Голфърите и тенисистите са запознати с тенденцията въртящата се топка да се отклонява от нормалната си траектория в посоката, в която се върти предната част на топката. Това явление се нарича ефект на Магнус. Според Rayleigh (том I, 343-346) ефектът на Магнус обикновено се обяснява качествено по следния начин.

Локалната скорост на въздуха спрямо топката, дължаща се на нейното въртене, е по-голяма от страната, където въртенето е насочено назад, отколкото там, където е насочено напред (виж Фиг. 3). Следователно, според уравнението на Бернули (3), налягането от едната страна

по-малко и това дава резултата в посока, съответстваща на наблюдаваното.

Въз основа на това обяснение е много трудно да се получи количествен резултат, тъй като нямаме определен начин да свържем въртенето с циркулацията - дори в случай на цилиндър. Прандъл направи героичен опит да определи поне максималната подемна сила, която, както той твърди, се постига, когато стойността на циркулацията се определя при условие, че има една единствена критична точка.

Въз основа на това той установи, че максималният коефициент е

Ориз. 3. Ефект на Магнус.

Напоследък тази стойност е надвишена - още един факт, който показва ненадеждността на нестрогото разсъждение.

Провалът на съществуващите обяснения на ефекта на Магнус е още по-ясно показан от следния парадокс на ефекта на Магнус.

Парадоксът на ефекта на Магнус. При ниски скорости на въртене посоката на отклонение всъщност е противоположна на тази, дадена от обяснението на Rayleigh (и наблюдавана от Magnus) 4).

За да се обясни този парадокс на ефекта на Магнус, очевидно трябва да се вземе предвид турбулентността на границата

слой е феномен, който все още не подлежи на математическо изследване като проблем с гранични стойности. Следователно, за всяко правилно тълкуване на реалната напречна сила при ниски скорости на въртене, трябва да се вземе предвид числото на Рейнолдс.

Феноменът "извеждане" е подобен на ефекта на Магнус. Артилеристите знаят от повече от сто години, че въртящите се снаряди са склонни да се отклоняват от вертикалната равнина, в която стрелят, и че това отклонение се случва в посоката на въртене на главата на снаряда. Този феномен обаче е бил неразбран в продължение на много години.

Едно неправилно обяснение е предложено от известния математик - Поасон. Той смята, че поради инерцията оста на снаряда изостава от посоката на допирателната към траекторията, както е показано схематично на фиг. 4, а.

Ориз. 4. Обяснение на ефекта на Магнус, според Поасон.

Следователно, на долната странатрябва да се създаде повече налягане и следователно повече триене. В съответствие с фиг. 4b, това би трябвало да доведе до отклонение в наблюдаваната посока. Погрешността на обяснението на Поасон става очевидна, ако се приложи към въртенето на топка за тенис: посоката на отклонение би била противоположна на обичайния ефект на Магнус!

Правилното обяснение е следното. С помощта на количествено изследване на жироскопичната стабилност може да се установи, че стабилна позицияоста на снаряда (с дясна спирална резба) е вдясно от допирателната към траекторията, а не над нея, както твърди Поасон. По този начин извеждането на снаряда се причинява главно от

Продължавайки разговора за хидравлични и аеродинамични ефекти, следва Специално вниманиеобърнете се към ефекта, кръстен на известния немски учен Хайнрих Магнус, който през 1853 г. предложи физическо обяснение за кривината на траекторията на полета на гюлето, причинена от произволното му въртене. Полетът на въртящо се ядро ​​в много отношения е подобен на полета на въртяща се топка във футбола или тениса. Въртенето на топката по време на полет създава аеродинамична сила, която отклонява топката от права траектория на полета. Сър Нютон пише за този невероятен аеродинамичен ефект, когато коментира отсечените удари в тениса.

Обикновено центърът на тежестта на гюлето не съвпада с геометричния му център, което предизвиква леко усукване на снаряда при изстрел. Произволното положение на центъра на тежестта на ядрото преди изстрела доведе до също толкова произволно отклонение на траекторията на полета на ядрото. Осъзнавайки този недостатък, артилеристите потопиха гюлетата в живак и след това ги маркираха според горна точкаплаваемост. Маркираните ядра се наричаха калибриране.

При стрелба с калибровъчни сърцевини се установява, че в случай, че сърцевината е поставена в оръдието с център на тежестта, изместен надолу, се получава „недострелване“. Ако ядрото беше положено с центъра на тежестта нагоре, тогава се получи „полет“. Съответно, ако центърът на тежестта на снаряда е разположен вдясно, по време на полета на снаряда се получават отклонения вдясно, ако центърът на тежестта на снаряда е наляво, отклонението се наблюдава наляво. Пруските артилеристи имаха специални инструкции за стрелба с калибрирани гюлета.

В бъдеще те мислеха да направят ядра с умишлено изместен център на тежестта. Такива черупки бяха наречени ексцентрични и от 1830 г. те започнаха да се използват във войските на Прусия и Саксония. Чрез правилното поставяне на ексцентричното ядро ​​в затвора на пистолета беше възможно да се увеличи обхватът на изстрела до един и половина пъти, без да се променя позицията на цевта. Интересното е, че учените нямат нищо общо с тази артилерийска иновация.

Просветеният 19 век обаче изисква „научно обяснение“ на всяко непонятно явление. И така, пруските артилеристи се обърнаха към един от признатите авторитети на нововъзникващата аеродинамика - Хайнрих Магнус за обяснение на криволинейната траектория на полета на гюле.

