§ 3.7 Tuumaspektrid ja Mössbaueri efekt Maksimaalselt mehaanikale või elektrodünaamikale tuginedes on vaja näidata füüsiliselt selgeid matemaatilisi tehteid, mille tõlgendamine sobiva mudeli vibratsioonide kaudu viib jadaseadusteni.

Tugevus ja kiirus Suur kiirus on lahingus väga oluline eelis. Kiirem laev valib soodsa positsiooni ja lahingukauguse. Kui tema ülem soovib, võib ta alati distantsi suurendada või vähendada; kui vaenlane väldib lahingut, saab ta seda teha

16. peatükk Browni efekt Praegu nimetatakse Biefeldi-Browni efekti sageli ekslikult ioontuule reaktiivseks efektiks. Me ei võta arvesse seadmeid, mis lendavad õhu ionisatsiooni tõttu. Siin pakutud skeemides võib ionisatsioon toimuda, kuid see

27. peatükk Krooniline liikumapanev jõud Arendades Veiniku ideed, et objekti (keha) substantsi mis tahes "intensiivsust" saab kasutada kroonvälja genereerimiseks ja antud materiaalse objekti aja kiiruse muutmiseks, vaatleme lihtsat näidet.

31. peatükk Vormiefekt Tulles tagasi eeterliku teooria arenguloo juurde, tuleb märkida, et mõiste “vormiefekt” võtsid kasutusele prantsuse teadlased Leon Shomri ja Andre de Belizal eelmise sajandi 30. aastatel. Tuntuim kujuefekt on püramiidide puhul, essents

4. peatükk Tsentrifugaaljõud Venemaa Patendiamet ei võta teadaolevalt vastu patenditaotlusi, mis kirjeldavad „sisemiste jõudude tõukejõudu”. See on õige, kuid me ei tohi unustada, et kõik kehad on pidevas koostoimes ja energiavahetuses eetriga,

MILJARDITE JÕUD SAMOVARI MUUDMISEKS Kõigepealt paneme samovari selga.Samovar oli süsi täis, aga samovar kees - ja põhjas oli ainult tuhk. Kus on söed, näiteks kus? Läbi põlenud. Seotud hapnikuga. Need muutusid lenduvaks gaasiks ja lendasid korstnasse. Kõik teavad seda. Ja kes ei usuks?

MILJARDITE JÕUD Kui tavaline orkaan hävitab terveid külasid, siis mida saab teha plahvatus - raudtorm? Võib-olla lööb plahvatus kogu linnas maju laiali nagu puru teelaualt. Muidugi juhtub, et maja lendab plahvatuse eest üles. Aga naabermajadesse

Voolu suund. See on selliste füüsikaliste nähtuste nagu Bernoulli efekt ja voolujoonelise objekti ümbritsevas keskkonnas piirkihi moodustumise koosmõju tulemus.

Pöörlev objekt tekitab seda ümbritsevas keskkonnas keerise. Objekti ühel küljel langeb keerise suund kokku seda ümbritseva voolu suunaga ja vastavalt sellele suureneb keskkonna liikumiskiirus sellel küljel. Teisel pool objekti on keerise suund vastupidine voolu suunale ja keskkonna kiirus väheneb. Selle kiiruse erinevuse tõttu tekib rõhkude erinevus, mis tekitab põikjõu pöörleva keha sellelt küljelt, millel pöörlemissuund ja voolu suund on vastupidised, küljele, kus need suunad langevad kokku. Seda nähtust kasutatakse sageli spordis, vaata näiteks spetsiaalseid lööke: topspin, jalgpallis kuivleht või airsoftis Hop-Up süsteem.

Seda efekti kirjeldas esmakordselt saksa füüsik Heinrich Magnus 1853. aastal.

Valem jõu arvutamiseks

Ideaalne vedelik

Isegi kui vedelikul puudub sisehõõrdumine (viskoossus), saab tõusu mõju arvutada.

Laske pallil olla ideaalse vedeliku voolus, mis sellele voolab. Voolukiirus lõpmatuses (läheduses on see muidugi moonutatud) $\backslash vec(u)\_\backslash infty$. Kuuli pöörlemise simuleerimiseks tutvustame kiiruse tsirkulatsiooni $\backslash Gamma$ Tema ümber. Bernoulli seadusele tuginedes võime leida, et pallile mõjuv kogujõud on sel juhul võrdne:

$\backslash vec(R)=-\backslash rho\backslash vec(\backslash Gamma)\backslash times\backslash vec(u)\_\backslash infty$.

On selge, et:

1. kogujõud on vooluga risti, see tähendab, et ideaalse vedeliku voolu takistusjõud kuulil on null (D'Alemberti paradoks)
2. jõud, olenevalt tsirkulatsioonisuundade ja voolukiiruse vahelisest seosest, taandatakse tõste- või langetusjõuks.

Viskoosne vedelik

Järgmine võrrand kirjeldab vajalikke suurusi, et arvutada palli pöörlemisel tekkiv tõstejõud reaalses vedelikus.

$(F)=(1\backslash üle\; 2)\; (\backslash rho)\; (V^2AC\_l)$ $F$- tõstejõud $\backslash rho$- vedeliku tihedus. $V$- palli kiirus keskmise suhtes $A$- palli põikpind $(C\_l)$- tõste koefitsient ( Inglise)

Tõsteteguri saab määrata eksperimentaalsete andmete graafikutest, kasutades Reynoldsi arvu ja pöörlemiskoefitsienti ((nurkkiirus*läbimõõt)/(2*lineaarkiirus)). Pöörlemistegur vahemikus 0,5–4,5 on tõsteteguri vahemik 0,2–0,6.

Rakendus

Tuulegeneraatorid

Õhurootori tuulegeneraator on lõastatud seade, mis tõstetakse heeliumiga 120–300 meetri kõrgusele)

Turbopurjed laevadel

Alates 1980. aastatest on Cousteau Halcion töötanud keeruka turbopurjega, mis kasutab Magnuse efekti.

