В чем заключается эффект магнуса. Турбопаруса ведут корабли благодаря эффекту магнуса. Смотреть что такое "Эффект Магнуса" в других словарях
Люди иногда говорят, что в действительности бейсбольный мяч по дуге не летит, что это всего лишь оптический обман. Бейсболисты и ученые знают, что это не так. Подающий высшей лиги может заставить мяч отклоняться в сторону, вниз или вверх во время его полета в «дом». Траектория подачи определяется тем, какую скорость и направление вращения придаст мячу рука подающего. В соответствии с законами физики любое тело, похожее на движущийся в воздухе бейсбольный мяч, подвергается воздействию нескольких физических сил, совместное влияние которых и определяет траекторию его полета.
Бейсбольный мяч сшит красной ниткой, которая во время сшивания образует 216 стежков. При полете вращающегося мяча стежки вовлекают в круговое движение прилегающий к ним слой воздуха. В результате набегающий воздух движется быстрее там, где его направление совпадает с направлением вращения мяча. Чем быстрее движется воздух, тем меньшее давление он создает. Поэтому давление воздуха на стороне мяча, вращающейся в направлении движения набегающего потока, становится меньшим, чем на его противоположной стороне, вращающейся против потока. Аналогично тому как атмосферные воздушные массы движутся в сторону уменьшения давления, бейсбольный мяч отклоняется в направлении подкрутки, т. е. в ту сторону, с которой находится его боковая поверхность с более низким давлением. Мяч, поданный игроком высшей лиги, за полсекунды своего полета в «дом» совершает около 18 оборотов и может отклониться в сторону почти на 45 сантиметров.
Вращение и эффект Магнуса
Когда мяч летит, он испытывает лобовое сопротивление воздуха. На стороне мяча, вращающейся в направлении движения набегающего потока, это сопротивление меньше. Такой дисбаланс создает силу, направленную под прямым углом к направлению полета мяча. Известная под названием эффекта Магнуса, эта сила пропорциональна скорости вращения, скорости полета и лобовому сопротивлению.
"Дуговой" мяч
Подающий бросает «дуговой» мяч, подкручивая его запястьем, чтобы заставить мяч вращаться. Поданный правшой, такой мяч вращается вниз и влево (против часовой стрелки, если смотреть на мяч сверху) и в результате летит в нижний правый угол «дома». Так как набегающий поток воздуха движется быстрее на стороне мяча, вращающейся в направлении потока, мяч отклоняется влево и вниз.
"Винтовой" мяч
«Винтовой» мяч бросают, выгибая запястье в сторону тела, а не от него, как в случае «дугового» мяча. Такой изгиб запястья придает мячу направление вращения, противоположное «дуговому», и заставляет отклоняться мяч вверх и вправо. Поданный правшой «винтовой» мяч летит в правый верхний угол «дома».
"Быстрый" мяч
Хорошо поданный «быстрый» мяч - это не обычная прямая подача, а один из видов специальной подкрутки. При подаче «быстрого» мяча подающий подкручивает его так, чтобы мяч вращался назад, и в результате под действием эффекта Магнуса мяч отклоняется вверх. «Быстрый» мяч, летящий со скоростью 150 километров в час, может отклониться вверх почти на 10 сантиметров.
Подкрутка мяча
Различие между «быстрым», «дуговым» и «винтовым» мячами заключается в скорости и направлении вращения мяча. Эффект Магнуса заставляет мяч отклоняться в направлении своего вращения. Машина для подачи мячей придает им разные виды подкрутки, изменяя скорости вращения двух эжекторных колес. Подающий делает это, изменяя хват мяча.
Продолжая разговор о гидравлических и аэродинамических эффектах, следует особое внимание обратить на эффект, носящий имя известного немецкого учёного Генриха Магнуса, который в 1853 году предложил физическое объяснение искривления траектории полёта пушечного ядра, вызванное его случайным вращением. Полёт вращающегося ядра во многом подобен полёту подкрученного мяча в футболе или в теннисе. Вращение шара в полёте создаёт аэродинамическую силу, отклоняющую шар от прямой траектории полёта. Об этом удивительном аэродинамическом эффекте писал ещё сэр Ньютон, комментируя резанные удары в теннисе.
Обычно, центр тяжести пушечного ядра не совпадает с его геометрическим центром, что и вызывает небольшое закручивание снаряда при выстреле. Произвольное положение центра тяжести ядра перед выстрелом приводило к столь же произвольному отклонению траектории полёта ядра. Зная об этом недостатке, артиллеристы окунали ядра в ртуть и затем маркировали их по верхней точке плавучести. Промаркированные ядра назывались калибровочными.
При стрельбе калибровочными ядрами обнаружили, что в том случае, когда ядро закладывалось в орудие смещённым центром тяжести вниз получался “недолет”. Если же ядро закладывали центром тяжести вверх, то получался “перелет”. Соответственно, если центр тяжести располагался вправо, при полёте снаряда получалось отклонения вправо, при левом расположении центра тяжести снаряда - отклонение наблюдалось влево. У прусских канониров имелись специальные инструкции для стрельбы калибровочными ядрами.
В дальнейшем додумались изготавливать ядра с заведомо смещённым центром тяжести. Такие снаряды назывались эксцентрическими, и уже с 1830 года они стали применяться в войсках Пруссии и Саксонии. Правильно размещая эксцентрическое ядро в казённой части пушки, можно было до полутора раз увеличить дальность выстрела, не меняя положение ствола. Интересно, что учёные не имели к этому артиллерийскому новшеству никакого отношения.