Магнус предположи, че въпросът не е в изместения център на тежестта на ядрото като такъв. Той вижда причината във въртенето на ядрото. За да провери хипотезата си, Магнус провежда серия от лабораторни експерименти с принудителен въздушен поток на въртящо се тяло, което не е сфера, а цилиндри и конуси. Аеродинамичната сила, генерирана върху цилиндъра, е действала в същата посока като силата, отклоняваща въртящото се ядро.

По този начин Магнус беше първият физик в лабораторията, който визуално моделира и потвърди удивителния ефект от отклонението на гюле от директен полет, изненадвайки всички. За съжаление Магнус не е извършил никакви количествени измервания в хода на своите аеродинамични експерименти, а само е регистрирал появата на отклоняваща сила и съвпадението на нейната посока с това, което се е случило в артилерийската практика.

Строго погледнато, Магнус не е моделирал съвсем точно феномена на полета на въртящо се ядро. В неговите експерименти въртящ се цилиндър беше насилствено издухан от странична струя въздух. Докато, както в реалната артилерийска практика, гюлето лети в неподвижен въздух. В съответствие с теоремата на Бернули, налягането на въздуха в струята намалява пропорционално на квадрата на нейната скорост. В случай на движение на тяло в неподвижен въздух няма реална скорост на струята, следователно не трябва да се очаква спад на налягането на въздуха.

Освен това, в експериментите на Магнус, силата, действаща върху цилиндъра, беше строго перпендикулярна на приближаващата струя. В действителност въртенето на цилиндъра или топката също увеличава силата на съпротивление, което оказва значително влияние върху траекторията на снаряда.

С други думи, силата на Магнус не действа строго перпендикулярно на траекторията на полета, а под някакъв ъгъл, който Магнус не е изследвал.

По времето на Магнус сред физиците все още не е имало представа за идентичността на физическите явления, присъщи на реалния полет на твърдо тяло, и явленията, които възникват, когато вятърът се движи върху неподвижно тяло. Затова пионерите на аеродинамиката проведоха първите си експерименти, изпускайки модели от голяма надморска височина, като по този начин симулира ефекта на истински полет. Например Айфел активно използва своята кула в аеродинамични експерименти.

И само много години по-късно изведнъж стана ясно, че аеродинамичните сили, възникващи от взаимодействието на твърдо тяло с течен или газов поток, са почти идентични, както когато потокът се движи върху неподвижно тяло, така и когато тялото се движи в неподвижна среда. И въпреки че тази идентичност неволно постави под въпрос теоремата на Бернули, която е валидна за струен поток с реално скоростно налягане, никой от аеродинамиците не започна да копае по-дълбоко, тъй като формулата на Бернули направи възможно еднакво успешно да се предскажат резултатите от поток около тяло, независимо от това какво всъщност се движи - поток или твърдо вещество.

Лудвиг Прандтл в своята лаборатория в Гьотинген в началото на 20 век е първият от учените, който прави сериозно лабораторно изследване на силата на Магнус, с измервания на сили и скорости.

В първата серия от експерименти скоростта на въртене на цилиндъра беше ниска, така че тези експерименти не донесоха нищо ново, те само потвърдиха качествените заключения на Магнус. Най-интересното започна в експерименти с издухване на бързо въртящ се цилиндър, когато периферната скорост на повърхността на цилиндъра беше няколко пъти по-висока от скоростта на насрещния въздушен поток.

Тук за първи път е открита аномално висока стойност на отклоняващата сила, действаща върху въртящ се цилиндър.

При петкратно превишаване на периферната скорост на въртене над скоростта на потока, аеродинамичната сила върху въртящия се цилиндър, изразена в квадратен метър от сечението на цилиндъра, се оказа десет пъти по-голяма от аеродинамичната сила, действаща върху крило с добър аеродинамичен профил.

С други думи, силата на тягата върху въртящия се ротор се оказа с порядък по-голяма от силата на повдигане на крилото на самолет!

Невероятно голямата аеродинамична сила, която възниква при обтичане около въртящ се цилиндър, Прандтл се опита да обясни въз основа на теоремата на Бернули, според която налягането в поток течност или газ пада рязко с увеличаване на скоростта на потока. Подобно обяснение обаче не е много убедително, тъй като многобройни аеродинамични експерименти ясно доказват, че спадът на налягането върху рационализирана повърхност зависи от относителната скорост на потока, а не от скоростта на потока.

При противоположно въртене на цилиндъра спрямо потока, относителната скорост на потока се увеличава, следователно разреждането трябва да бъде максимално. При преминаващо въртене спрямо потока относителната скорост на потока намалява, следователно разреждането трябва да бъде минимално.

В действителност всичко се случва точно обратното: в зоната на свързаното въртене вакуумът е максимален, а в зоната на противоположно въртене вакуумът е минимален.

И така, на какво се дължи тягата, генерирана при продухване на въртящ се цилиндър?

Когато Магнус изследва въртящ се цилиндър без страничен въздушен поток, той забелязва, че има спад на налягането близо до повърхността на цилиндъра: пламъкът на свещ, поставен до цилиндъра, е притиснат към повърхността на цилиндъра.

Под действието на инерционните сили пристенният слой въздух се стреми да се откъсне от въртящата се повърхност, създавайки разреждане в зоната на разделяне.

Тоест, разреждането не е следствие от самата скорост на струята, както гласи теоремата на Бернули, а следствие от криволинейната траектория на струята.

При странично издухване на ротора, в зоната, където насрещният поток съвпада по посока с движението на пристенния слой, има допълнително завъртане на въздушния вихър и следователно увеличаване на дълбочината на разреждане.