Alates 2010. aastast on töös lihtsamate rootorpurjedega kaubalaev E-Ship 1 Anton Flettner

Kirjutage ülevaade artiklist "Magnuse efekt"

Märkmed

Kirjandus

• L. Prandtl"Maguse efekt ja tuulelaev". (ajakiri "Füüsikaliste teaduste edusammud", number 1-2. 1925)
• L. Prandtl. Väga väikese hõõrdumisega vedeliku liikumise kohta. - 1905.

Lingid

• //elementy.ru
• // technicamolodezhi.ru

Magnuse efekti kirjeldav väljavõte

Kiilasmäed, vürst Nikolai Andreich Bolkonski pärand, asus Smolenskist kuuekümne versta kaugusel selle taga ja kolm versta Moskva maanteest.
Samal õhtul, kui prints Alpatychile korraldusi andis, teatas Desalles, nõudes kohtumist printsess Maryaga, et kuna prints ei ole täiesti terve ega võta oma turvalisuse tagamiseks mingeid meetmeid, ning prints Andrei kirjast oli selge, et ta viibis Bald Mountains'is. Kui see pole turvaline, soovitab ta lugupidavalt tal kirjutada Alpatõchiga kiri Smolenski provintsi juhile palvega teavitada teda asjade seisust ja ohu ulatusest Paljastuvad Bald Mountains. Desalle kirjutas printsess Maryale kubernerile kirja, mille ta allkirjastas ja see kiri anti Alpatychile käsuga see kubernerile esitada ja ohu korral esimesel võimalusel tagasi pöörduda.
Pärast kõigi tellimuste saamist läks Alpatych koos oma perekonnaga valge sulgkübaraga (vürsti kingitus), pulgaga, nagu prints, välja istuma nahktelgis, mis oli pakitud kolme hästi toidetud Savraga.
Kell seoti kinni ja kellad kaeti paberitükkidega. Prints ei lubanud kellelgi kellukesega Bald Mountainsis sõita. Kuid Alpatych armastas pikal teekonnal kellasid ja kellasid. Alpatõchi õukondlased, zemstvo, ametnik, kokk - must, valge, kaks vanaprouat, kasakapoiss, kutsarid ja erinevad teenijad saatsid ta minema.

Austraalias on amatöörfüüsikud Magnuse efekti tegevuses demonstreerinud. YouTube'i postitatud eksperimendi video kogus üle 9 miljoni vaatamise.

Magnuse efekt on füüsikaline nähtus, mis tekib siis, kui vedeliku või gaasi vool liigub ümber pöörleva keha. Kui lendav ümmargune keha pöörleb, hakkavad läheduses olevad õhukihid selle ümber ringlema. Selle tulemusena muudab keha lennu ajal liikumissuunda.

Amatöörfüüsikud valisid katse läbiviimiseks 126,5 meetri kõrguse tammi ja tavalise korvpalli. Algul visati pall lihtsalt maha, see lendas tammiga paralleelselt ja maandus märgitud punktis. Teisel korral visati pall maha, keerledes veidi ümber oma telje. Lendav pall lendas mööda ebatavalist trajektoori, demonstreerides selgelt Magnuse efekti.

Magnuse efekt selgitab, miks mõnel spordialal, näiteks jalgpallil, pall kummalises suunas liigub. Kõige markantsemat näidet “ebanormaalsest” pallilennust võis täheldada pärast jalgpallur Roberto Carlose karistuslööki 3. juunil 1997 Brasiilia ja Prantsusmaa koondiste vahelises kohtumises.

Laev turbopurjede all!

Kuulsa dokumentaalsarja “The Underwater Odyssey of the Cousteau Team” filmis suur prantsuse okeanograaf 1960. ja 1970. aastatel. Seejärel ehitati Cousteau peamine laev ümber Briti miinijahtijast Calypso. Kuid ühes järgnevas filmis - "Maailma taasavastus" - ilmus teine ​​laev, jaht "Halcyone".

Teda vaadates esitasid paljud televaatajad endale küsimuse: millised kummalised torud on jahile paigaldatud?.. Võib-olla on need katelde või jõusüsteemide torud? Kujutage ette oma üllatust, kui avastate, et need on PURJED... turbopurjed...

Cousteau fond omandas jahi Alcyone 1985. aastal ja seda laeva ei peetud mitte niivõrd uurimislaevaks, kuivõrd aluseks turbopurjede – algse laeva tõukejõusüsteemi – efektiivsuse uurimisel. Ja kui 11 aastat hiljem uppus legendaarne Calypso, asus selle ekspeditsiooni põhilaeva kohale Alkyone (muide, tänapäeval on Calypso üles tõstetud ja poolrüüstatud olekus seisab Concarneau sadamas).

Tegelikult leiutas turbopurje Cousteau. Täpselt nagu akvalangivarustus, veealune taldrik ja paljud muud seadmed meresügavuste ja maailmamere pinnaga tutvumiseks. Idee sündis 1980. aastate alguses ja oli luua kõige keskkonnasõbralikum, kuid samas mugavam ja kaasaegsem veelindude jõuseade. Tuuleenergia kasutamine tundus olevat kõige lootustandvam uurimisvaldkond. Kuid siin on probleem: inimkond leiutas purje mitu tuhat aastat tagasi ja mis võiks olla lihtsam ja loogilisem?

Muidugi mõistsid Cousteau ja seltskond, et ainult purjedega liikuvat laeva on võimatu ehitada. Täpsemalt võib-olla, aga selle sõiduomadused jäävad väga kesiseks ning sõltuvad ilma ja tuule suuna kapriisidest. Seetõttu plaaniti algselt, et uus “puri” on vaid abijõud, mida kasutatakse tavaliste diiselmootorite abistamiseks. Samas vähendaks turbopuri oluliselt diislikütuse kulu ning tugeva tuulega võib sellest saada aluse ainuke jõuseade. Ja teadlaste meeskond vaatas minevikku – saksa inseneri Anton Flettneri, kuulsa lennukikonstruktori leiutisse, kes andis tõsise panuse laevaehitusse.

