Как укротить морскую волну? Она постоянно будоражит поверхность моря, непрерывно накатывается на берега, размывает и разрушает дамбы, причалы и набережные.
Укрощают морские волны каменной или даже деревянной стенкой — молом, ограждающим, к примеру, вход в порт или бухту. Всей своей мощью наваливается волна на могучую стенку мола, разбиваясь о него в "мокрую пыль".
С помощью молов и дамб защищают портовые и другие важные гидротехнические сооружения. Но с трудом возведенные человеком каменные защитные бастионы море подтачивает и разрушает.
Морские волны ударяют о препятствия с огромной силой и беспощадно разрушают их со временем. Например, при постройке мола в порту Зеебрюгге (Бельгия) волны опрокинули каменные массивы общим весом до 4500 тонн. Сто тонные глыбы на одном из молов в Алжире волной отшвырнуло на 8 метров. Во время сильного шторма волны сдвинули с места 13-тонные камни Одесского мола, словно это были детские кубики. 19 февраля 1953 года во время жестокого шторма волны разрушили громадный каменный волнолом длиной 4 километра и высотой 11 метров в Генуе, а потом, расчистив себе дорогу, ворвались в гавань и потопили почти все суда, стоявшие у причалов.
На открытых просторах Атлантики волна наваливается на преграду с силою в 30 тонн на каждый квадратный, метр поверхности. В Туапсинском порту на Черном море сила удара волн достигает порой 6 тонн на квадратный метр.
Неудивительно, что после такого сокрушительного натиска волн от могучих каменных молов подчас остается буквально мокрое место.
Деревянные молы намного дешевле каменных, но и гораздо менее надежны. Как ни смоли дерево, оно в воде гниет и разъедается морским жуком-древоточцем. Каменные молы, конечно, гораздо прочнее и долговечнее, но зато и дороже. Один погонный метр защитной стенки, сложенной из крупных камней, обходится минимум в 5-ть миллионов рублей. Если принять длину каменного мола даже всего в 500 метров (а это совсем маленькое сооружение подобного рода; имеются молы длиной более десяти километров!), он обойдется в 2,5 млрд рублей только прямых расходов. А постройка продлится годы.
Как быстро создать дешевые и вместе с тем эффективные волноломы — без камня и дерева? Человек уже давно задумывался над этой задачей. Однако найти техническое решение долго не удавалось. Но как порой и бывает, делу помог случай.
В 1906 году в США строили туннеля под дном реки Ист-Ривер. Молодой инженер Филипп Брешер, стоя на палубе парома, любовался проходившими судами. Он заметил, что на поверхность воды всплывает множество воздушных пузырьков (как потом выяснилось, сжатый воздух просачивался из подводного туннеля сквозь неплотности). От наблюдательного взора Брешера не укрылось, что пузырьки воздуха, поднимаясь там, где только что прошел пароход, успокаивали волнение, от судна. «Значит,— догадался Брешер,— воздух способен утихомиривать волны?»
Спустя год реклама возвестила о появлении новой фирмы: «Брешер и К°. Пневматические волноломы». В 1908 году Брешер соорудил первый пневматический волнолом в бухте Атлантик-Сити, чтобы защитить от наката волн так называемую «Миллионную дамбу». Сильный прибой был настолько успокоен воздушными пузырьками, что к дамбе подкатывала только легкая безвредная рябь.
Немного позднее у нефтяной пристани Сан-Педро в Калифорнии установили еще один пневматический волнолом. На дне бухты проложили трубы с просверленными отверстиями. В трубы подавался сжатый воздух с береговой компрессорной станции. Стена из воздушных пузырьков поднялась со дна моря на подступах к пристани. Как только волны достигали пузырчатой преграды, они немедленно рассеивались.
В Советском Союзе первый пневматический волнолом был устроен в 1930 году для защиты Туралинских рыбных промыслов на Каспийском море. На дне моря проложили 45 метров трехдюймовых труб с 5-миллиметровыми отверстиями, просверленными через каждые 15 сантиметров. Сжатый воздух подавался в трубы с компрессорной станции на берегу. Но этот опыт устройства пневматического волнолома оказался неудачным: как потом выяснилось, давление сжатого воздуха (всего 0,4 атмосферы) оказалось недостаточным, чтобы совладать с прибоем.