Напротив, в зоната на насрещното движение на страничния поток, спрямо пристенния слой, има забавяне на въртенето на вихъра и намаляване на дълбочината на разреждане. Неравномерната дълбочина на разреждане в зоните на ротора води до появата на резултантната странична сила (сила на Магнус). Вакуумът обаче е наличен по цялата повърхност на ротора.

Може би най-важната последица от експериментите на Прандъл е възможността за аномално използване голяма силана въртящ се ротор за задвижване на кораба. Вярно, тази идея не идва на самия Прандъл, а на неговия сънародник, инженер Антон Флетнер, за когото ще говорим отделно на следващите страници.

Игор Юриевич Куликов

Нина Николаевна Андреева ще ви помогне да подредите
патент за вашето изобретение

В Австралия физици аматьори демонстрираха ефекта на Магнус в действие. Видеото с експеримента, публикувано в YouTube хостинг, събра повече от 9 милиона гледания.

Ефектът на Магнус е физическо явление, което възниква, когато течност или газ текат около въртящо се тяло. Когато летящо кръгло тяло се върти, близките слоеве въздух започват да циркулират около него. В резултат на това тялото променя посоката на полет.

Аматьорите физици избраха за експеримента язовир с височина 126,5 метра и обикновена баскетболна топка. Първоначално топката беше просто хвърлена надолу, тя летеше успоредно на бента и се приземяваше в маркираната точка. Вторият път топката беше изпусната, като се завъртя малко около оста си. Летящата топка летеше по необичайна траектория, ясно демонстрирайки ефекта на Магнус.

Ефектът на Магнус обяснява защо при някои спорт, например във футбола топката лети по странна траектория. Най-яркият пример за "аномален" полет на топката може да се наблюдава след свободен удар на футболиста Роберто Карлос по време на мач на 3 юни 1997 г. между националните отбори на Бразилия и Франция.

Кораб под турбо платна!

Известната документална поредица "Подводната одисея на екипа Кусто" е заснета от великия френски океанограф през 60-те и 70-те години на миналия век. След това основният кораб на Кусто е преустроен от британския миночистач Калипсо. Но в един от следващите филми - "Преоткриването на света" - се появи друг кораб, яхтата Alcyone.

Гледайки я, много зрители си зададоха въпроса: какви са тези странни тръби, инсталирани на яхтата? .. Може би това са тръбите на котли или задвижващи системи? Представете си изненадата си, ако разберете, че това са ВЕТРИЛА ... турбоветрила ...

Фондация Cousteau придобива яхтата Alcyone през 1985 г. и този кораб се счита не толкова за изследователски кораб, а като база за изучаване на ефективността на турбоветрилата - оригиналното корабно задвижване. И когато 11 години по-късно легендарният "Калипсо" потъва, "Алкиона" заема нейното място като основен кораб на експедицията (между другото, днес "Калипсо" е вдигнат и е в полуразграбено състояние в пристанище Конкарно).

Всъщност Кусто е изобретил турбоветрилото. Както и акваланг, подводна чиния и много други уреди за изследване морски дълбинии повърхността на океаните. Идеята се ражда в началото на 80-те години на миналия век и е да се създаде най-екологичното, но същевременно удобно и модерно задвижване на водоплаващи птици. Използването на вятърна енергия изглеждаше най-обещаващата линия на изследване. Но тук е проблемът: човечеството е изобретило платното преди няколко хиляди години и какво може да бъде по-просто и по-логично?

Разбира се, Кусто и компанията разбират, че е невъзможно да се построи кораб, задвижван единствено от платна. По-точно, може би, но неговото шофиране ще бъде много посредствено и зависимо от капризите на времето и посоката на вятъра. Поради това първоначално е планирано новото "платно" да бъде само спомагателна сила, приложима в помощ на конвенционалните дизелови двигатели. В същото време едно турбоветрило значително би намалило консумацията дизелово гориво, а при силен вятър може да се превърне в единственото задвижване на кораба. И погледът на изследователския екип се обърна към миналото - към изобретението на немския инженер Антон Флетнер, известният авиоконструктор със сериозен принос в корабостроенето.

Турбоветрилото е кух цилиндър, оборудван със специална помпа. Помпата създава вакуум от едната страна на турбоветрилото, изпомпвайки въздух в платното, външният въздух започва да тече около турбоветрилото с различна скорости корабът започва да се движи в посока, перпендикулярна на налягането на въздуха. Това е много подобно на повдигащата сила, действаща върху крилото на самолет - налягането отдолу на крилото е по-голямо и самолетът се избутва нагоре. Турбоветрилото позволява на кораба да се движи срещу всеки вятър, стига да има достатъчно мощност на помпата. Използва се като спомагателна система за конвенционален корабен двигател. Две турбоветрила, инсталирани на кораба на екипа на Кусто "Alcyone", позволиха да се спестят до 50% гориво.

Ротор на Флетнер и ефект на Магнус

16 септември 1922 г. Антон Флетнер получава немски патент за така наречения ротационен кораб. И през октомври 1924 г. експерименталният ротационен кораб Buckau напуска запасите на корабостроителната компания Friedrich Krupp в Кил. Вярно е, че шхуната не е построена от нулата: преди монтирането на роторите Flettner, това беше обикновен ветроходен кораб.