Однако, просвещённый XIX век требовал “научного объяснения” всякого непонятного явления. И вот, прусские артиллеристы обратились к одному из признанных авторитетов зарождающейся аэродинамики – Генриху Магнусу за разъяснением криволинейной траектории полёта пушечного ядра.
Магнус предположил, что дело не в смещённом центре тяжести ядра, как таковом. Причину он видел во вращении ядра. Для проверки своей гипотезы, Магнус провёл серию лабораторных опытов с принудительным обдувом вращающегося тела, которым была не сфера, а цилиндры и конусы. Аэродинамическая сила, возникающая на цилиндре, действовала в том же направлении, что и сила, отклоняющая вращающееся ядро.
Таким образом, Магнус первым из физиков в лабораторных условиях наглядно промоделировал и подтвердил удивляющий всех эффект отклонения пушечного ядра от прямого полёта. К сожалению, никаких количественных измерений, в ходе своих аэродинамических опытов, Магнус не проводил, а лишь зафиксировал возникновение отклоняющей силы и совпадение её направления с тем, которое имело место в артиллерийской практике.
Строго говоря, Магнус не совсем точно смоделировал явление полёта закрученного ядра. В его экспериментах вращающийся цилиндр принудительно обдувался боковой струёй воздуха. В то время, как в реальной артиллерийской практике, ядро летит в неподвижном воздухе. В соответствие с теоремой Бернулли, давление воздуха в струе понижается пропорционально квадрату её скорости. В случае же движения тела в неподвижном воздухе, никакой реальной скорости струи нет, следовательно, и падения воздушного давления ожидать не приходится.
Кроме того, в опытах Магнуса фиксировалась сила, действующая на цилиндр строго перпендикулярно набегающей струе. В реальности же, вращение цилиндра или шара увеличивает также и силу лобового сопротивления, что оказывает существенное влияние на траекторию полёта снаряда.
Другими словами, сила Магнуса действует не строго перпендикулярно траектории полёта, а под некоторым углом, который Магнус исследовать не стал.
Во времена Магнуса среди физиков ещё не было представления об идентичности физических явлений, свойственных реальному полёту твёрдого тела и явлений, возникающих при набегании ветра на неподвижное тело. Поэтому пионеры аэродинамики, проводили свои первые опыты, сбрасывая модели с большой высоты, имитируя, тем самым, эффект реального полёта. Например, Эйфель активно использовал в аэродинамических опытах свою башню.
И только спустя много лет неожиданно выяснилось, что аэродинамические силы, возникающие при взаимодействии твёрдого тела с потоком жидкости или газа, почти идентичны, как при набегании потока на неподвижное тело, так и при движении тела в неподвижной среде. И, хотя эта идентичность невольно ставила под сомнение теорему Бернулли, справедливую для струйного течения с реальным скоростным напором, никто из аэродинамиков не стал копать глубже, поскольку формула Бернулли позволяла одинаково успешно предсказывать результаты обтекания тела, независимо от того, что реально движется – поток или твёрдое тело.
Людвиг Прандтль в своей Геттингенской лаборатории в начале XX века первым из учёных проделал серьёзное лабораторное исследование силы Магнуса, с замерами сил и скоростей.
В первой серии экспериментов скорость вращения цилиндра была невелика, поэтому ничего нового эти опыты не принесли, они лишь подтвердили качественные выводы Магнуса. Самое интересное началось в опытах с обдувом быстро вращающегося цилиндра, когда окружная скорость поверхности цилиндра в несколько раз превышала скорость набегающего воздушного потока.
Вот здесь и было впервые обнаружено аномально высокое значение отклоняющей силы, действующей на вращающийся цилиндр.
При пятикратном превышении окружной скорости вращения над скоростью потока, аэродинамическая сила на вращающемся цилиндре, в пересчёте на квадратный метр сечения цилиндра, оказалась в десять раз больше аэродинамической силы, действующей на крыло с хорошим аэродинамическим профилем.
Другими словами, сила тяги, на вращающемся роторе оказалась на порядок выше подъёмной силы самолётного крыла!
Невероятно большую аэродинамическую силу, возникающую при обтекании вращающегося цилиндра, Прандтль пытался объяснить на основе теоремы Бернулли, по которой давление в потоке жидкости или газа резко падает при увеличении скорости потока. Однако, такое объяснение мало убедительно, поскольку многочисленные аэродинамические опыты наглядно доказали, что падение давления на обтекаемой поверхности зависит от относительной скорости обтекания, а не от скорости потока.
При встречном вращении цилиндра относительно потока – относительная скорость обтекания растёт, следовательно, разрежение должно быть максимальным. При попутном вращении относительно потока – относительная скорость обтекания падает, следовательно, разрежение должно быть минимальным.
В реальности всё происходит с точностью до наоборот: в зоне попутного вращения разрежение максимально, а в зоне встречного вращения разрежение минимально.
Так за счёт чего же образуется тяга при обдуве вращающегося цилиндра?
Когда Магнус исследовал вращающийся цилиндр без бокового обдува, он заметил, что вблизи поверхности цилиндра наблюдается падение давления: пламя свечи, поставленной рядом с цилиндром, прижимается к поверхности цилиндра.
Под действием сил инерции, пристеночный слой воздуха стремится оторваться от вращающейся поверхности, создавая в зоне отрыва разрежение.
То есть, разрежение является следствием не самой по себе скорости струи, как это утверждает теорема Бернулли, а следствием криволинейной траектории струи.