Turbosail on õõnes silinder, mis on varustatud spetsiaalse pumbaga. Pump tekitab turbopurje ühele küljele vaakumi, pumbates õhku purje sisse, välisõhk hakkab erineva kiirusega ümber turbopurje voolama ja laev hakkab liikuma õhurõhuga risti. See meenutab väga lennuki tiivale mõjuvat tõstejõudu – tiiva altpoolt on rõhk suurem ja lennuk lükatakse ülespoole. Turbopuri võimaldab laeval liikuda vastu mistahes tuult, kui pumbavõimsust jätkub. Kasutatakse tavalise laevamootori abisüsteemina. Cousteau meeskonna Halcyon laevale paigaldatud kaks turbopurje võimaldasid säästa kuni 50% kütust.

Flettneri rootor ja Magnuse efekt

16. septembril 1922 sai Anton Flettner Saksa patendi nn pöörlevale laevale. Ja 1924. aasta oktoobris lahkus Kielis Friedrich Kruppi laevaehitusettevõtte ellingudest eksperimentaalne pöörlev laev Buckau. Tõsi, kuunarit ei ehitatud nullist: enne Flettneri rootorite paigaldamist oli see tavaline purjelaev.

Flettneri idee oli kasutada nn Magnuse efekti, mille olemus on järgmine: kui õhu (või vedeliku) vool liigub ümber pöörleva keha, tekib voolu suunaga risti jõud, mis mõjub kehale. . Fakt on see, et pöörlev objekt tekitab enda ümber keerise. Objekti sellel küljel, kus keerise suund langeb kokku vedeliku või gaasi voolu suunaga, suureneb keskkonna kiirus, vastaspoolel aga väheneb. Rõhuvahe tekitab põikjõu, mis on suunatud küljelt, kus pöörlemissuund ja voolu suund on vastassuunas, sellele küljele, kus need langevad kokku.

"Flettneri tuulelaev on kõigi huultel tänu ebatavaliselt innukale ajalehepropagandale," kirjutas Louis Prandtl oma artiklis saksa inseneri arengust.

Selle efekti avastas 1852. aastal Berliini füüsik Heinrich Magnus.

Magnuse efekt

Saksa lennuinsener ja leiutaja Anton Flettner (1885–1961) läks merenduse ajalukku mehena, kes üritas purjesid välja vahetada. Tal oli võimalus purjekaga pikka aega reisida üle Atlandi ookeani ja India ookeani. Selle ajastu purjelaevade mastidesse paigaldati palju purjesid. Purjetamisvarustus oli kallis, keeruline ja aerodünaamiliselt vähetõhus. Pidevad ohud ootasid meremehi, kes isegi tormi ajal pidid purjedega hakkama saama 40–50 meetri kõrgusel.

Reisi ajal tekkis noorel inseneril mõte suurt pingutust nõudnud purjed asendada lihtsama, kuid tõhusa seadmega, mille peamiseks tõukejõuks oleks samuti tuul. Sellele mõeldes meenusid tema kaasmaalase, füüsiku Heinrich Gustav Magnuse (1802–1870) aerodünaamilised katsed. Nad leidsid, et kui silinder õhuvoolus pöörleb, tekib ristsuunaline jõud, mille suund sõltub silindri pöörlemissuunast (Magnuse efekt).

Üks tema klassikalistest katsetest käis nii: „Messingsilinder võis kahe punkti vahel pöörata; Kiire pöörlemine anti silindrile, nagu ülaosas, nööri abil.

Pöörlev silinder asetati raami sisse, mis omakorda sai kergesti pöörata. See süsteem puutus väikese tsentrifugaalpumba abil kokku tugeva õhuvooluga. Silinder kaldus välja suunas, mis oli risti õhuvoolu ja silindri teljega, pealegi suunas, milles pöörlemissuunad ja vool olid samad” (L. Prandtl “Maguse efekt ja tuulelaev”, 1925 ).

A. Flettner arvas kohe, et purjed võiks asendada laevale paigaldatud pöörlevate silindritega.

Selgub, et seal, kus silindri pind liigub vastu õhuvoolu, tuule kiirus väheneb ja rõhk tõuseb. Teisel pool silindrit on vastupidi – õhuvoolu kiirus suureneb ja rõhk langeb. See rõhkude erinevus silindri eri külgedel on liikumapanev jõud, mis paneb laeva liikuma. See on pöördseadmete tööpõhimõte, mis kasutab laeva edasiliikumiseks tuule jõudu. Kõik on väga lihtne, kuid ainult A. Flettner “ei läinud mööda”, kuigi Magnuse efekt on tuntud juba üle poole sajandi.

Ta alustas plaani elluviimist 1923. aastal Berliini lähedal järvel. Tegelikult tegi Flettner üsna lihtsa asja. Ta paigaldas meetripikkusele katsepaadile umbes meetri kõrguse ja 15 cm läbimõõduga pabersilindri-rootori ning kohandas selle pöörlemiseks kellamehhanismi. Ja paat sõitis.

Purjelaevade kaptenid mõnitasid A. Flettneri silindreid, millega ta tahtis purjed asendada. Leiutajal õnnestus oma leiutise vastu huvitada jõukaid kunstimeetsaid. 1924. aastal paigaldati 54-meetrisele kuunarile Buckau kolme masti asemel kaks pöörlevat silindrit. Neid silindreid keerutas 45 hj diiselgeneraator.

Bukau rootoreid käitasid elektrimootorid. Tegelikult ei erinenud kujundus Magnuse klassikalistest katsetest. Sellel küljel, kus rootor pöörles tuule poole, tekkis kõrgsurveala ja vastasküljel madalrõhkkond. Tekkinud jõud liigutas laeva. Pealegi oli see jõud ligikaudu 50 korda suurem kui tuulesurve jõud statsionaarsele rootorile!

See avas Flettnerile tohutud väljavaated. Muuhulgas olid rootori pindala ja selle mass mitu korda väiksemad purjepuki pindalast, mis tagaks võrdse tõukejõu. Rootorit oli palju lihtsam juhtida ja selle tootmine oli üsna odav. Ülevalt kattis Flettner rootorid plaaditaoliste tasapindadega – see kahekordistas liikumapaneva jõu ligikaudu kahekordseks tänu õhuvoolude õigele orientatsioonile rootori suhtes. Bukau rootori optimaalne kõrgus ja läbimõõt arvutati tuuletunnelis tulevase laeva mudeli puhumisega.