Идеята на Флетнер е да използва т. нар. ефект на Магнус, чиято същност е следната: когато въздушен (или течен) поток тече около въртящо се тяло, се образува сила, която е перпендикулярна на посоката на потока и действа върху тялото. Факт е, че въртящ се обект създава вихрово движение около себе си. От страната на обекта, където посоката на вихъра съвпада с посоката на потока течност или газ, скоростта на средата се увеличава, а от другата страна намалява. Разликата в налягането създава напречна сила, насочена от страната, където посоката на въртене и посоката на потока са противоположни на страната, където съвпадат.

„Ветроходът Flettner е на устните на всички благодарение на необичайно ревностната вестникарска пропаганда“, пише Луис Прандъл в статията си за развитието на немски инженер.

Този ефект е открит през 1852 г. от берлинския физик Хайнрих Магнус.

Ефект на Магнус

Германският авиационен инженер и изобретател Антон Флетнер (1885–1961) влезе в историята на навигацията като човек, който се опита да замени платната. Той пътува дълго време на платноходка през Атлантическия и Индийския океан. Много платна са били поставени на мачтите на ветроходни кораби от онази епоха. Ветроходното оборудване беше скъпо, сложно и аеродинамично не много ефективно. Постоянни опасности дебнеха моряците, които дори по време на буря трябваше да плават на височина 40-50 метра.

По време на плаването на младия инженер хрумва идеята да замени платната, които изискват много усилия, с по-просто, но по-ефективно устройство, чийто основен двигател също ще бъде вятърът. Мислейки за това, той си спомни аеродинамичните експерименти, проведени от неговия сънародник физик Хайнрих Густав Магнус (1802-1870). Те установиха, че когато цилиндърът се върти във въздушния поток, възниква напречна сила с посока, зависеща от посоката на въртене на цилиндъра (ефектът на Магнус).

Един от неговите класически експерименти вървеше така: „Един месингов цилиндър може да се върти между две точки; бързото въртене на цилиндъра беше съобщено, както в горната част, с кабел.

Въртящият се цилиндър беше поставен в рамка, която от своя страна можеше лесно да се върти. Силна струя въздух беше издухана върху тази система с помощта на малък центробежна помпа. Цилиндърът се отклони в посока, перпендикулярна на въздушния поток и на оста на цилиндъра, освен това в посоката, в която посоките на въртене и струята бяха еднакви ”(L. Prandtl„ Ефектът на Магнус и корабът на вятъра ” , 1925).

А. Флетнер веднага помисли, че платната могат да бъдат заменени от въртящи се цилиндри, монтирани на кораба.

Оказва се, че там, където повърхността на цилиндъра се движи срещу въздушния поток, скоростта на вятъра намалява и налягането се увеличава. От другата страна на цилиндъра е обратното - скоростта на въздушния поток се увеличава, а налягането намалява. Тази разлика в налягането от различни партиицилиндър и е движещата сила, която кара кораба да се движи. Това е основният принцип на работа на ротационното оборудване, което използва силата на вятъра, за да движи плавателния съд. Всичко е много просто, но само А. Флетнер "не подмина", въпреки че ефектът на Магнус е известен повече от половин век.

Той започва да изпълнява плана през 1923 г. на езеро близо до Берлин. Всъщност Флетнър направи доста просто нещо. Той инсталира хартиен цилиндър-ротор с височина около метър и 15 см в диаметър на тестова лодка с дължина метър и адаптира часовников механизъм, за да го върти. И лодката изплува.

Капитаните на ветроходни кораби се подиграваха на цилиндрите на А. Флетнер, с които той искаше да замени платната. Изобретателят успя да заинтересува богати меценати с изобретението си. През 1924 г. на 54-метровата шхуна "Buckau" вместо три мачти са монтирани два въртящи се цилиндъра. Тези цилиндри се задвижват от дизелов генератор с мощност 45 к.с.

Роторите Bukau се задвижваха от електрически двигатели. Всъщност нямаше разлика от класическите експерименти на Магнус в дизайна. От страната, където роторът се въртеше към вятъра, беше създадена зона високо кръвно налягане, с обратното - намалена. Получената сила задвижи кораба. Освен това тази сила е около 50 пъти по-голяма от силата на натиска на вятъра върху неподвижен ротор!

Това отвори големи перспективи за Flettner. Освен всичко друго, площта на ротора и неговата маса бяха няколко пъти по-малки от площта на ветроходното въоръжение, което би дало еднаква движеща сила. Роторът беше много по-лесен за управление и беше доста евтин за производство. Отгоре Flettner покри роторите с плочи - това увеличи движещата сила около два пъти поради правилната ориентация на въздушните потоци спрямо ротора. Оптималната височина и диаметър на ротора за Букау бяха изчислени чрез продухване на модел на бъдещия кораб във аеродинамичен тунел.

Турбосейлер Кусто -Към 2011 г. Alkiona е единственият кораб в света с турбо-ветрило на Кусто. Смъртта на великия океанограф през 1997 г. сложи край на строителството на втория такъв кораб, Калипсо II, а други корабостроители се страхуват от необичаен дизайн ...

Роторът Flettner се оказа отличен. За разлика от конвенционалния ветроходен кораб, ротационният кораб практически не се страхуваше от лошо време и силни странични ветрове, лесно можеше да се движи на променливи халсове под ъгъл от 25º спрямо насрещния вятър (за конвенционално платно ограничението е около 45º). Два цилиндрични ротора (височина 13,1 м, диаметър 1,5 м) направиха възможно перфектното балансиране на плавателния съд - той се оказа по-стабилен от платноходката, която Букау беше преди преструктурирането.