При боковом обдуве ротора, в той зоне, где набегающий поток совпадает по направлению с движением пристеночного слоя, имеет место дополнительная раскрутка воздушного вихря и, отсюда, увеличение глубины разрежения.
Напротив, в зоне встречного движения бокового потока, относительно пристеночного слоя, наблюдается замедление вращения вихря и снижение глубины разрежения. Неодинаковость глубины разрежения по зонам ротора приводит к появлению результирующей боковой силы (силы Магнуса). Тем не менее, разрежение присутствует на всей поверхности ротора.
Пожалуй, самое важное следствие опытов Прандтля – возможность использования аномально большой силы на вращающемся роторе для движения корабля. Правда, эта идея пришла в голову не самому Прандтлю, а его соотечественнику – инженеру Антону Флеттнеру, о котором мы поговорим отдельно на следующих страницах.
Игорь Юрьевич Куликов
Нина Николаевна Андреева поможет оформить
патент на ваше изобретение
Глава 3 Эффект Магнуса и сила Лоренца
Аналогично крылу Жуковского – Чаплыгина, сила Магнуса возникает за счет разности давления потока среды на поверхность вращающегося цилиндра. Данный эффект был открыт немецким ученым Г. Г. Магнусом (H. G. Magnus) в 1852 году. На рис. 8 показана схема сложения векторов скоростей потока среды и поверхности вращающегося цилиндра.
Рис. 8. Эффект Магнуса для вращающегося цилиндра
В верхней части цилиндра (вид с торца), направление движения потока среды и поверхности вращающегося цилиндра совпадают, а в нижней части цилиндра, его поверхность движется навстречу потоку среды. Поскольку поток в нижней части вращающегося цилиндра тормозится его поверхностью, движущейся навстречу потоку, то динамическое давление потока уменьшается, а увеличивается статическое давление среды на поверхность, в соответствии с законом Бернулли о полном давлении потока. В результате, давление среды на верхнюю часть вращающегося цилиндра становится меньше, чем на нижнюю часть цилиндра. Возникает подъемная сила, как и при эффекте крыла, имеющего профиль Жуковского – Чаплыгина.
Эффект Магнуса хорошо известен футболистам и теннисистам, который используют его для создания криволинейной траектории полета закрученного мяча. При «крученом ударе», мяч летит прямолинейно, но вращается вокруг своей оси. В полете, на него набегает поток воздуха, что создает эффект Магнуса, и траектория полета искривляется. В результате такого удара, мяч летит по кривой, и попадает не туда, где его ждут…
Предположим, что мы сконструировали замкнутый поток движущейся среды (воздуха, воды и т. п.), в котором поставлены несколько вращающихся цилиндров, как показано на рис. 9. Допустим, что вращение каждого цилиндра обеспечивает независимый электропривод, с регулируемой скоростью и направлением вращения.
Рис. 9. Движитель на основе эффекта Магнуса
В отличие от конструкции с крылом, установленным в потоке движущейся среды, данная схема имеет важное преимущество: величину и направление осевой подъемной силы, можно менять за счет изменений величины скорости и направления вращения цилиндров. Скорость и направление циркулирующего потока можно не менять, что дает значительные преимущества по быстродействию и маневренности данного транспортного средства. Движитель данного типа может быть установлен вертикально или горизонтально, создавая силу тяги.
Интересная аналогия с эффектом Магнуса возникает при рассмотрении электромагнитного явления, известного, как сила Лоренца: на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, в направлении, показанном на рис. 10. О причине появления данной силы, ранее не было однозначного объяснения. Предполагая аналогии с эффектом Магнуса, можно трактовать силу Лоренца, как результат градиента давления эфирной среды. В докладе это было впервые показано, 1996 год.
Рис. 10. Сила Лоренца, как результат градиента давления эфира
Однако, на схеме рис. 10, мы получаем картину, обратную суперпозиции векторов, которая была показана на рис. 8. Сила Магнуса действует на цилиндр, вращающийся в потоке среды, в направлении согласованного движения поверхности цилиндра и среды. На рис. 10 показано, что сила Лоренца действует в направлении встречной суперпозиции векторов. Почему?
Дело в том, что вектора на рис. 10 показаны условно, согласно принятым обозначениям векторов электрического тока (потока положительно заряженных частиц) и магнитного поля. Направление движения реальных потоков электронов и эфирных частиц (вектора магнитных полей) отличаются от условных обозначений. Принципиально, эффект создается аналогично эффекту Магнуса, за счет градиента давления среды, обусловленного разной относительной скоростью, но электромагнитные системы используют эфирную среду, а не воздух или воду.
Важно отметить, что электрон или другая заряженная частица, которая при движении создает магнитное поле, является вращающимся объектом. Было бы точнее, считать ее линейное перемещение винтовой линией, правой или левой спиралью, в зависимости от знака электрического заряда данной частицы материи.
О структуре электрона написано немало, но мне хотелось бы рекомендовать читателю работу отца и сына Поляковых . Данные авторы рассматривали в своей книге «Экспериментальная гравитоника» строение электрона, и показали, что он может быть представлен, как замкнутый на себя фотон круговой поляризации, то есть, как динамический процесс движения электромагнитной волны круговой поляризации в замкнутом тороидальном пространстве. Позже, мы раскроем данный вопрос подробнее. Здесь только коротко отметим, что, при таком рассмотрении, появление магнитного поля, при движении заряженной частицы в эфире, имеет явную аналогию с возмущение физической среды, которое возникает при движении в данной среде вращающегося цилиндра или шара.
