Перенесёмся на почти 400 лет назад, в 1628 год. В России царствует Михаил Романов, страна потихоньку приходит в себя после тяжёлого и кровавого «смутного времени». Во Франции правят то ли король Людовик XIII, то ли его знаменитый первый министр – кардинал де Ришелье. По всей Европе уже десять лет идёт разорительная (как её потом назовут историки – «Тридцатилетняя») война. Амбициозный и храбрый король Швеции, талантливый полководец Густав Адольф II Васа, мечтает о самом мощном в мире боевом флоте...
Это сейчас Швеция – тихое и спокойное государство, которое (ну, по крайней мере на словах) не вмешивается в чужие военные конфликты; население страны – около 10 миллионов человек, то есть меньше населения одной только Москвы. В далёком XVII веке всё было совсем не так! Швеция была одной из ведущих европейских держав – с развитой промышленностью и великолепной по меркам того времени армией. Все берега Балтийского моря либо принадлежали Швеции, либо контролировались Швецией – это море называли «шведским озером». Из числа «мировых держав» Швецию выбьет Россия – но это будет уже в следующем, XVIII веке, при Петре I, а пока...
А пока Густав Адольф приказывает построить два огромных боевых корабля – «Тре крунур» (то есть «три короны», так до сих пор называют сборную Швеции по хоккею) и «Васа». Последний корабль должен был стать особенно потрясающим, недаром он носил имя самого короля! Это был 60-метровый фрегат, изумительно красивый, корму украшали резные скульптуры – свыше 700 скульптур! – и огромный герб Швеции, который поддерживали бронзовые львы. Вооружение было по тем временам мощнейшее – 64 пушки самой передовой конструкции.
Итак, 10 августа 1628 года фрегат «Васа» отправляется в своё первое плавание из гавани Стокгольма. Стояла прекрасная летняя погода, ярко светило солнце. Корабль был украшен лентами, вымпелами и флагами; на борту, помимо команды, было много женщин и детей – вечером предстоял большой праздник по случаю выхода «Васы» в море, поэтому матросам и офицерам разрешили «покатать» жён и ребятишек по Стокгольмской гавани. С берега за отплытием наблюдают тысячи горожан, настроение у всех превосходное, по приказу капитана все 64 пушки корабля салютуют...
Корабль прошёл примерно километр, и вдруг... На глазах у изумлённых зрителей ложится на борт, причём очень быстро, и буквально за считанные минуты тонет!
Сколько в тот солнечный августовский день утонуло людей, до сих пор никто не может сказать: если численность команды была известна, то приглашённых на борт гостей никто не считал... Кто-то пишет про 300 утонувших, кто-то про 400...
Кстати, в шестидесятые годы прошлого века «Васа» был поднят со дна, и теперь этот корабль можно увидеть в специальном музее фрегата «Васа» в Стокгольме.
И не только корабль. Фрегат затонул так быстро, что все вещи остались в матросских кубриках и офицерских каютах. Всего в музее насчитывается почти 30 тысяч самых разных экспонатов. Тут и посуда, и столовые приборы, и кожаная одежда, и обувь, в общем – всё, что моряк тогдашнего времени мог взять с собой в плавание. Обнаружили даже целый бочонок рома – водолазы вскрыли его, попробовали, и сказали, что ром «вполне приличный». Хотя пролежал на дне морском 333 года!
Но вернёмся в 1628 год. Сказать, что случился скандал и что король Густав Адольф был взбешен – это ничего не сказать. Началось расследование – но обвинять оказалось некого. Мастер, который спроектировал корабль и начинал его постройку, к тому времени уже умер. А тот мастер, который пришёл ему на смену, делал всё строго по чертежам своего предшественника. Которые, кстати, были подписаны лично королём!
В итоге дело замяли с формулировкой «дескать, никто не виноват, просто конструкция корабля изначально была неудачная».
А дело было в том, что в те далёкие времена даже самые опытные корабельные мастера строили корабли, руководствуясь интуицией, «на глазок». Наука о кораблестроении тогда ещё только-только зарождалась...
Методы математического анализа в теорию корабля – в том числе теорию «неопрокидывания» корабля, его остойчивости – ввёл французский физик, астроном и математик Пьер Бугер в середине XVIII века, в книге «Трактат о корабле, его построении и движении».
На корабль действуют две силы. Во-первых, сила тяжести. Притяжение Земли стремится погрузить корабль как можно глубже. Эта сила направлена перпендикулярно вниз, «в воду».
Вторая сила – это сила плавучести. Вода стремится вытолкнуть корабль на поверхность, она направлена перпендикулярно вверх.