Тестовете бяха проведени и в тишина, и в буря, и с умишлено претоварване - и не бяха установени сериозни недостатъци. Най-благоприятна за движението на кораба беше посоката на вятъра точно перпендикулярна на оста на кораба, а посоката на движение (напред или назад) се определяше от посоката на въртене на роторите.

В средата на февруари 1925 г. шхуната Buckau, оборудвана с ротори Flettner вместо платна, напуска Данциг (сега Гданск) за Шотландия. Времето беше лошо и повечето от ветроходите не смееха да напуснат пристанищата. В Северно море "Buckau" трябваше сериозно да се бори с силни ветровеи големи вълни, но шхуната, изброена на борда, е по-малко от другите срещани платноходки.

По време на това плаване не беше необходимо да се викат членове на екипажа на палубата, за да сменят платната в зависимост от силата или посоката на вятъра. Достатъчен беше един навигатор, който, без да напуска рулевата рубка, можеше да контролира дейността на роторите. Преди това екипът на тримачтова шхуна се състоеше от най-малко 20 моряци, след като беше превърнат в ротационен кораб, бяха достатъчни 10 души.

През същата година в корабостроителницата е положен вторият въртящ се кораб - мощният товарен кораб "Барбара", задвижван от три 17-метрови ротора. В същото време един малък двигател с мощност от само 35 к.с. беше достатъчен за всеки ротор. (при максимална скороствъртене на всеки ротор 160 об/мин)! Тягата на роторите беше еквивалентна на тягата на витло, свързано с конвенционален корабен дизелов двигател с мощност около 1000 к.с. Корабът обаче имаше и дизелов двигател: освен роторите, той задвижваше витлото (което оставаше единственият двигател в случай на тихо време).

Обещаващи експерименти подтикват корабната компания "Rob.M.Sloman" от Хамбург през 1926 г. да построи кораба "Барбара". Предварително беше планирано да се оборудват турбо платна - ротори Flettner. Три ротора с височина около 17 m бяха монтирани на съд с дължина 90 m и ширина 13 m.

"Барбара", както беше планирано, известно време успешно транспортира плодове от Италия до Хамбург. Приблизително 30-40% от времето на пътуването корабът се е движел поради силата на вятъра. При вятър от 4-6 бала "Барбара" развива скорост от 13 възела.

Беше планирано да се тества ротационният кораб на по-дълги плавания в Атлантическия океан.

Но в края на 20-те години на миналия век настъпва Голямата депресия. През 1929 г. чартърната компания отказва по-нататъшния лизинг на Barbara и тя е продадена. Нов собственикпремахнаха роторите и преобразуваха кораба по традиционната схема. И все пак роторът губи винтови витла в комбинация с конвенционална дизелова електроцентрала поради зависимостта си от вятъра и определени ограниченияпо отношение на мощност и скорост. Flettner се обърна към по-обещаващи изследвания и Баден-Баден в крайна сметка потъна в карибска буря през 1931 г. И те забравиха за роторните платна за дълго време ...

Началото на ротационните кораби, изглежда, беше доста успешно, но те не получиха развитие и бяха забравени за дълго време. Защо? Първо, "бащата" на ротационните кораби, А. Флетнер, се потопи в създаването на хеликоптери и престана да се интересува от морския транспорт. Второ, въпреки всичките си предимства, ротационните кораби остават платноходки с присъщите им недостатъци, основният от които е зависимостта от вятъра.

Роторите на Flettner отново се заинтересуваха през 80-те години на ХХ век, когато учените започнаха да предлагат различни мерки за смекчаване на затоплянето на климата, намаляване на замърсяването и по-рационално използване на горивото. Един от първите, които си спомнят за тях, е френският изследовател Жак-Ив Кусто (1910–1997). За да се тества работата на системата с турбо-ветрила и да се намали консумацията на растящите цени на горивото, двумачтовият катамаран Alcyone (Alcyone - дъщерята на бога на ветровете Eol) беше превърнат във въртящ се плавателен съд. След като влезе в морето през 1985 г., той посети Канада и Америка, заобиколи нос Хорн, обиколи Австралия и Индонезия, Мадагаскар и Южна Африка. Той е прехвърлен в Каспийско море, където плава три месеца, правейки различни изследвания. Alcyone все още използва две различни системи за задвижване - два дизелови двигателя и две турбо платна.

Турбоветрило Кусто

Платноходките се строят през целия 20 век. В съвременните кораби от този тип ветроходното въоръжение се сгъва с помощта на електрически двигатели, новите материали позволяват значително облекчаване на дизайна. Но платноходката си е платноходка и идеята за използване на вятърна енергия по радикално нов начин витае във въздуха от дните на Flettner. И е взето от неуморния авантюрист и изследовател Жак-Ив Кусто.

На 23 декември 1986 г., след изстрелването на Alcyone, споменат в началото на статията, Кусто и неговите колеги Люсиен Малавар и Бертран Шарие получават съвместен патент № US4630997 за „устройство, което създава сила чрез използването на движеща се течност или газ." общо описаниезвучи така: „Уредът се поставя в среда, движеща се в определена посока; в този случай възниква сила, която действа в посока, перпендикулярна на първата. Устройството избягва използването на масивни платна, при които движещата сила е пропорционална на площта на платното. Каква е разликата между турбо платно Cousteau и роторно платно Flettner?

В напречно сечение турбоветрилото представлява нещо като капка, която е удължена и заоблена от острия край. Отстрани на „капката“ има решетки за всмукване на въздух, през една от които (в зависимост от необходимостта от движение напред или назад) се изсмуква въздух. За най-ефективно засмукване на вятъра във въздухозаборника, на турбоветрилото е монтиран малък вентилатор, задвижван от електрически мотор.