Можно сказать, что взаимодействие внешнего магнитного поля, поперек которого движется электрически заряженная частица, с ее собственным магнитным полем, отклоняет частицу таким же образом, как и поток воздуха отклоняет закрученный мяч, а именно, благодаря созданию градиента давления среды на движущуюся в ней частицу материи.
В таком случае, силы Лоренца и силы Ампера являются внешними силами, по отношению к проводникам с током, на которые они действуют, то есть, могут обеспечить их движение в пространстве.
Эти интересные аналогии между аэродинамикой и эфиродинамикой дают много конструктивных идей.
Из книги Фактор четыре. Затрат - половина, отдача - двойная автора Вайцзеккер Эрнст Ульрих фон8.3. Парниковый эффект и соглашение о климате Парниковый эффект занимает воображение людей всего мира. Все в определенной мере зависят от погоды и климата. Сама мысль, что человечество вмешивается в погоду, вызывает беспокойство. Чувство беспокойства усиливается от
Из книги Феномен науки [Кибернетический подход к эволюции] автора Турчин Валентин Фёдорович5.2. Эффект лестницы На нижней ступени гигантской каменной лестницы играет ребенок. Ступеньки высоки, и ребенок не может перебраться со своей ступеньки на следующую. Ему очень хочется посмотреть, что там делается; время от времени он пытается схватиться за край ступеньки и
Из книги Над картой Родины автора Михайлов Николай НиколаевичСИЛА МАГНИТА Задолго до революции было замечено, что в курских степях компас шалит. Его стрелка не смотрит прямо с юга на север, а отклоняется: в разных местах в разную сторону и с разной силой.Отмечая эти магнитные склонения, московский геофизик Эрнест Лейст вычертил
Из книги Баллистическая теория Ритца и картина мироздания автора Семиков Сергей АлександровичСИЛА ПОТОКА Электрические станции в большинстве построены у нас на дешевом топливе, которое раньше считалось бросовым: на буром угле, на торфе, на угольной мелочи. Но станции еще есть и на реках - на дешевом источнике энергии.Большую гидростанцию соорудить не легко. Надо
Из книги Боевые корабли автора Перля Зигмунд Наумович Из книги Новые космические технологии автора§ 1.15 Релятивистский эффект изменения массы Эксперименты Кауфмана одинаково хорошо объясняются как посредством допущения абсолютного движения с изменяющейся массой, так и посредством рассмотрения массы как постоянной, а движений как относительных. Также они вполне
Из книги Новые источники энергии автора Фролов Александр Владимирович§ 3.7 Ядерные спектры и эффект Мёссбауэра При максимально возможной опоре на механику или электродинамику необходимо указать физически наглядные математические операции, интерпретация которых через колебания подходящей модели приводит для неё к законам сериальных
Из книги Подземная гроза автора Орлов Владимир Из книги автора Из книги автораСила и скорость Большая скорость – очень важное преимущество в бою. Более быстрый корабль выбирает выгодную для себя позицию и дистанцию боя. Если его командир захочет, он всегда может увеличить или уменьшить дистанцию; если противник уклоняется от боя, он может его
Из книги автораГлава 16 Эффект Брауна В настоящее время, эффектом Бифельда – Брауна часто ошибочно называют реактивный эффект ионного ветра. Устройства, которые летают за счет ионизации воздуха, мы рассматривать не будем. В предлагаемых здесь схемах, ионизация может иметь место, но она
Из книги автораГлава 27 Хрональная движущая сила Развивая идею Вейника о том, что любой «интенсиал» вещества объекта (тела) может быть использован для генерирования хронального поля и изменения скорости хода времени, для данного материального объекта, рассмотрим простой пример
Из книги автораГлава 31 Эффект формы Возвращаясь к истории развития эфирной теории, необходимо отметь, что термин «эффект формы» был введен французскими исследователями Леоном Шомри и Андре де Белизалем в 30-х годах прошлого века . Наиболее известен эффект формы для пирамид, суть
Из книги автораГлава 4 Центробежная сила Российское патентное ведомство, как известно, не принимает заявки на патент, если в нем описано «движение за счет внутренних сил». Это правильно, но нельзя забывать о том, что все тела находятся в постоянном взаимодействии и энергообмене с эфиром,
Из книги автораСИЛА МИЛЛИАРДОВ ПРЕВРАЩЕНИЯ САМОВАРА Для начала давайте поставим самовар.Было углей в самоваре полно, а вскипел самовар - и на дне одна зола. Где угли?Как где? Сгорели. С кислородом соединились. Обернулись летучим газом и улетели в трубу. Это каждый знает. А кто не поверит,
Из книги автораСИЛА МИЛЛИАРДОВ Если обычный ураган разрушает целые поселки, то что способен наделать взрыв - железная буря?Взрыв, пожалуй, сдунет дома в целом городе, словно крошки с чайного стола.На деле этого не случается.Бывает, конечно, что взлетает от взрыва дом. Но соседним домам
Все видели как в футболе или теннисе мяч летит по невероятной траектории. Почему так происходит? Не помню по школьной программе, что бы нам про это рассказывали и мы всегда называли это просто «крученый» . А все таки какая сила заставляет летящий мяч описывать зигзаги?