Для простоты решения предположим, что масса нашего корабля сосредоточена в одной точке – центре тяжести (ЦТ). В точности так же предположим, что сила плавучести тоже сосредоточена только в одной точке – центре водоизмещения (ЦВ).
Если центр тяжести и центр плавучести расположены на одной вертикальной линии, то корабль находится в равновесии.
Но что произойдёт, если мы наклоним корабль? Скажем, налетел порыв ветра, или в борт ударила волна, или корабль наклонила отдача после залпа из пушек?
Помните, мы рассказывали «Почему Земля вращается»? В механике любая пара не равных друг другу сил, не лежащих на одной прямой, порождает «вращающий момент», то есть вращение.
А куда же будет направлен этот момент? А вот это как раз зависит от того, как расположены друг относительно друга центр тяжести и центр водоизмещения!
Если центр тяжести находится ниже, то вращающий момент стремится вернуть корабль в состояние равновесия.
Но что будет, если вдруг центр тяжести окажется выше? Тогда наш вращательный момент из друга моментально превращается во врага! Вместо того, чтобы выровнять корабль, он, напротив, стремится опрокинуть его «всё дальше и дальше»!
Следующий абзац можно не читать
Вертикальное положение корабля оказывается положением неустойчивого равновесия – в данной ситуации корабль чем-то напоминает циркового артиста, идущего по тонкой проволоке. Пьер Бугер не поленился и построил для воображаемого профиля поперечного сечения корабля большое количество перпендикуляров – нормалей, как говорят учёные, – и показал, что эти нормали «пучкуются», образуя огибающую (эвольвенту), или (снова по-научному) кривую метацентров.
Если центр тяжести находится «снизу» от кривой метацентров, то корабль будет остойчивым – при крене в сторону он будет возвращаться (как и положено «нормальному» кораблю) в исходное положение. Если же центр тяжести окажется «сверху» от кривой метацентров, то корабль неизбежно опрокинется.
Теперь опять можно читать
Помните книгу «Приключения капитана Врунгеля»? Для того, чтобы перевернуть яхту вверх килем и притвориться «подводной лодкой неизвестной конструкции», капитан вместе с экипажем привязали к верхушке мачты тяжёлый груз. Что при этом произошло, с точки зрения физики?
Центр тяжести оказался поднятым сильно вверх – и яхта перевернулась! А когда хитрость сработала, груз отвязали – и яхта встала «на ровный киль».
Кстати, наблюдение очень верное – парусные яхты обычно строятся с длинным и очень тяжёлым килем, похожим на плавник гигантской рыбы. Такой киль (и очень низко расположенный центр тяжести) позволяет удачно сконструированной яхте «встать прямо», как ванька-встанька, даже если её очень сильным порывом ветра «уложило на бок».
Итак, что же случилось с «Васой»?
По желанию короля Густава Адольфа корпус корабля был сделан очень узким, палубы для 64 пушек располагались высоко, а дополнительный балласт укладывать оказалось некуда. Тайком от короля мастера всё-таки «добавили» «Васе» ещё 2 с половиной метра ширины – но этого оказалось недостаточно. Центр тяжести оказался расположенным выше центра водоизмещения.
Таким образом, спущенный на воду корабль находился в состоянии неустойчивого равновесия, он был обречён с самого начала. Сильный порыв ветра (или отдача от пушечного залпа – тут историки до сих пор спорят друг с другом) накренил судно, оно достигло «предельного угла» и стало крениться всё дальше и дальше. В открытые пушечные порты хлынула вода. В итоге корабль «нахлебался воды» и затонул за считанные минуты.
Само собой, следствие решило, что король был ни в чём не виноват – во-первых, короли вообще никогда ни в чём не виноваты. А во-вторых, книжку Пьера Бугера Густав Адольф не читал – ведь она ещё не была написана!
Эта статья (по прошествию экспертизы уважаемых комментаторов) будет опубликована в октябрьском номере журнала "Лучик". А ещё в этом номере мы поговорим о том, как надо воспитывать родителей и что делать, если чувствуешь, что тебе не хватает свободы.
Знаете ли вы, что свободу можно "натренировать", как любое умение? А быть свободным – это именно умение. (Хотя большинство людей думает, что свобода – это не зависящее от человека обстоятельство.)
Подписаться на этот номер "Лучика" (октябрьский) можно на сайте Почты России.
Читайте также:
Бедная "Мэри Роуз". Как английский король погубил свой лучший военный корабль. Если бы не человеческие жертвы, эту историю можно было бы считать забавной...