Той изкуствено увеличава скоростта на движение на въздуха от подветрената страна на платното, засмуквайки въздушната струя в момента на отделянето й от равнината на турбоветрилото. Това създава вакуум от едната страна на турбоветрилото, като същевременно предотвратява образуването на турбулентни вихри. И тогава действа ефектът на Магнус: разреждане от една страна, като резултат - напречна сила, която може да задвижи кораба. Всъщност турбоветрилото е вертикално крило на самолет, поне принципът на създаване движеща силаподобен на принципа за създаване на подемна сила на самолет. За да бъде турбоветрилото винаги обърнато към вятъра в най-благоприятната посока, то е оборудвано със специални сензори и е монтирано на въртяща се платформа. Между другото, патентът на Кусто предполага, че въздухът може да бъде изсмукан от вътрешността на турбоветрилото не само от вентилатор, но и например от въздушна помпа - така Кусто затвори вратата за следващите "изобретатели".

Всъщност за първи път Кусто тества прототип на турбоветрило на катамарана Windmill (Moulin à Vent) през 1981 г. най-голямата успешно плуванекатамаранът пътуваше от Танжер (Мароко) за Ню Йорк под наблюдението на по-голям кораб от експедицията.

И през април 1985 г. в пристанището на Ла Рошел беше пуснат на вода Alkion - първият пълноправен кораб, оборудван с турбоветрила. Сега тя все още е в движение и днес е флагманът (и всъщност единственият основен кораб) на флотилията на Кусто. Турбоветрилата на него не са единственото задвижване, но спомагат за обичайното свързване на два дизелови двигателя и
няколко винта (което, между другото, намалява разхода на гориво с около една трета). Ако великият океанограф беше жив, той вероятно щеше да построи още няколко такива кораба, но ентусиазмът на неговите сътрудници след напускането на Кусто забележимо утихна.

Малко преди смъртта си през 1997 г. Кусто активно работи по проекта на кораба Calypso II с турбоветрило, но не успява да го завърши. По последни данни през зимата на 2011 г. Alkione е бил в пристанището на Каен и е чакал нова експедиция.

И отново Флетнер

Днес се правят опити да се възроди идеята на Флетнер и да се направят роторните платна масивни. Например известната хамбургска компания Blohm + Voss започна активно разработване на ротационен танкер след петролната криза от 1973 г., но до 1986 г. икономическите фактори покриха този проект. Тогава имаше редица аматьорски дизайни.

През 2007 г. студенти от университета във Фленсбург построиха катамаран, задвижван от въртящо се платно (Uni-cat Flensburg).

През 2010 г. се появи третият кораб с роторни платна - тежкият камион E-Ship1, който е построен по поръчка на Enercon, един от най-големите производители на вятърни турбини в света. На 6 юли 2010 г. корабът беше пуснат на вода за първи път и направи кратко пътуване от Емден до Бремерхафен. И още през август той отиде на първото си работно пътуване до Ирландия с товар от девет вятърни турбини. Корабът е оборудван с четири ротора Flettner и, разбира се, традиционна система за задвижване в случай на безветрие и за допълнителна мощност. Все пак роторните платна служат само като спомагателни витла: за 130-метров камион тяхната мощност не е достатъчна, за да развие необходимата скорост. Девет електроцентрали Mitsubishi служат като двигатели, а роторите се въртят от парна турбина, произведена от Siemens, използвайки енергията на отработените газове. Въртящите се платна спестяват 30 до 40% гориво при 16 възела.

Но турбоветрилото на Кусто все още остава в някаква забрава: "Алкион" днес е единственият пълноразмерен кораб с този тип задвижване. Опитът на германските корабостроители ще покаже дали има смисъл темата за платната, задвижвани от ефекта на Магнус, да се развива по-нататък. Основното нещо е да се намери икономическа обосновка за това и да се докаже неговата ефективност. И там, виждате, цялото световно корабоплаване ще премине към принципа, описан от талантлив немски учен преди повече от 150 години.

В Северно море през 2010 г. можеше да се види странен кораб "E-Ship 1". Горната му палуба е доминирана от четири високи, заоблени комина, но от тях никога не излиза дим. Това са така наречените ротори Flettner, които заменят традиционните платна.

На 2 август 2010 г. Enercon, най-големият производител на вятърни турбини в света, пусна в корабостроителницата Lindenau в Кил 130-метров ротационен кораб с ширина 22 метра, който по-късно беше наречен "E-Ship 1". Оттогава той беше успешно тестван в Северно и Средиземно море и в момента транспортира вятърни турбини от Германия, където се произвеждат, до други европейски страни. Развива скорост от 17 възела (32 км/ч), превозва едновременно повече от 9 хиляди тона товари, екипажът му е 15 души.

Базираната в Сингапур корабостроителна компания Wind Again, която разработва технологии за намаляване на разхода на гориво и емисиите, предлага инсталирането на специално проектирани ротори Flettner (сгъваеми) на танкери и товарни кораби. Те ще намалят разхода на гориво с 30-40% и ще се изплатят за 3-5 години.

Базираната във Финландия морска инженерна компания Wartsila вече планира да приеме турбоветрила на круизни фериботи. Това се дължи на желанието на финландския фериботен оператор Viking Line да намали разхода на гориво и замърсяването. заобикаляща среда.