Спустя пять лет был устроен пневматический волнолом и на Черном море. Здесь уложили на дне бухты почти сто метров труб большего диаметра, чем на Каспии (4 дюйма). Отверстия в них просверлили меньшие, расположили их чаще — через каждые 10 сантиметров. Сжатый воздух подавался с береговой станции под давлением в 7,5 атмосфер. Эта попытка увенчалась полным успехом. И не потому, что инженер, строивший волнолом, «угадал», какие трубы применить и какое давление сжатого воздуха выбрать, а потому что постройке волнолома предшествовала кропотливая исследовательская работа в лабораториях и опытовых бассейнах. В результате волны высотой до 1,5 метров, гулявшие по бухте, были полностью погашены воздушными пузырьками.
А в 1955 году построили пневматический волнолом и на одном из участков Балтийского моря. При давлении сжатого воздуха в 7 атмосфер метровая волна была полностью утихомирена воздухом.
В английском городе Дувре устроили пневматический волнолом оригинальной конструкции. На морское дно опустили 37 секций, каждая из которых состоит из дюжины полиэтиленовых воздухораспределителей. Якорями для секций служат старые рельсы. Преимущества такого волнолома состоят в том, что запасы воздуха находятся тут же, на дне, в специальных хранилищах(ресиверах). При порче или неожиданной остановке берегового компрессора волнолом, используя собственные воздушные запасы, некоторое время будет исправно работать.
В СССР успешно испытаны пневматические волноломы на искусственных водохранилищах при сплаве леса. На таких водохранилищах порой гуляют волны весьма внушительных размеров. При формировании (сплотке) плотов их необходимо уберечь от ударов волн, иначе вся работа по формированию плота может пойти прахом.
Конечно, когда мысленно сравниваешь мощную каменную стену мола с какими-то дырявыми трубами пневматического волнолома, то поневоле отдаешь предпочтение внушительной громаде сооружения, похожего на скалу. Но, хотя воздушный пузырек и неказист, преимуществ у него больше, чем у каменной стены.
Какими же достоинствами обладает воздушный укротитель волн?
Каменную стену на другое место не перенесешь — она приросла на веки вечные к своему фундаменту. А трубы пневматического волнолома можно перенести куда угодно. Их легко разместить на дне моря или подвесить на любой высоте над дном при помощи якорей или поплавков. Каменная стена во время штиля бесполезна, но вода все равно подтачивает ее. Компрессор же включают лишь тогда, когда с моря начнет наваливаться волна. Трубы пневматического волнолома можно изогнуть как угодно. Самое же главное — пневматический волнолом в тысячи раз дешевле каменного. Последний довод противников пневматического гашения волн — дескать, трубы разъедаются ржавчиной — теперь уже несостоятелен: трубы изготовляют из полиэтилена — материала, не поддающегося коррозии в морской воде.
Воздушный пузырек оказался превосходным помощником человека и в других случаях.
В 1908 году в одной из бухт побережья штата Массачусетс в США потерпел аварию пароход «Янки». Спасательные работы были затруднены сильным волнением. «Янки» погибал на глазах у людей.
В старинных книгах о морских путешествиях рассказывается о том, что во время штормов капитаны судов приказывали выливать за борт десятки бочек масла, чтобы успокоить качку и унять громадные волны. Масло, разливаясь по воде, образует тончайшую пленку. Благодаря силе поверхностного натяжения пленка действительно усмиряет волнение, однако ненадолго. Чтобы успокоить качку, не хватит и тысяч бочек масла.
Пробовали выливать масло и с парохода «Янки» — в ход пошли все запасы машинной смазки. Но как ни пытались «умаслить» море, толку от этого было мало...
Тогда капитан подоспевшего на помощь спасательного судна приказал опустить возле «Янки» под воду на поплавках согнутую подковкой трубу длиной в 30 метров. В трубе имелись 6-миллиметровые отверстия. Компрессоры погнали в трубу сжатый воздух, и он стеною поднялся вокруг погибавшего судна. Четырехметровые волны были успокоены, они уже не мешали спасательным работам; пароход, находившийся на краю гибели, был вызволен.