Cousteau turbosailer - 2011. aasta seisuga on Alkyone ainus laev maailmas, millel on Cousteau turbosil. Suure okeanograafi surm 1997. aastal tegi lõpu teise sarnase laeva Calypso II ehitamisele ja teised laevaehitajad on ebatavalise disaini suhtes ettevaatlikud...

Flettneri rootor toimis suurepäraselt. Erinevalt tavalisest purjelaevast ei kartnud pöörlev laev praktiliselt halba ilma ja tugevat külgtuult, see võis kergesti sõita vahelduvatel tiibadel vastutuule suhtes 25º nurga all (tavalise purje puhul on piir umbes 45º). Kaks silindrilist rootorit (kõrgus 13,1 m, läbimõõt 1,5 m) võimaldasid laeva ideaalselt tasakaalustada - see osutus stabiilsemaks kui purjekas, mis Bukau enne ümberkorraldamist oli.

Katsed viidi läbi vaiksetes tingimustes, tormides ja tahtliku ülekoormusega – tõsiseid puudusi ei tuvastatud. Soodsaim laeva liikumise suund oli tuule suund täpselt risti laeva teljega ning liikumissuund (edasi või tagasi) määrati rootorite pöörlemissuuna järgi.

1925. aasta veebruari keskel lahkus kuunar Buckau, mis oli varustatud purjede asemel Flettneri rootoritega, Danzigist (praegu Gdansk) Šotimaale. Ilm oli halb ja enamik purjelaevu ei julgenud sadamatest lahkuda. Põhjamerel pidas Buckau tõsist lahingut tugeva tuule ja suurte lainetega, kuid kuunar kreenis vähem kui teised purjelaevad, mida kohtasid.

Selle reisi ajal ei olnud vaja kutsuda tekil olevaid meeskonnaliikmeid purje vahetamiseks sõltuvalt tuule tugevusest või suunast. Vaja oli vaid ühte kellanavigaatorit, kes roolikambrist lahkumata suudaks rootorite tegevust juhtida. Varem koosnes kolmemastilise kuunari meeskond vähemalt 20 madrusest, pärast pöörlevaks laevaks ümberehitamist piisas 10 inimesest.

Samal aastal pani laevatehas maha oma teise pöörleva laeva – võimsa kaubaliinilaeva Barbara, mida vedasid kolm 17-meetrist rootorit. Samas piisas iga rootori jaoks ühest väikesest mootorist, mille võimsus on vaid 35 hj. (iga rootori maksimaalsel pöörlemiskiirusel 160 p/min)! Rootorite tõukejõud oli võrdne kruvipropelleri tõukejõuga, mis oli ühendatud tavapärase laeva diiselmootoriga, mille võimsus oli umbes 1000 hj. Laeval oli aga ka diisel: lisaks rootoritele ajas see propellerit (mis jäi tuulevaikse ilma korral ainsaks jõuseadmeks).

Paljutõotavad kogemused ajendasid Hamburgi laevafirmat Rob.M.Sloman 1926. aastal Barbarat ehitama. Eelnevalt plaaniti see varustada turbosilidega - Flettneri rootoritega. Kolm umbes 17 m kõrgust rootorit paigaldati laevale pikkusega 90 m ja laiusega 13 m.

"Barbara" vedas plaanipäraselt vilja mõnda aega Itaaliast Hamburgi. Umbes 30–40% reisist oli tuule jõul. 4–6-pallise tuulega arendas “Barbara” kiirust 13 sõlme.

Plaan oli katsetada pöörlevat alust pikematel reisidel Atlandi ookeanil.

Kuid 1920. aastate lõpus tabas Suur Depressioon. 1929. aastal keeldus tšarterfirma Barbara liisimist jätkamast ja ta müüdi. Uus omanik eemaldas rootorid ja paigaldas laeva traditsioonilise konstruktsiooni järgi ümber. Sellegipoolest jäi rootor oma tuulest sõltumise ning teatud võimsuse ja kiiruse piirangute tõttu alla kruvipropelleritele kombineerituna tavalise diiseljõujaamaga. Flettner pöördus täiustatud uurimistöö poole ja Baden-Baden uppus lõpuks 1931. aasta tormi ajal Kariibi mere piirkonnas. Ja nad unustasid pikaks ajaks rootorpurjed...

Roteerivate laevade algus tundus olevat üsna edukas, kuid neid ei arendatud ja need unustati pikaks ajaks. Miks? Esiteks sukeldus rotaatorlaevade “isa” A. Flettner helikopterite loomisesse ja lakkas huvist meretranspordi vastu. Teiseks, hoolimata kõigist oma eelistest, on pöörlevad laevad jäänud purjelaevadeks koos neile omaste puudustega, millest peamine on sõltuvus tuulest.

Flettneri rootorid hakkasid taas huvi tundma 20. sajandi 80ndatel, kui teadlased hakkasid pakkuma välja erinevaid meetmeid kliima soojenemise leevendamiseks, saaste vähendamiseks ja ratsionaalsemaks kütusekuluks. Üks esimesi, kes neid mäletas, oli sügavuste uurija prantslane Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Turbopurjesüsteemi töö testimiseks ja üha kallineva kütusekulu vähendamiseks muudeti kahemastiline katamaraan “Alcyone” (Alcyone on tuulejumal Aeoluse tütar) pöörlevaks laevaks. Olles 1985. aastal merele asunud, külastas ta Kanadat ja Ameerikat, tiirutas Horni neemel ning Austraalias ja Indoneesias, Madagaskaril ja Lõuna-Aafrikas. Ta viidi üle Kaspia merele, kus ta purjetas kolm kuud, tehes erinevaid uuringuid. Alcyone kasutab endiselt kahte erinevat jõusüsteemi – kahte diiselmootorit ja kahte turbopurje.

Turbosail Cousteau

Purjekaid ehitati ka kogu 20. sajandi jooksul. Tänapäevastel seda tüüpi laevadel keeratakse purjed elektrimootorite abil ja uued materjalid muudavad disaini oluliselt kergemaks. Aga purjekas on purjekas ja idee kasutada tuuleenergiat radikaalselt uuel viisil on õhus olnud juba Flettneri ajast. Ja selle võttis üles väsimatu seikleja ja maadeavastaja Jacques-Yves Cousteau.