Използването на ротори Flettner върху кораби за развлечение се проучва от университета във Фленсбург (Германия). Изглежда, че растящите цени на петрола и тревожното глобално затопляне създават благоприятни условия за завръщането на вятърните турбини.

Cloudia на Джон Марпълс е преустроен тримаран Searunner 34. Яхтата е тествана за първи път през февруари 2008 г. във Форт Пиърс, Флорида, САЩ и е финансирана от Discovery. "Клодия" се оказа невероятно маневрена: тя спря и се включи обратенза няколко секунди, свободно се движеше под ъгъл от около 15 ° спрямо вятъра. Забележимото подобрение на производителността в сравнение с традиционния ротор Flettner се дължи на допълнителните напречни дискове, монтирани към предните и задните ротори на тримарана.

Всеки е виждал как във футбола или тениса топката лети по невероятна траектория. Защо се случва това? Не помня до училищна програма, какво ще ни кажат за него и винаги сме го наричали просто "засукано". Но все пак каква сила кара летящата топка да описва зигзаг?

Сега всички откриваме...

Този ефект е открит от немския физик Хайнрих Магнус през 1853 г. Същността на явлението е, че топката по време на въртене създава вихрово движение на въздуха около себе си. От едната страна на обекта посоката на вихъра съвпада с посоката на обтичане и скоростта на средата от тази страна се увеличава. От другата страна на обекта посоката на вихъра е противоположна на посоката на потока и скоростта на средата намалява. Тази разлика в скоростта генерира странична сила, която променя траекторията на полета. Феноменът често се използва в спорта, напр. специални ритници: топ въртене, сух лист във футбола или хоп-ъп система в еърсофт.

Ефектът на Магнус е добре показан в това видео. Баскетболна топка, хвърлена от голяма височина вертикално надолу, която се върти, променя траекторията си и лети хоризонтално за известно време.

Ефектът на Магнус е демонстриран на язовир в Австралия. Първоначално баскетболната топка просто беше изпусната от нея, полетя почти право надолу и се приземи в предвидената точка. След това топката беше хвърлена от язовирната стена за втори път, докато леко я усукваше (между другото, футболистите често срещат ефекта на Магнус, когато сервират „усукани“ топки). В този случай обектът се е държал необичайно. Видео демонстрация физическо явлениебеше публикуван в YouTube хостинг само за няколко дни, събирайки повече от 9 милиона гледания и почти 1,5 хиляди коментара.

Ориз. 1 1 — граничен слой

Цилиндър, движещ се постъпателно (невъртящ се) с относителна скорост V0, обтича ламинарен поток, който е невихров (фиг. 1б).

Ако цилиндърът се върти и едновременно с това се движи напред, тогава двата потока около него ще се припокрият и ще създадат получения поток около него (фиг. 1в).

Когато цилиндърът се върти, течността също се движи. Движението в граничния слой е вихрово; то се състои от потенциално движение, върху което се наслагва ротация. В горната част на цилиндъра посоката на потока съвпада с посоката на въртене на цилиндъра, а в долната част е противоположна на нея. Частиците в граничния слой в горната част на цилиндъра се ускоряват от потока, което предотвратява отделянето на граничния слой. Отдолу потокът забавя движението в граничния слой, което допринася за неговото отделяне. Откъснатите части на граничния слой се отнасят от потока под формата на вихри. В резултат на това се получава циркулация на скоростта около цилиндъра в същата посока, в която се върти цилиндърът. Според закона на Бернули, налягането на течност върху Горна частцилиндърът ще бъде по-малък от дъното. Това поражда вертикална силанаречена подемна сила. Когато посоката на въртене на цилиндъра е обърната, повдигаща силасъщо обръща посоката.

При ефекта на Магнус силата F под е перпендикулярна на скоростта на потока V0. За да намерите посоката на тази сила, трябва да завъртите вектора спрямо скоростта V0 с 90 ° в посока, обратна на въртенето на цилиндъра.

Ефектът на Магнус може да се наблюдава в експеримент със светлинен цилиндър, който се търкаля надолу по наклонена равнина.

Схема на търкалящ се цилиндър

След като се търкаля надолу по наклонена равнина, центърът на масата на цилиндъра не се движи по парабола, както би се движила материална точка, а по крива, минаваща под наклонената равнина.

Ако заменим въртящия се цилиндър с вихър (въртящ се течен стълб) с интензитет J=2Sw, тогава силата на Магнус ще бъде същата. По този начин сила, действаща върху движещия се вихър от страната на заобикалящия флуид, е перпендикулярна на относителната скорост V0 и насочена към страната, определена от горното правило за въртене на вектора.

В ефекта на Магнус са свързани помежду си: посоката и скоростта на потока, посоката и ъгловата скорост, посоката и произтичащата сила. Съответно силата може да бъде измерена и използвана или може да се измери потокът и ъгловата скорост.

Зависимостта на резултата от въздействието има следната форма (формула на Жуковски-Кута):

където J е интензивността на движение около цилиндъра;

r е плътността на течността;

V0 - относителна скорост на потока.

Ограничения за проявление физически ефект: осигуряване на ламинарен поток от течност (газ) върху обект с повдигаща сила нагоре.

Ефектът е описан за първи път от немския физик Хайнрих Магнус през 1853 г.

Учи физика и химия в продължение на 6 години – първо в Берлинския университет, след това още една година (1828) в Стокхолм, в лабораторията на Йонс Берцелиус, а по-късно в Париж при Гей-Люсак и Тенар. През 1831 г. Магнус е поканен като преподавател по физика и технологии в Берлинския университет, след което е професор по физика до 1869 г. През 1840 г. Магнус е избран за член на Берлинската академия, от 1854 г. е член-кореспондент на Санкт Петербургската академия на науките.