Вот еще пример того, как сжатый воздух выступил в роли спасателя.
Возле шведского города Гётеборга строили новую верфь. При этом понадобилось удалить со дна водоема более 500 кубометров скального грунта. Сокрушить скалу отбойными молотками оказалось невозможно. Тогда решили применить подводный взрыв. Однако тут возникла новая трудность: неподалеку на берегу возвышалось здание насосной станции, которое могло пострадать при взрыве.
Вот тут-то инженеры фирмы «Гётаверкен», сооружавшей верфь, вспомнили о чудодейственной успокаивающей силе воздушного пузырька.
Тремя концентрическими дугами проложили на дне водоема, неподалеку от здания насосной станции, перфорированные полиэтиленовые трубы длиной по 60—70 метров. Зарокотали электрокомпрессоры. В шланги ринулся сжатый воздух. Тройной защитной стеной-подковой окружили воздушные пузырьки подступы к насосной станции. И в этот момент замкнули цепь детонаторов. Грянул взрыв, скала была разнесена на куски.
Здание насосной станции нисколько не пострадало. Взрывная волна, устремившись к зданию, натолкнулась на три линии воздушного заграждения; она была смята и отброшена прочь!
Слабенький воздушный пузырек оказался сильнее взрывчатки.
Где же, однако, искать причину того, что легкий и слабый воздушный пузырек выходит победителем в единоборстве с морскими и ударными взрывными волнами?
Советские ученые А. М. Васин, В. В. Шулейкин, И. М. Коновалов и другие тщательно исследовали действие пузырьков воздуха на волну. Одни ученые считают, что дело в величине давления сжатого воздуха: чем оно больше, тем эффективнее действие волнолома. Другие утверждают: взволнованная вода, отразившись от воздушных пузырьков, растрачивает свою энергию и успокаивается. Третьи считают, что успех дела решает количество пузырьков. Профессор И. М. Коновалов полагал, что быстро всплывающие пузырьки создают встречный ток воды, которая, взаимодействуя с волной, успокаивает ее.
Кто из ученых прав — сказать пока что трудно: много еще неясного имеется в механизме пневматического волногашения. Так или иначе, но опытным и расчетным путем было установлено, что наилучший успех достигается в том случае, если скорость встречного тока воды, образуемого поднимающимися вверх пузырьками воздуха, будет вчетверо меньше скорости волны. Вот тогда-то сжатый воздух быстро положит прибой «на обе лопатки»!
Гасящие свойства пузырьков воздуха оказались эффективными и при борьбе с огнем. Вот какой опыт был поставлен еще в 1930 году в Туапсинском порту.
На воду вылили горящую нефть. Нефть легче воды и, плавая на ней, горит вовсю. Тушить ее водой? Бессмысленно.
Горящую нефть погасили с помощью... сжатого воздуха. Пустили в ход компрессор волнолома. Сжатый воздух сквозь отверстия в трубе пузырьками устремился на поверхность горящего моря. И — чудо! Пожар прекратился. Горящая нефть была разбита на множество отдельных островков и погасла. На воде осталась лишь радужная пленка нефти...
Ученые и инженеры задумались над такой задачей: если сжатый воздух успешно расправляется с водой и огнем, то не сможет ли он выйти победителем и в поединке со льдом?
Оказалось, может!
Зимой 1955—1956 года на Волго-Донском канале имени В. И. Ленина была пущена установка для оттаивания льда. Сжатый воздух подавался компрессорами в просверленные трубы, уложенные на дно канала. Пузырьки воздуха стремглав поднимались наверх. Но всплыть на поверхность им не давала ледяная броня. Стало быть, компрессор работал зря?
Нет.
Разумеется, воздушный пузырек, поднимаясь на поверхность, не в состоянии был сломать толстый ледяной покров, сковавший канал. В пневматическом «ледоколе» сжатый воздух работал совсем иначе, чем в волноломе.
Выходя из просверленных труб, сжатый воздух энергично перемешивает придонные слои воды. Там, на дне, вода теплее, чем на поверхности, возле ледяного панциря. Воздушные пузырьки увлекают за собою теплую воду и сталкивают ее «лоб в лоб» со льдом. Ударяясь об лед, теплая вода постепенно подтачивает и растапливает его.