Вот сейчас мы все это узнаем …
Этот эффект открыл немецкий физик Генрих Магнус в 1853 году. Суть явления в том, что мяч при вращении создает вокруг себя вихревое движение воздуха. С одной стороны объекта направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и скорость движения среды с этой стороны увеличивается. С другой стороны объекта направление вихря противоположно направлению движения потока, и скорость движения среды уменьшается. Эта разность скоростей порождает поперечную силу, которая меняет траекторию полета. Явление часто применяется в спорте, например, специальные удары: топ-спин, сухой лист в футболе или система Hop-Up в страйкболе.
Эффект Магнуса хорошо показан в этом видео. Брошенный с большой высоты вертикально вниз баскетбольный мяч, которому придали вращение, меняет траекторию и какое-то время летит горизонтально.
Эффект Магнуса был продемонстрирован на одной из дамб в Австралии. Баскетбольный мяч сперва был просто сброшен с нее, летел практически прямо вниз и приземлился в намеченной точке. Затем мяч сбросили с дамбы второй раз, при этом слегка подкрутив его (кстати, с эффектом Магнуса часто сталкиваются футболисты при подаче «крученых» мячей). В этом случае объект повел себя необычно. Видео с демонстрацией физического явления было выложено на хостинге YouTube, буквально за пару дней собрав более 9 млн просмотров и почти 1,5 тыс. комментариев.
Рис. 1 1 — пограничный слой
Движущийся поступательно (невращающийся) с относительной скоростью V0 цилиндр обтекается ламинарным потоком, являющимся невихревым (рис. 1b).
Если цилиндр вращается и одновременно движется поступательно, то два окружающих его потока наложатся друг на друга и создадут результирующий поток обтекания (рис. 1c).
При вращении цилиндра приходит в движение и жидкость. Движение в пограничном слое вихревое; оно слагается из потенциального движения, на которое накладывается вращение. Сверху цилиндра направление потока совпадает с направлением вращения цилиндра, а снизу — противоположно ему. Частицы в пограничном слое сверху цилиндра ускоряются потоком, что препятствует отрыву пограничного слоя. Снизу поток тормозит движение в пограничном слое, что способствует его отрыву. Отрывающиеся части пограничного слоя уносятся потоком в виде вихрей. Вследствие этого вокруг цилиндра возникает циркуляция скорости в том же направлении, в каком вращается цилиндр. Согласно закону Бернулли давление жидкости на верхнюю часть цилиндра будет меньше, чем на нижнюю. Это приводит к возникновению вертикальной силы, называемой подъемной силой. При изменении направления вращения цилиндра на противоположное, подъемная сила также меняет направление на противоположное.
В эффекте Магнуса сила Fпод перпендикулярна скорости потока V0. Чтобы найти направление этой силы нужно вектор относительно скорости V0 повернуть на 90° в сторону, противоположную вращению цилиндра.
Эффект Магнуса можно наблюдать на опыте со скатывающимся по наклонной плоскости легким цилиндром
Схема скатывающегося цилиндра
После скатывания по наклонной плоскости центр масс цилиндра движется не по параболе, как двигалась бы материальная точка, а по кривой, уходящей под наклонную плоскость.
Если заменить вращающийся цилиндр вихрем (вращающимся столбом жидкости) с интенсивностью J=2Sw , то сила Магнуса будет такой же. Таким образом, на движущийся вихрь со стороны окружающей жидкости действует сила, перпендикулярная к относительной скорости движения V0 и направленная в сторону, определяемую указанным выше правилом поворота вектора.
В эффекте Магнуса взаимосвязаны: направление и скорость потока, направление и угловая скорость, направление и возникающая сила. Соответственно можно измерять и использовать силу или измерять поток и угловую скорость.
Зависимость результата от воздействия имеет следующий вид (формула Жуковского-Кутта):
где J - интенсивность движения вокруг цилиндра;
r - плотность жидкости;
V0 - относительная скорость потока.
Ограничения на проявления физического эффекта: обеспечение ламинарного течения жидкости (газа) над объектом при подъемной силе, направленной вверх.
Эффект впервые описан немецким физиком Генрихом Магнусом в 1853 году.
Изучал физику и химию 6 лет - сначала в Берлинском университете, затем ещё год (1828) в Стокгольме, в лаборатории Йёнса Берцелиуса, а впоследствии в Париже у Гей-Люссака и Тенара. В 1831 году Магнус был приглашен лектором физики и технологии в Берлинский университет, потом был профессором физики до 1869 года. В 1840 году Магнус избран членом Берлинской академии, с 1854 года состоял членом-корреспондентом Петербургской академии наук.
Магнус неутомимо работал всю свою жизнь над разнообразнейшими вопросами физики и химии. Еще студентом (1825) он опубликовал первую свою работу о самовозгорании металлических порошков, в 1828 году открыл названную его именем платиновую соль (PtCl 2NH3). В 1827-33 годах занимался преимущественно химией, затем работами в области физики. Из этих последних наиболее известны исследования над поглощением газов кровью (1837-45), над расширением газов от нагревания (1841-44), над упругостями паров воды и водных растворов (1844-54), над термоэлектричеством (1851), электролизом (1856), индукцией токов (1858-61), теплопроводностью газов (1860), поляризацией лучистого тепла (1866-68) и вопросом о теплоцветности газов (с 1861).
Не менее известен Магнус и как учитель; из его лаборатории вышло большинство выдающихся современных немецких физиков, в ней работали и некоторые русские ученые.
источники
http://www.effects.ru/science/120/index.htm
http://naked-science.ru/article/video/video-effekt-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
Давайте вспомним какие то еще интересные эффекты в науке: вот например , а вот или . Вспомним еще про и Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -В Австралии физики-любители продемонстрировали эффект Магнуса в действии. Видеоролик с экспериментом, выложенный на хостинге YouTube, набрал более 9 млн просмотров.
