Как маленький буксир ухитряется тянуть громадный лайнер?

Вы наверняка видели, как малюсенький буксир тянет за собой гигантский корабль или даже загруженный контейнеровоз, который в сотни раз больше его самого. Если вам хоть немного знакома физика, то вы поймаете себя на здравой мысли, что такое сопоставление не то, чтобы правильное и следовало бы исходить из параметров и соотношения сил.

Но «шок интуиции» вам всё равно будет обеспечен. Давайте детально разберём всю эту ситуации и выясним, как оно работает.

Основная задача буксира — помогать огромным судам маневрировать там, где самим им это сделать практически невозможно. В узких фарватерах, у причалов и в каналах, где для гигантских контейнеровозов или танкеров поворот на несколько градусов может быть критическим. Огромный корабль имеет колоссальную инерцию и очень слабую управляемость на малых скоростях — его винт и руль почти не создают тяги, когда судно движется медленно.

Буксир решает эту проблему, создавая боковую или продольную тягу и буквально затаскивая судно туда, куда нужно, причём с высокой точностью. Без буксиров портовая логистика была бы парализована.

Вот только когда видишь буксир в работе, складывается впечатление, что муравей тащит силикатный кирпич в одиночку.

Большинство буксиров конструктивно — это просто огромный двигатель, установленный в корпусе, размером с гребную лодку. При этом винты буксира в соотношении с его размером очень даже большие.

У современных портовых буксиров мощность двигателя впечатляет. Обычно это от 3 000 до 8 000 кВт (примерно 4 000–11 000 лошадиных сил), а у самых мощных океанских буксиров она может превышать 10–12 МВт. Для сравнения, круизный лайнер или крупный контейнеровоз несёт на борту целую электростанцию — его суммарная мощность может достигать 40–80 МВт, а иногда и более (например, на крупнейших лайнерах ставят дизель-генераторы совокупной мощностью свыше 100 МВт).

Парадокс в том, что даже обладая всего лишь десятой частью мощности лайнера, буксир способен развивать колоссальную тягу благодаря особой конструкции винтов и азимутальных колонок (Z-drive или Voith-Schneider), которые дают мгновенный разворот тяги на 360° и работают на очень низких скоростях. Поэтому буксир может буквально сдвинуть судно, которое весит в сотни раз больше его самого, в то время как собственные двигатели лайнера на минимальной скорости почти бесполезны для манёвров.

Но ни это самое главное. Главное тут — физика. Не будет преувеличением сказать, что два-три взрослых человека могут легко сдвинуть с места небольшую яхту, пока она в воде и плавает.

Жидкости не обладают трением покоя и имеют текучесть. Это означает, что любая сколь угодно малая сила разгонит плавающий объект любой сколь угодно большой массы.

В воде огромный объект почти лишён трения с поверхностью — его вес поддерживает сила Архимеда, и остаётся преодолеть лишь сопротивление воды и инерцию самого тела. На суше, чтобы сдвинуть многотонный груз, нужно сначала преодолеть силу трения покоя между ним и землёй, а это может быть сравнимо с его весом. А вот плавающий объект уже невесом для поверхности. Его масса есть, но она не давит на дно, и трение минимально.

Для начала движения нужна совсем небольшая горизонтальная сила — она идёт не на оторвать предмет от опоры, а только на разгон. Конечно, потом вступает в игру и инерция — чем массивнее объект, тем медленнее он разгоняется, но если продолжать тянуть, он начнёт двигаться, и поддерживать его движение будет уже совсем легко, ведь сопротивление воды на малой скорости невелико. Именно поэтому маленький буксир способен толкнуть или потянуть судно, которое весит в сотни раз больше него — сила нужна не для подъёма, а только для медленного смещения центра масс и преодоления вязкого сопротивления воды. При таком раскладе даже мощная моторка способна утянуть огромный лайнер.

В XIX веке в Европе на речных каналах огромные баржи тянули лошадями. Лошади шли по набережной, таща баржи или небольшие суда по каналу. Сила трения воды была достаточно низкой, поэтому десяток–два лошадей могли сдвинуть баржу массой в сотни тонн, но, конечно, это не океанский корабль и всё равно некоторый баланс сил есть. Мы всё-таки говорим не про невесомость.

Буксирам же нужна мощность, чтобы делать это достаточно быстро, преодолевать сопротивление воды в начале движения судна и бороться с потоками воды. Потому просто сподручнее использовать их, чем тянуть корабли моторками. Впрочем, примерно по этой же причине буксиры не используют для преодоления океанов с прицепом в виде лайнера. Он сможет его тянуть, но скорость будет невероятно низкой.