23. detsembril 1986, pärast artikli alguses mainitud Halcyone käivitamist, said Cousteau ja tema kolleegid Lucien Malavard ja Bertrand Charrier ühise patendi nr US4630997 seadmele, mis loob jõudu liikuva vedeliku või gaasi kasutamisega. .” Üldine kirjeldus on järgmine: „Seade on paigutatud teatud suunas liikuvasse keskkonda; sel juhul tekib jõud, mis toimib esimesega risti olevas suunas. Seade väldib massiivsete purjede kasutamist, mille puhul liikumapanev jõud on proportsionaalne purjepinnaga. Mis vahe on Cousteau turbopurjel ja Flettneri rootorpurjel?

Ristlõikes on turbosil midagi pikliku tilga taolist, teravast otsast ümardatud. “Pilga” külgedel on õhuvõtuvõred, millest ühe kaudu (olenevalt vajadusest edasi või tagasi liikuda) imetakse õhk välja. Tagamaks maksimaalselt efektiivset tuule imemist õhuvõtuavasse on turbopurjele paigaldatud väike elektrimootori jõul töötav ventilaator.

See suurendab kunstlikult õhu liikumise kiirust purje tuulealusel küljel, imedes õhuvoolu sisse selle eraldumise hetkel turbopurje tasapinnast. See tekitab vaakumi turbopurje ühele küljele, vältides samal ajal turbulentse keeriste teket. Ja siis toimib Magnuse efekt: ühel küljel on harvem, mille tulemuseks on külgjõud, mis on võimeline laeva liikuma. Tegelikult on turbosil vertikaalselt paigutatud lennukitiib, vähemalt liikumapaneva jõu loomise põhimõte sarnaneb lennuki tõsteseadme loomise põhimõttega. Tagamaks, et turbopuri oleks alati suunatud kõige soodsama tuule poole, on see varustatud spetsiaalsete anduritega ja paigaldatud pöördlauale. Muide, Cousteau patent viitab sellele, et turbopurje seest saab õhku välja imeda mitte ainult ventilaatori, vaid ka näiteks õhupumba abil - seega sulges Cousteau värava järgmistele "leiutajatele".

Tegelikult katsetas Cousteau esimest korda turbopurje prototüüpi katamaraanil "Windmill" (Moulin à Vent) 1981. aastal. Katamaraani suurim edukas reis oli Tangerist (Maroko) New Yorki suurema ekspeditsioonilaeva järelevalve all.

Ja 1985. aasta aprillis lasti La Rochelle'i sadamas vette Halcyone, esimene täisväärtuslik turbopurjedega varustatud laev. Nüüd on ta endiselt liikvel ja täna on Cousteau meeskonna flotilli lipulaev (ja tegelikult ainus suur laev). Sellel olevad turbopurjed ei toimi ainsa tõukejõuna, vaid aitavad kaasa kahe diiselmootori tavapärasele ühendamisele ja
mitu kruvi (mis, muide, võimaldab vähendada kütusekulu umbes kolmandiku võrra). Kui suur okeanograaf oleks elus olnud, oleks ta tõenäoliselt ehitanud veel mitu sarnast laeva, kuid tema kaaslaste entusiasm kahanes pärast Cousteau lahkumist märgatavalt.

Vahetult enne oma surma 1997. aastal töötas Cousteau aktiivselt turbopurjega Calypso II laeva projekti kallal, kuid tal polnud aega seda lõpule viia. Viimastel andmetel oli 2011. aasta talvel Alkyone Kaeni sadamas ja ootas uut ekspeditsiooni.

Ja jälle Flettner

Tänapäeval üritatakse Flettneri ideed taaselustada ja rootorpurjesid laialdaselt levitada. Näiteks kuulus Hamburgi firma Blohm + Voss alustas pärast 1973. aasta naftakriisi aktiivset pöörlevat tankeri arendamist, kuid 1986. aastaks sulgesid majanduslikud tegurid selle projekti. Siis oli terve rida amatöörkujundusi.

2007. aastal ehitasid Flensburgi ülikooli tudengid katamaraani, mida liigutas rootorpurje (Uni-cat Flensburg).

2010. aastal ilmus ajaloo kolmas rootorpurjedega laev - raskeveok E-Ship1, mis ehitati maailma ühele suurimale tuulegeneraatorite tootjale Enerconile. 6. juulil 2010 lasti laev esimest korda vette ja tegi lühikese reisi Emdenist Bremerhavenisse. Ja juba augustis asus ta üheksa tuulegeneraatori koormaga esimesele tööreisile Iirimaale. Alus on varustatud nelja Flettneri rootoriga ning tuulevaikse ilma korral ja lisajõu saamiseks loomulikult traditsioonilise jõuseadmega. Rootorpurjed toimivad siiski vaid abijõuna: 130-meetrise veoki puhul ei piisa nende võimsusest õige kiiruse arendamiseks. Mootorite jõuallikaks on üheksa Mitsubishi jõuallikat ning rootoreid veab heitgaasienergiat kasutav Siemensi auruturbiin. Rootorpurjed võivad kiirusel 16 sõlme säästa 30–40% kütust.

Kuid Cousteau turbopuri on endiselt unustusehõlmas: "Halcyone" on täna ainus täissuuruses laev, millel on seda tüüpi tõukejõud. Kas Magnuse efekti jõul liikuvate purjede teemat on mõtet edasi arendada, näitab Saksa laevaehitajate kogemus. Peamine on leida sellele majanduslik põhjendus ja tõestada selle tõhusust. Ja siis, näete, läheb kogu maailma laevandus üle põhimõttele, mida üks andekas saksa teadlane kirjeldas rohkem kui 150 aastat tagasi.

Põhjamerel võis 2010. aastal näha kummalist laeva “E-Ship 1”. Selle ülemisel korrusel on neli kõrget ümmargust korstnat, kuid neist ei eraldu kunagi suitsu. Need on niinimetatud Flettneri rootorid, mis asendasid traditsioonilised purjed.