Эффект Магнуса – физическое явление, возникающее, когда поток жидкости или газа обтекает вращающееся тело. При вращении летящего круглого тела вокруг него начинают циркулировать близлежащие слои воздуха. В результате в полете тело меняет направление движения.
Физики-любители для проведения эксперимента выбрали дамбу высотой 126,5 метра и обычный баскетбольный мяч. Сначала мяч был просто сброшен вниз, он летел параллельно дамбе и приземлился в отмеченной точке. Второй раз мяч сбросили, немного прокрутив вокруг своей оси. Летящий мяч пролетел по необычной траектории, наглядно продемонстрировав эффект Магнуса.
Эффект Магнуса объясняет, почему в некоторых спортивных состязаниях, например в футболе, мяч летит по странной траектории. Наиболее яркий пример “аномального” полета мяча можно было наблюдать после штрафного удара футболиста Роберто Карлоса во время матча 3 июня 1997 года между сборными Бразилии и Франции.
Корабль под турбопарусами!
Знаменитый документальный сериал «Подводная одиссея команды Кусто» великий французский океанограф снимал в 1960–1970-х годах. Основным кораблем Кусто был тогда переделанный из британского минного тральщика «Калипсо». Но в одном из последующих фильмов – «Повторное открытие мира» – появилось другое судно, яхта «Алкиона».
Глядя на нее, многие телезрители задавали себе вопрос: что это за странные трубы установлены на яхте?.. Может быть это трубы котлов или двигательных установок? Каково же может быть ваше изумление, если вы узнаете, что это ПАРУСА … турбопаруса …
Яхту «Алкиона» фонд Кусто приобрел в 1985 году, и рассматривался этот корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов - оригинального судового движителя. А когда спустя 11 лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла ее место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в порту Конкарно).
Собственно, турбопарус изобрел Кусто. Так же как акваланг, подводное блюдце и множество других приспособлений для исследования морских глубин и поверхности Мирового океана. Идея родилась еще в начале 1980-х и заключалась в том, чтобы создать максимально экологичный, но при этом удобный и современный движитель для водоплавающего средства. Использование силы ветра представлялось наиболее перспективным направлением исследований. Но вот незадача: парус человечество придумало несколько тысяч лет назад, а что может быть проще и логичнее?
Конечно, Кусто и компания понимали, что построить судно, приводимое в движение исключительно парусом, невозможно. Точнее, возможно, но его ходовые качества будут весьма посредственными и зависимыми от капризов погоды и направления ветра. Поэтому изначально планировалось, что новый «парус» будет лишь вспомогательной силой, применимой в помощь обычным дизельным двигателям. При этом турбопарус заметно снизил бы расход дизельного топлива, а при сильном ветре мог стать единственным движителем судна. И взгляд команды исследователей обратился в прошлое - к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, знаменитого авиаконструктора, внесшего серьезный вклад и в кораблестроение.
Турбопарус представляет собой полый цилиндр, снабженный специальным насосом. Насос создает разряжение с одной стороны турбопаруса, закачивая воздух внутрь паруса, наружный воздух начинает течь вокруг турбопаруса с разной скоростью и корабль начинает двигаться в перпендикулярном давлению воздуха направлении. Это очень напоминает подъемную силу действующую на крыло самолета - снизу крыла давление больше и самолет выталкивает вверх. Турбопарус позволяет двигаться кораблю против любого ветра, лишь бы хватило мощности насоса. Применяется как вспомогательная система для обычного судового двигателя. Два турбопаруса установленные на корабле команды Кусто «Алкион» позволяли экономить до 50% горючего.
Ротор Флеттнера и эффект Магнуса
16 сентября 1922 года Антон Флеттнер получил немецкий патент на так называемое роторное судно. А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Правда, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была обычным парусным судном.
Идея Флеттнера заключалась в использовании так называемого эффекта Магнуса, суть которого состоит в следующем: когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело. Дело в том, что вращающийся объект создает вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растет, а с противоположной - падает. Разница давлений и создает поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.
«Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», – писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.
Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус.
Эффект Магнуса
Германский авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер (1885–1961) вошел в историю мореплавания как человек, пытавшийся заменить паруса. Ему довелось долго странствовать на паруснике по Атлантическому и Индийскому океанам. На мачтах парусных судов той эпохи ставилось много парусов. Парусное оснащение было дорогостоящим, сложным, а в аэродинамическом отношении не слишком эффективным. Постоянные опасности подстерегали моряков, которым даже во время шторма надо было заниматься парусами на 40–50-метровой высоте.
Во время плавания у молодого инженера родилась мысль заменить паруса, требующие больших усилий более простым, но эффективным устройством, основным движителем которого также служил бы ветер. Раздумывая над этим, он вспомнил аэродинамические опыты, проводимые его соотечественником физиком Генрихом Густавом Магнусом (1802–1870). Ими было установлено, что при вращении цилиндра в потоке воздуха возникает поперечная сила с направлением, зависящим от направления вращения цилиндра (эффект Магнуса).
Один из его классических опытов выглядел следующим образом: «Латунный цилиндр мог вращаться между двумя остриями; быстрое вращение цилиндру сообщалось, как в волчке, шнуром.
Вращающийся цилиндр помещался в раме, которая, в свою очередь, легко могла поворачиваться. На эту систему пускалась сильная струя воздуха при помощи маленького центробежного насоса. Цилиндр отклонялся в направлении, перпендикулярном к воздушной струе и к оси цилиндра, притом в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925).
