6 metra. Obligatoryjna eskorta holownika zaczyna się od zanurzenia około 14.3 metra. Prędkość tranzytu to około 9-11 węzłów.

Pogłębiarki działają…

Pogłębianie kanału trwa, ale statystyki wypadków są nieubłagane. Co roku, niestety, kilka statków ma poważne problemy. Te mniej poważne, zdarzają się prawie codziennie. Internet prawdę ci powie. 🙂

Zdjęcie z portalu społecznościowego. Nasza kochana kopareczka w akcji.

Oczywiście jako ciekawostkę tylko podam, że obecnie największymi statkami na świecie jest seria Ti class super tanker  (ULCC) o DWT 441.893 i zanurzeniu 24,5 metra. Te statki już nie przejdą Kanału Sueskiego i co ciekawe UWAGA!!!!!!!!! Ich ruch wpływa na ruch obrotowy Ziemi 😊 ale o tym już innym razem.


wszystkie zdjęcia własne, o ile inaczej nie zaznaczono.