Maailma suurim tuuleelektrijaamade tootja Enercon lasi 2. augustil 2010 Kielis Lindenau laevatehases vette 130 meetri pikkuse ja 22 meetri laiuse pöörleva aluse, mis sai hiljem nimeks E-Ship 1. Seejärel katsetati seda edukalt Põhja- ja Vahemeres ning praegu transpordib see tuulegeneraatoreid Saksamaalt, kus neid toodetakse, teistesse Euroopa riikidesse. See saavutab kiiruse 17 sõlme (32 km/h), veab samaaegselt üle 9 tuhande tonni kaupa, selle meeskond on 15 inimest.

Singapuris asuv laevaehitusettevõte Wind Again, mis loob tehnoloogiaid kütusekulu ja heitkoguste vähendamiseks, teeb ettepaneku paigaldada tankeritele ja kaubalaevadele spetsiaalselt disainitud Flettneri rootorid (kokkuklapitavad). Need vähendavad kütusekulu 30–40% ja tasuvad end ära 3–5 aastaga.

Soome laevaehitusfirma Wartsila plaanib juba praegu ristlusparvlaevadele turbopurjeid paigaldada. Selle põhjuseks on Soome parvlaevaoperaatori Viking Line soov vähendada kütusekulu ja keskkonnareostust.

Flettneri rootorite kasutamist lõbusõidulaevadel uurib Flensburgi ülikool (Saksamaa). Tõusvad naftahinnad ja murettekitavalt soojenev kliima näivad loovat soodsad tingimused tuulikute naasmiseks.

John Marplesi disainitud jaht, Cloudia, on ümberehitatud trimaraan Searunner 34. Esimesed katsetused läbis jaht 2008. aasta veebruaris USA-s Florida osariigis Fort Pierce'is ning selle loomist rahastas telekanal Discovery. “Claudia” näitas end uskumatult manööverdusvõimelisena: peatus ja tagurdas mõne sekundiga ning liikus vabalt tuule suhtes umbes 15° nurga all. Märkimisväärne jõudluse paranemine võrreldes traditsioonilise Flettneri rootoriga tuleneb trimaraani esi- ja tagarootoritele paigaldatud täiendavatest põikketastest.

Jätkates vestlust hüdrauliliste ja aerodünaamiliste mõjude teemal, tuleb erilist tähelepanu pöörata kuulsa saksa teadlase Heinrich Magnuse järgi nime saanud efektile, kes 1853. aastal pakkus välja füüsikalise seletuse kahurikuuli juhuslikust pöörlemisest tingitud lennutrajektoori kõverusele. Pöörleva palli lend on paljuski sarnane keerutatud palli lennule jalgpallis või tennises. Palli pöörlemine lennu ajal tekitab aerodünaamilise jõu, mis tõrjub palli selle sirgelt lennutrajektoorilt. Sir Newton kirjutas sellest hämmastavast aerodünaamilisest efektist, kui kommenteeris tennise lööke.

Tavaliselt ei lange kahurikuuli raskuskese kokku selle geomeetrilise keskpunktiga, mis põhjustab tulistamisel mürsu kerge keerdumise. Kahuri kuuli raskuskeskme meelevaldne asend enne lasku tõi kaasa kahurikuuli lennutrajektoori sama meelevaldse kõrvalekalde. Seda puudust teades kastsid suurtükiväelased kahurikuulid elavhõbedasse ja märkisid need seejärel nende kõrgeimas ujuvuse punktis. Märgitud tuumasid nimetati gabariidi tuumadeks.

Kalibreeritud kahurikuulidest tulistades avastati, et juhul, kui kahurikuul asetati püssi sisse nii, et raskuskese oli nihutatud allapoole, oli tulemuseks “alalask”. Kui südamik asetati raskuskesega ülespoole, saadi "lend". Vastavalt sellele, kui raskuskese asus paremal, täheldati mürsu lennu ajal kõrvalekaldeid paremale, kui mürsu raskuskese asus vasakul, siis kõrvalekaldeid vasakule. Preisi laskuritel olid kalibreeritud kahurikuulidest tulistamiseks spetsiaalsed juhised.

Hiljem tulid nad välja ideega teha tahtlikult nihutatud raskuskeskmega südamikud. Selliseid mürske nimetati ekstsentrilisteks ja juba 1830. aastal hakkasid neid kasutama Preisimaa ja Saksimaa armeed. Asetades ekstsentrilise südamiku õigesti püstoli tuharesse, oli võimalik laskekaugust suurendada kuni poolteist korda ilma toru asendit muutmata. Huvitav on see, et teadlastel polnud selle suurtükiväe uuendusega midagi pistmist.

Ent valgustatud 19. sajand nõudis igale arusaamatule nähtusele “teaduslikku seletust”. Ja nii pöördusid Preisi suurtükiväelased ühe tärkava aerodünaamika tunnustatud autoriteedi - Heinrich Magnuse poole, et saada selgitust kahurikuuli kõverjoonelise lennutrajektoori kohta.

Magnus arvas, et probleem ei olnud tuuma nihkunud raskuskeskmes kui sellises. Põhjust nägi ta tuuma pöörlemises. Oma hüpoteesi kontrollimiseks viis Magnus läbi rea laborikatseid sundõhuvooluga pöörleval kehal, mis ei olnud kera, vaid silindrid ja koonused. Silindrile tekkiv aerodünaamiline jõud mõjus samas suunas kui pöörlevat südamikku nihutav jõud.

Seega oli Magnus esimene füüsik, kes laboritingimustes selgelt simuleeris ja kinnitas otselennult kõrvale kalduva kahurikuuli üllatavat mõju. Kahjuks ei teinud Magnus oma aerodünaamiliste katsete käigus kvantitatiivseid mõõtmisi, vaid fikseeris ainult kõrvalekaldejõu esinemise ja selle suuna kokkulangemise suurtükiväe praktikas toimuvaga.

Rangelt võttes ei simuleerinud Magnus täpselt keerdsüdamiku lennu fenomeni. Tema katsetes puhuti pöörlevat silindrit jõuga külgmise õhuvooluga. Päris suurtükiväeharjutusel lendab kahurikuul vaikses õhus. Bernoulli teoreemi kohaselt väheneb õhurõhk joas proportsionaalselt selle kiiruse ruuduga. Vaikses õhus liikuva keha puhul reaalset joa kiirust ei ole, seetõttu pole oodata õhurõhu langust.