А.Флеттнер сразу подумал, что паруса можно заменить установленными на корабле вращающимися цилиндрами.
Оказывается, что там, где поверхность цилиндра движется против потока воздуха, скорость ветра уменьшается, а давление – увеличивается. С другой стороны цилиндра все наоборот – скорость воздушного потока возрастает, а давление – падает. Эта разница в давлениях с разных сторон цилиндра и является движущей силой, которая заставляет судно двигаться. Таков основной принцип действия роторного оборудования, которое использует силу ветра для движения судна. Все очень просто, однако только А.Флеттнер «не прошел мимо», хотя эффект Магнуса был известен уже более полувека.
К реализации замысла он приступил в 1923 году на одном озере недалеко от Берлина. Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 см, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла.
Капитаны парусных судов насмехались над цилиндрами А.Флеттнера, которыми он хотел заменить паруса. Изобретателю удалось заинтересовать своим изобретением состоятельных меценатов. В 1924 году на 54-метровой шхуне «Buckau» вместо трех мачт были смонтированы два роторных цилиндра. Эти цилиндры вращал дизельный генератор мощностью 45 л.с.
Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Собственно, никакого отличия от классических опытов Магнуса в конструкции не было. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной - пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила примерно в 50 раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор!
Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дешев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками - это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счет правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.
Турбопарусник Кусто - На 2011 год «Алкиона» является единственным в мире судном с турбопарусом системы Кусто. Смерть великого океанографа в 1997 году поставила крест на постройке второго подобного корабля, «Калипсо II», а другие кораблестроители опасаются непривычной конструкции…
Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров, легко мог идти переменными галсами под углом 25º к встречному ветру (для обычного паруса предел около 45º). Два цилиндрических ротора (высота 13,1 м, диаметр 1,5 м) позволили отлично сбалансировать судно - оно оказалось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки.
Испытания проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой - и никаких серьезных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперед или назад) определялось направлением вращения роторов.
В середине февраля 1925 г. шхуна «Buckau», вместо парусов снабженная роторами Флеттнера, вышла из Данцига (ныне – Гданьск) в Шотландию. Погода была плохой, а большинство парусников не осмеливались выходить из портов. В Северном море «Buckau» пришлось серьезно сразиться с сильными ветрами и большими волнами, однако шхуна накренялась на борт меньше, чем другие встреченные парусники.
Во время этого плавания не требовалось вызывать на палубу членов команды, чтобы они меняли паруса в зависимости от силы или направления ветра. Хватило одного вахтенного штурмана, который, не выходя из рубки, мог управлять деятельностью роторов. Раньше команда трехмачтовой шхуны состояла как минимум из 20 матросов, после ее переделки в роторный корабль хватило 10 человек.
В том же году на верфи был заложен второй роторный корабль - могучий грузовой лайнер «Барбара», приводимый в движение тремя 17-метровыми роторами. При этом для каждого ротора хватало одного маленького моторчика мощностью всего 35 л.с. (при максимальной скорости вращения каждого ротора 160 об/мин)! Тяга роторов была эквивалентна тяге винтового движителя вкупе с обычным корабельным дизелем мощностью около 1000 л.с. Впрочем, дизель на судне тоже наличествовал: в дополнение к роторам он приводил в движение винт (который оставался единственным движителем в случае безветренной погоды).
Многообещающие опыты побудили судоходную компанию «Rob.M.Sloman» из Гамбурга в 1926 году построить судно «Барбара». На нем заранее намечалось оборудовать турбопаруса – роторы Флеттнера. На судне длиной 90 м и шириной 13 м были смонтированы три ротора высотой около 17 м.
«Барбара», как и планировалось, в течение некоторого времени успешно перевозила фрукты из Италии в Гамбург. Примерно 30–40 % времени рейса судно шло благодаря силе ветра. При ветре в 4–6 баллов «Барбара» развивала скорость 13 узлов.
Планировалось испытать роторное судно в более длительных рейсах в Атлантическом океане.
Но в конце 1920-х грянула Великая депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и ее продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Все-таки ротор проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определенных ограничений по мощности и быстроходности. Флеттнер обратился к более перспективным исследованиям, а «Баден-Баден» в итоге затонул во время шторма в Карибском море в 1931 году. И о роторных парусах надолго забыли…
Начало роторных судов, казалось бы, было достаточно успешным, но они не получили развития и надолго были забыты. Почему? Во-первых, «отец» роторных судов А.Флеттнер погрузился в создание вертолетов и перестал интересоваться морским транспортом. Во-вторых, несмотря на все свои преимущества, роторные суда так и остались парусниками с присущими им недостатками, основной из которых – зависимость от ветра.
Роторами Флеттнера снова заинтересовались в 80-х годах ХХ в., когда ученые начали предлагать различные меры по смягчению потепления климата, снижению загрязнения, более рациональному расходованию топлива. Одним из первых о них вспомнил исследователь глубин француз Жак-Ив Кусто (1910–1997). Для испытания работы системы турбопарусов и снижения расхода дорожающего топлива двухмачтовый катамаран «Alcyone» (Алкиона – дочь бога ветров Эола) был переделан в роторное судно. Выйдя в морское плавание в 1985 году, он побывал в Канаде и Америке, обогнул мыс Горн, обошел Австралию и Индонезию, Мадагаскар и Южную Африку. Был перенесен в Каспийское море, где проплавал три месяца, занимаясь различными исследованиями. «Alcyone» до сих пор использует два разных движителя – два дизельных двигателя и два турбопаруса.