Результаты применения сжатого воздуха для поддержания майны превзошли всякие ожидания. В течение круглых суток майна не замерзала. И для этого достаточно было всего 3—4-часовой работы компрессора. «Изготовление» полыньи обошлось в несколько сот раз дешевле по сравнению с традиционным обкалыванием.
На шведском озере Меларен около побережья Балтийского моря с помощью «пневматического ледокола» зимой создают 60-мильный канал чистой воды, не замерзающий даже в самые лютые морозы. Ширина судоходного канала, промытого сжатым воздухом (для лучшего эффекта его предварительно подогревали), равнялась 20 метрам! Немало таких установок имеется и в Канаде — здесь сжатый воздух способствует продлению навигации на реке Святого Лаврентия.
Ученые подметили любопытную закономерность поведения воздушного пузырька. Во-первых, чем больше глубина акватории, тем эффективнее действие воздушных пузырьков по переносу тепла из придонных слоев к верхним. Разгадка этого явления заключается в том, что объем воздушных пузырьков по мере подъема наверх значительно увеличивается: следовательно, они в состоянии переносить большие количества теплой воды. Во-вторых, поток воздушных пузырьков предохраняет от замерзания поверхность воды диаметром, примерно равным глубине, на которой расположены перфорированные трубы. В-третьих, наибольший успех в борьбе со льдом достигается в том случае, если в районе действия "пневматического ледокола" нет сильного течения.
Был проделан и такой эксперимент. В 1960 году на дне замерзающего озера Онтарио уложили трубу диаметром 305 миллиметров и соединили ее с баллоном-ресивером, утопленным тут же, на дне. Когда в баллоне накапливается достаточное количество сжатого воздуха (его нагнетает береговой компрессор), он мгновенно устремляется в трубу и в виде одного громадного пузыря вылетает из трубы, ударяя о дно. Подобная «пушечная» обработка теплых придонных слоев воды оказалась весьма эффективной. Одна такая «пушка», расположенная на глубине 12 метров, поднимает за сутки чуть ли не 9000 тонн воды. Это позволяет поддерживать на поверхности незамерзающую круговую майну диаметром в 31 метр; даже двадцати пяти градусный мороз бессилен совладать с воздушным пушкарем!
Как только происходит «выстрел», баллон автоматически наполняется сжатым воздухом — мастер-невидимка опять готов сразиться со стужею.
Так воздушный пузырек сделал замерзающую воду незамерзающей и с успехом заменил портовый ледокол.
В заключение, о том, как сжатый воздух выручил работников одного судоремонтного завода.
Потребовалось на этом заводе зимой отремонтировать пароход. Судно благополучно ввели в док, но вслед ;за пароходом заплыло множество льдин. Пришлось ремонтникам вылавливать их и выбрасывать прочь — работа канительная и трудная.
В дальнейшем пробовали ставить у батопорта дока предохранительные решетки и щиты. Но они только мешали вводу судна, а главное, не могли полностью преградить дорогу непрошеным льдинам.
Тогда решили применить для борьбы со льдинами сжатый воздух. У батопорта дока разместили под самой поверхностью воды просверленные трубы, по которым пустили воздух, сжатый до 6 атмосфер.
Интересную картину можно было наблюдать, когда в док вводили очередное судно для ремонта. Стальная громада медленно втягивалась в док. А льдины, кружась и сталкиваясь, отплывали далеко назад, точь-в-точь как чаинки, когда отгоняешь их дуновением от края блюдца. Будто невидимые багры с силой отпихивали лед.
Воздушный пузырек дал льдинам от ворот поворот и сберег ремонтникам много времени и труда.
Отличные результаты были получены в 1963 году в Роттердамском порту и при использовании пневматического волнолома для борьбы с наносами ила. Сжатый воздух надежно преградил путь илистым частицам, которые в изобилии выносит река Маас в район порта. Двойная линия перфорированных нейлоновых труб, расположенных на глубине 13 метров, обеспечила создание двойной защиты акватории порта: сжатый воздух пресек вторжение ила. Вот как-то так!