Lisaks registreerisid Magnuse katsed silindrile mõjuvat jõudu, mis oli vastutuleva joaga rangelt risti. Tegelikkuses suurendab silindri või kuuli pöörlemine ka tõmbejõudu, mis mõjutab oluliselt mürsu lennutrajektoori.

Teisisõnu, Magnuse jõud ei toimi rangelt lennutrajektooriga risti, vaid teatud nurga all, mida Magnus ei uurinud.

Magnuse ajal polnud füüsikute hulgas veel aimu jäiga keha reaalsele lennule omaste füüsikaliste nähtuste ja tuule paigal seisva keha tabamisel tekkivate nähtuste identsusest. Seetõttu tegid aerodünaamika pioneerid oma esimesed katsed, kukutades mudeleid suurelt kõrguselt, simuleerides seeläbi reaalse lennu mõju. Näiteks Eiffel kasutas oma torni aktiivselt aerodünaamilistes katsetes.

Ja alles palju aastaid hiljem sai ootamatult selgeks, et tahke keha koosmõjul vedeliku või gaasi vooluga tekkivad aerodünaamilised jõud on peaaegu identsed nii siis, kui vool põrkab vastu liikumatut keha ja kui keha liigub liikumatus keskkonnas. . Ja kuigi see identiteet seadis tahes-tahtmata kahtluse alla Bernoulli teoreemi, mis kehtib reaalse suure kiirusega reaktiivvoolu korral, ei hakanud ükski aerodünaamikas süvenema, kuna Bernoulli valem võimaldas sama edukalt ennustada ka ümbervoolu voolamise tulemusi. keha, olenemata sellest, mis tegelikult liigub – vool või tahke.

Ludwig Prandtl oli 20. sajandi alguses oma Göttingeni laboris esimene teadlane, kes viis Magnuse jõu kohta läbi tõsise laboriuuringu jõudude ja kiiruste mõõtmisega.

Esimeses katseseerias oli silindri pöörlemiskiirus väike, mistõttu need katsed midagi uut ei toonud, vaid kinnitasid Magnuse kvalitatiivseid järeldusi. Kõige huvitavam sai alguse katsetest kiiresti pöörleva silindri puhumisega, kui silindri pinna perifeerne kiirus oli mitu korda suurem kui vastutuleva õhuvoolu kiirus.

Siin avastati esmakordselt pöörlevale silindrile mõjuva kõrvalekaldejõu anomaalselt kõrge väärtus.

Kui ringjoone pöörlemiskiirus ületas voolukiirust viiekordselt, osutus pöörlevale silindrile mõjuv aerodünaamiline jõud, mis on arvutatud silindri ristlõike ruutmeetri kohta, kümme korda suurem kui tiivaga tiivale mõjuv aerodünaamiline jõud. hea aerodünaamiline profiil.

Ehk siis tõukejõud pöörlevale rootorile osutus suurusjärgu võrra suuremaks kui lennukitiiva tõstejõud!

Prandtl püüdis pöörleva silindri ümber voolamisel tekkivat uskumatult suurt aerodünaamilist jõudu seletada Bernoulli teoreemi alusel, mille kohaselt langeb rõhk vedeliku või gaasi voolus voolukiiruse kasvades järsult. See seletus ei ole aga kuigi veenev, kuna arvukad aerodünaamilised katsed on selgelt tõestanud, et voolujoonelise pinna rõhulangus sõltub suhtelisest voolukiirusest, mitte voolukiirusest.

Kui silinder pöörleb voolu suhtes vastupidiselt, suureneb suhteline voolukiirus, seega peaks vaakum olema maksimaalne. Voolu suhtes pöörlemisel voolu suhteline kiirus väheneb, seetõttu peaks vaakum olema minimaalne.

Tegelikkuses toimub kõik täpselt vastupidi: koospöörlemise tsoonis on vaakum maksimaalne ja vastupöörlemise tsoonis on vaakum minimaalne.

Kuidas siis tekib tõukejõud pöörlevale silindrile puhumisel?

Kui Magnus uuris pöörlevat, ilma külgõhuvooluta silindrit, märkas ta, et silindri pinna lähedal on rõhulangus: silindri kõrvale asetatud küünla leek suruti vastu silindri pinda.

Inertsiaalsete jõudude mõjul kipub seinalähedane õhukiht pöörlevast pinnast lahti murduma, tekitades eraldustsoonis vaakumi.

See tähendab, et harvendamine ei ole reaktiivlennuki kiiruse enda tagajärg, nagu ütleb Bernoulli teoreem, vaid joa kõverjoonelise trajektoori tagajärg.

Kui rootor puhutakse küljelt, tsoonis, kus vastutulev vool langeb kokku seinakihi liikumisega, toimub õhukeerise täiendav pöörlemine ja sellest tulenevalt vähenemise sügavuse suurenemine.

Vastupidi, külgvoolu vastassuunalise liikumise tsoonis seinakihi suhtes täheldatakse keerise pöörlemise aeglustumist ja harvendamise sügavuse vähenemist. Vaakumi sügavuse ebaühtlus rootori tsoonides põhjustab sellest tuleneva külgjõu (Magnuse jõud) ilmnemise. Vaakum on aga kogu rootori pinnal.

Võib-olla on Prandtli katsete kõige olulisem tagajärg võimalus kasutada laeva liigutamiseks pöörlevale rootorile ebatavaliselt suurt jõudu. Tõsi, see mõte ei tulnud pähe mitte Prandtlil endal, vaid tema kaasmaalasel, inseneril Anton Flettneril, kellest järgnevatel lehekülgedel eraldi räägime.

Igor Jurjevitš Kulikov

Nina Nikolaevna Andreeva aitab teil korraldada
patent teie leiutisele

Kõik on näinud, kuidas jalgpallis või tennises lendab pall mööda uskumatut trajektoori. Miks see juhtub? Ma ei mäleta, et kooli õppekavas oleks meile sellest räägitud ja me nimetasime seda alati lihtsalt "keeruliseks". Kuid milline jõud paneb lendava palli siksakke kirjeldama?

Nüüd saame seda kõike teada...