Турбопарус Кусто
Парусники строились и на протяжении XX века. В современных кораблях такого типа парусное вооружение сворачивается с помощью электромоторов, новые материалы позволяют заметно облегчить конструкцию. Но парусник парусником, а идея использовать энергию ветра кардинально новым способом витала в воздухе еще со времен Флеттнера. И ее подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.
23 декабря 1986 года, уже после того как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была спущена на воду, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и Бертран Шарье получили совместный патент № US4630997 на «устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание звучит следующим образом: «Устройство помещается в среду, движущуюся в некотором направлении; при этом возникает сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому. Устройство позволяет избежать использования массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональна площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?
В поперечном сечении турбопарус представляет собой нечто вроде вытянутой и скругленной с острого конца капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решетки, через одну из которых (в зависимости от необходимости движения вперед или назад) производится отсос воздуха. Для максимально эффективного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен небольшой вентилятор, приводимый в движение электромотором.
Он искусственно повышает скорость движения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент ее отрыва от плоскости турбопаруса. Это создает разрежение с одной из сторон турбопаруса, одновременно предотвращая образование турбулентных вихрей. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как результат - поперечная сила, способная приводить судно в движение. Собственно, турбопарус - это поставленное вертикально самолетное крыло, по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъемной силы самолета. Для того чтобы турбопарус всегда был повернут к ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе. Кстати, патент Кусто подразумевает, что воздух может отсасываться изнутри турбопаруса не только вентилятором, но и, к примеру, воздушным насосом - таким образом Кусто прикрыл калитку для последующих «изобретателей».
Собственно, впервые Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin à Vent) в 1981 году. Самым крупным успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк под присмотром более крупного корабля экспедиции.
А в апреле 1985 года в порту Ла-Рошель была спущена на воду «Алкиона» - первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сейчас она по-прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблем) флотилии команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и
нескольких винтов (что, кстати, позволяет сократить расход горючего примерно на треть). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил еще несколько подобных кораблей, но энтузиазм его соратников после ухода Кусто заметно спал.
Незадолго до смерти в 1997 году Кусто активно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его не успел. По последним данным, зимой 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ждала новой экспедиции.
И снова Флеттнер
Сегодня предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, знаменитая гамбургская компания Blohm + Voss после нефтяного кризиса 1973 года начала активную разработку роторного танкера, но к 1986-му экономические факторы прикрыли этот проект. Потом был целый ряд любительских конструкций.
В 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg).
В 2010 году появился третий в истории корабль с роторными парусами - тяжелый грузовик E-Ship 1, который был построен по заказу компании Enercon, одного из крупнейших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010 года корабль был впервые спущен на воду и совершил короткое плавание из Эмдена в Бремерхафен. А уже в августе он отправился в свой первый рабочий вояж в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов. Судно оборудовано четырьмя роторами Флеттнера и, конечно, традиционной силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Все-таки роторные паруса служат лишь вспомогательными движителями: для 130-метрового грузовика их мощности маловато, чтобы развивать должную скорость. Двигателями служат девять силовых установок Mitsubishi, а роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, использующей энергию отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.
А вот турбопарус Кусто пока остается в некотором забвении: «Алкиона» на сегодняшний день - единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт немецких кораблестроителей покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное - найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, глядишь, и все мировое судоходство перейдет на принцип, который талантливый немецкий ученый описал более 150 лет назад.
В Северном море в 2010 году можно было увидеть странное судно «E-Ship 1». На его верхней палубе возвышаются четыре высоких округлых трубы, однако из них никогда не клубится дым. Это – так называемые роторы Флеттнера, пришедшие на смену традиционным парусам.
Крупнейший в мире производитель ветряных силовых установок «Enercon» 2 августа 2010 спустил на воду на судоверфи Линденау в Киле 130-метровое роторное судно шириной 22 м, которое позднее было названо «E-Ship 1». Потом оно успешно было испытано в Северном и Средиземном морях, и в настоящее время перевозит ветряные генераторы из Германии, где их производят, в другие страны Европы. Оно развивает скорость в 17 узлов (32 км/час), одновременно перевозит более 9 тыс. тонн груза, его экипаж – 15 человек.
Расположенная в Сингапуре судопромышленная компания «Wind Again», занимающаяся созданием технологий по снижению расхода топлива и выбросов, предлагает устанавливать на танкерах и грузовых судах роторы Флеттнера особой конструкции (складные). Они позволят сократить расход топлива на 30–40 % и окупятся за 3–5 лет.
Действующая в Финляндии компания морской инженерии «Wartsila» уже планирует приспособить турбопаруса и на круизных паромах. Это связано со стремлением финского паромного оператора «Viking Line» сокращать расход топлива и загрязнение окружающей среды.
Использование роторов Флеттнера на прогулочных судах изучает университет Фленсбурга (Германия). Похоже, растущие цены на нефть и вызывающее тревогу потепление климата создают благоприятные условия для возвращения ветряных движителей.
Яхта конструкции Джона Марплса «Клодия» (Cloudia) представляет собой перестроенный тримаран Searunner 34. Первые тесты яхта прошла в феврале 2008 года в городе Форт-Пирс, Флорида, США, а ее создание финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной: она останавливалась и включала задний ход за считанные секунды, свободно двигалась под углом порядка 15° к ветру. Заметное улучшение характеристик по отношению к традиционному ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.