През целия си живот Магнус работи неуморно върху най-разнообразни въпроси на физиката и химията. Още като студент (1825 г.) той публикува първата си работа върху спонтанното запалване на метални прахове, а през 1828 г. открива платинената сол (PtCl 2NH3), наречена на негово име. През 1827-33 г. той се занимава главно с химия, след това работи в областта на физиката. От тях най-известни са изследванията върху абсорбцията на газове от кръвта (1837-45), върху разширяването на газовете от нагряване (1841-44), върху еластичността на водните пари и водните разтвори (1844-54), на термоелектричество (1851), електролиза (1856), индукция на токове (1858-61), топлопроводимост на газове (1860), поляризацията на лъчиста топлина (1866-68) и въпросът за калоричността на газовете (от 1861).

Не по-малко известен е Магнус като учител; повечето от изключителните съвременни немски физици са излезли от неговата лаборатория, а някои руски учени също са работили в нея.

източници

http://www.effects.ru/science/120/index.htm

http://naked-science.ru/article/video/video-effect-magnusa-v-deistvi

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D1%83%D1%81,_%D0%93%D0%B5%D0%BD %D1%80%D0%B8%D1%85_%D0%93%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2

Нека си спомним някои други интересни ефекти в науката: например, и тук или. Нека си спомним и за Оригиналната статия е на уебсайта InfoGlaz.rfЛинк към статията, от която е направено това копие -

Отвъд ослепителното външен види забавен глас Дейвид Бекъм е известен със своите изкривени удари. Като начало той изтича назад и след съдийския сигнал изтича напред и леко удари топката десен крак. Изглеждаше, че топката лети по грешна траектория и няма да удари целта, но изведнъж започна да се върти в правилната посока.

Twisted от Робърт Карлос

Траекторията на топката е измамна за вратаря: тя се завърта достатъчно, за да може да лети до голлинията. Добре позната каскада от този вид остава „невъзможният гол“, изпълнен от Роберто Карлос срещу Франция на Световното първенство през 1998 г. Може да станете свидетели на истинско чудо.

Това явление може да се наблюдава не само във футбола, но и в ръгбито, тениса, тенис на маса, баскетбол, бейзбол и всеки спорт, който включва топка.

Нещо повече, топките не се въртят само в една посока; обратите в бейзбола и футбола са еднакво нехаресвани както от нападателите, така и от вратарите заради тяхната променливост. Този тип движение се нарича ефектът на Магнус.

Какво представлява магнусовият ефект?

Ефектът е кръстен на немския физик Густав Магнус, който за първи път го описва през 1853 г. Въпреки това, първият, който го открива и разбира природата му, е Исак Нютон. Наглеждане тенис мачв Кеймбридж Нютон забеляза как, когато се удари отдолу нагоре (горно въртене), топката пада по-бързо, отколкото може да се очаква. Напротив, завъртането на топката по определен начин й придава обратно въртене, което я кара внимателно да се издига и плъзга над повърхността на малка височина.

За да разберем защо, нека направим най-важното за разрешаване физически задачи- Начертайте диаграма.

Диаграмата показва топка, която лети напред и се върти по посока на часовниковата стрелка.„Решетката“ от стрелки е изображение на силите на съпротивление на насрещните въздушни потоци. Съпротивлението на въздуха е това, което усещате, когато карате колело или подавате ръка през прозореца на движеща се кола.

Линиите на съпротивителното поле са насочени в една посока с движението на дъното на топката и в обратна посока с движението на върха на топката. Първите създават зона ниско налягане, докато турбуленцията от другата страна на топката създава зона с високо налягане.

Тази разлика в налягането завърта топката в посоката на разликата в налягането, от високо към ниско. Това усукване може да бъде причинено от действието на някаква сила. Тя се изобразява със стрелка, перпендикулярна на оста на въртене, по посока на разликата в налягането и се нарича сила на Магнус.

Силата на Магнус е следствие от Третия закон на Нютон. Тази сила е равна и противоположна на силата, която въздухът упражнява върху топката, в отговор на силата, която топката упражнява върху въздуха.

Обектът удря въздуха и като реакция въздухът избутва обекта в обратна посока. Ефектът на Магнус може да се види в бейзболните топки, топки за тенис, топки за крикет и пинг-понг. Ефектът се засилва и става по-забележим точно при игра на пинг-понг, поради малкия размер и ниската плътност на топките. Правилно попадениехвърля топката по-далеч и противникът не може да я достигне. Същият принцип обяснява как летят самолетите Flettner (моторни самолети).

Изкривени бийтове

И накрая, нека поговорим за ударите със завъртане, които в бейзбола и футбола се изпълняват поради ефекта на Магнус, който се проявява при невъртящи се топки. В този случай топката става послушна, поддавайки се на поривите на настъпващия въздушен поток. Без въртене няма диференциално налягане за задвижване на топката.

Топката се върти непредвидимо. Следователно, удрящият не може да предвиди траекторията на топката и точката, където тя ще лети.

Разбира се, изисква се умение, за да се изпълни добър удар със завъртане - изстрелвайки топката твърде бавно, тя се приземява преждевременно, твърде бързо, ще прелети и ще пропусне целта. Разбира се, точността на ударите може да се постигне само след много години интензивни тренировки. Въпреки това, той дори не може да гарантира 100% резултат.