Selle efekti avastas saksa füüsik Heinrich Magnus 1853. aastal. Nähtuse olemus seisneb selles, et kuuli pöörlemisel tekib enda ümber õhukeeris. Objekti ühel küljel langeb keerise suund kokku seda ümbritseva voolu suunaga ja keskkonna kiirus sellel küljel suureneb. Teisel pool objekti on keerise suund vastupidine voolu suunale ja keskkonna kiirus väheneb. See kiiruste erinevus tekitab külgsuunalise jõu, mis muudab lennutrajektoori. Nähtust kasutatakse sageli spordis, näiteks spetsiaalsed löögid: top spin, dry sheet jalgpallis või Hop-Up süsteem airsoftis.

Magnuse efekt on selles videos hästi illustreeritud. Kõrgelt vertikaalselt alla visatud korvpall, mille pöörlemine on antud, muudab oma trajektoori ja lendab mõnda aega horisontaalselt.

Magnuse efekti demonstreeriti Austraalia tammil. Algul visati korvpall talt lihtsalt minema, lendas peaaegu otse alla ja maandus ettenähtud kohta. Seejärel visati pall tammilt teist korda, seda kergelt väänades (muide, jalgpallurid puutuvad “keerdunud” pallide serveerimisel sageli kokku Magnuse efektiga). Sel juhul käitus objekt ebatavaliselt. YouTube'i postitati füüsilist nähtust demonstreeriv video, mis kogus vaid paari päevaga üle 9 miljoni vaatamise ja ligi 1,5 tuhat kommentaari.

Riis. 1 1 — piirkiht

Translatsiooniliselt (mittepöörlev) suhtelise kiirusega V0 liikuvat silindrit lennutab ringi laminaarne vool, mis ei ole keeris (joonis 1b).

Kui silinder pöörleb ja liigub samaaegselt translatsioonis, kattuvad kaks seda ümbritsevat voolu üksteisega ja tekitavad selle ümber tulemuseks oleva voolu (joonis 1c).

Kui silinder pöörleb, hakkab liikuma ka vedelik. Liikumine piirkihis on keeris; see koosneb potentsiaalsest liikumisest, mille peal on pöörlemine. Silindri ülaosas langeb voolu suund kokku silindri pöörlemissuunaga ja allosas on see vastupidine. Silindri ülaosas asuvas piirkihis olevaid osakesi kiirendab vool, mis takistab piirkihi eraldumist. Altpoolt aeglustab vool liikumist piirkihis, mis soodustab selle eraldumist. Piirkihi eraldunud osad kantakse vooluga minema keeriste kujul. Selle tulemusena toimub silindri ümber pöörlemiskiirus samas suunas, milles silinder pöörleb. Bernoulli seaduse kohaselt on vedeliku rõhk silindri ülaosas väiksem kui põhjas. Selle tulemuseks on vertikaalne jõud, mida nimetatakse tõstmiseks. Kui silindri pöörlemissuund on vastupidine, muutub ka tõstejõud vastupidiseks.

Magnuse efekti korral on jõud Fpod risti voolukiirusega V0. Selle jõu suuna leidmiseks peate vektorit kiiruse V0 suhtes pöörama 90° silindri pöörlemisele vastupidises suunas.

Magnuse efekti saab jälgida katses, kus kerge silinder veereb mööda kaldtasandit alla.

Rullilindri skeem

Pärast kaldtasandil alla veeremist ei liigu silindri massikese mitte mööda parabooli, nagu liiguks materiaalne punkt, vaid mööda kõverat, mis läheb kaldtasandi alla.

Kui asendada pöörlev silinder keerise (pöörleva vedeliku kolonniga) intensiivsusega J=2Sw, siis on Magnuse jõud sama. Seega mõjub ümbritsevast vedelikust liikuvale keerisele jõud, mis on risti suhtelise liikumiskiirusega V0 ja on suunatud ülaltoodud vektori pöörlemisreegliga määratud suunas.

Magnuse efektis on omavahel seotud: voolu suund ja kiirus, suund ja nurkkiirus, suund ja tekkiv jõud. Vastavalt sellele saab mõõta ja kasutada jõudu või mõõta voolu ja nurkkiirust.

Tulemuse sõltuvus mõjust on järgmisel kujul (Žukovski-Kutti valem):

kus J on liikumise intensiivsus ümber silindri;

r on vedeliku tihedus;

V0 on suhteline voolukiirus.

Füüsikalise efekti avaldumise piirangud: vedeliku (gaasi) laminaarse voolu tagamine objekti kohal ülespoole suunatud tõstejõuga.

Seda efekti kirjeldas esmakordselt saksa füüsik Heinrich Magnus 1853. aastal.

Ta õppis füüsikat ja keemiat 6 aastat – algul Berliini ülikoolis, seejärel veel aasta (1828) Stockholmis, Jons Berzeliuse laboris ning seejärel Pariisis Gay-Lussaci ja Tenardi juures. 1831. aastal kutsuti Magnus Berliini ülikooli füüsika- ja tehnikaõppejõuks, seejärel oli ta kuni 1869. aastani füüsikaprofessor. 1840. aastal valiti Magnus Berliini Akadeemia liikmeks, aastast 1854 oli ta Peterburi Teaduste Akadeemia korrespondentliige.

Magnus töötas kogu oma elu väsimatult paljude füüsika ja keemia küsimustega. Veel üliõpilasena (1825) avaldas ta oma esimese töö metallipulbrite iseenesliku põlemise kohta ning 1828. aastal avastas ta endanimelise plaatinasoola (PtCl 2NH3). 1827-33 tegeles peamiselt keemiaga, seejärel töötas füüsika alal. Viimastest on tuntuimad uurimused gaaside vere kaudu imendumise (1837-45), kuumutamisel tekkivate gaaside paisumise (1841-44), veeauru ja vesilahuste elastsuse kohta (1844-54), termoelektrist (1851) ja elektrolüüsist (1856), voolude induktsioonist (1858-61), gaaside soojusjuhtivusest (1860), kiirgussoojuse polarisatsioonist (1866-68) ja gaaside termokromaatilisuse küsimusest (alates 1861. aastast) .

Magnus pole vähem tuntud ka õpetajana; Tema laborist pärines enamik väljapaistvaid kaasaegseid saksa füüsikuid ja seal töötasid ka mõned vene teadlased.