§ 3.7 Nuklearni spektri i Mössbauerov efekt Uz maksimalno moguće oslanjanje na mehaniku ili elektrodinamiku, potrebno je naznačiti fizikalno jasne matematičke operacije, čija interpretacija kroz vibracije prikladnog modela dovodi do zakona serijskih

Snaga i brzina Velika brzina je vrlo važna prednost u borbi. Brži brod odabire povoljan položaj i borbenu udaljenost. Ako njegov zapovjednik želi, uvijek može povećati ili smanjiti udaljenost; ako neprijatelj izbjegava borbu, može

Poglavlje 16. Brownov učinak Trenutno se Biefeld–Brownov učinak često pogrešno naziva reaktivnim učinkom ionskog vjetra. Nećemo razmatrati uređaje koji lete zbog ionizacije zraka. U ovdje predloženim shemama može doći do ionizacije, ali ona

Poglavlje 27 Kronalna pokretačka sila Razvijajući Veinikovu ideju da se bilo koji "intenzitet" supstance objekta (tijela) može koristiti za generiranje kronalnog polja i promjenu brzine vremena za dani materijalni objekt, razmotrimo jednostavan primjer

Poglavlje 31 Učinak oblika Vraćajući se na povijest razvoja eterične teorije, treba napomenuti da su pojam „učinak oblika“ uveli francuski istraživači Leon Shomri i Andre de Belizal 30-ih godina prošlog stoljeća. Najpoznatiji efekt oblika je za piramide, esencija

Poglavlje 4. Centrifugalna sila Poznato je da ruski patentni ured ne prihvaća patentne prijave koje opisuju "pogon unutarnjim silama". To je točno, ali ne smijemo zaboraviti da su sva tijela u stalnoj interakciji i razmjeni energije s eterom,

MOĆ MILIJARDI DA PREOBRAŽI SAMOVAR Prvo, stavimo samovar Samovar je bio pun ugljena, ali je samovar prokuhao - a na dnu je bio samo pepeo. Gdje je ugljen? Kao gdje? Izgorio. Povezan s kisikom. Pretvorili su se u hlapljivi plin i odletjeli u dimnjak. Svi to znaju. A tko neće vjerovati?

SNAGA MILIJARDI Ako običan uragan uništi cijela sela, što onda može eksplozija - željezna oluja? Eksplozija će, možda, odnijeti kuće u cijelom gradu, kao mrvice sa stola za čaj. U stvarnosti, to čini Događa se, naravno, da kuća poleti od eksplozije. Ali do susjednih kuća

Smjer protoka. To je rezultat kombiniranog utjecaja takvih fizičkih pojava kao što je Bernoullijev efekt i formiranje graničnog sloja u mediju oko aerodinamičnog objekta.

Rotirajući objekt stvara vrtložno gibanje u okolini oko sebe. S jedne strane objekta smjer vrtloga poklapa se sa smjerom strujanja oko njega te se u skladu s tim povećava brzina gibanja medija s te strane. S druge strane objekta smjer vrtloga je suprotan smjeru strujanja, pa se brzina medija smanjuje. Zbog te razlike u brzini nastaje razlika tlakova koja stvara poprečnu silu s one strane rotacijskog tijela na kojoj su smjer vrtnje i smjer strujanja suprotni, na stranu na kojoj se ti smjerovi podudaraju. Ovaj fenomen se često koristi u sportu, pogledajte na primjer posebne snimke: topspin, suha ploča u nogometu ili Hop-Up sustav u airsoftu.

Efekt je prvi opisao njemački fizičar Heinrich Magnus 1853. godine.

Formula za izračunavanje sile

Idealna tekućina

Čak i ako tekućina nema unutarnje trenje (viskoznost), može se izračunati učinak uzgona.

Neka je lopta u toku idealne tekućine koja teče na nju. Brzina protoka u beskonačnosti (u blizini je, naravno, iskrivljena) $\backslash vec(u)\_\backslash infty$. Da bismo simulirali rotaciju lopte, uvodimo cirkulaciju brzine $\backslash Gama$ Oko njega. Na temelju Bernoullijevog zakona možemo naći da je ukupna sila koja djeluje na loptu u ovom slučaju jednaka:

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

Jasno je da:

1. ukupna sila je okomita na strujanje, odnosno sila otpora strujanja idealnog fluida na kuglicu je nula (D'Alembertov paradoks)
2. sila se ovisno o odnosu smjerova cirkulacije i brzine strujanja svodi na silu dizanja ili spuštanja.

Viskozna tekućina

Sljedeća jednadžba opisuje potrebne količine za izračunavanje uzgona generiranog rotacijom kuglice u stvarnom fluidu.

$(F)=(1\backslash preko\; 2)\; (\; \backslash rho)\; (V^2AC\_l)$ $F$- sila dizanja $\backslash rho$- gustoća tekućine. $V$- brzina lopte u odnosu na sredstvo $A$- poprečno područje lopte $(C\_l)$- koeficijent uzgona ( Engleski)

Koeficijent uzgona može se odrediti iz dijagrama eksperimentalnih podataka koristeći Reynoldsov broj i koeficijent rotacije ((kutna brzina*promjer)/(2*linearna brzina)). Za koeficijente rotacije između 0,5 i 4,5, koeficijent uzgona kreće se od 0,2 do 0,6.

Primjena

Vjetrogeneratori

Vjetrogenerator “zračni rotor” je privezani uređaj koji se pomoću helija podiže na visinu od 120 do 300 metara)

Turbojedra na brodovima

Od 1980-ih, Cousteau Halcion je u funkciji sa složenim turbo jedrom koje koristi Magnusov efekt.

Od 2010. godine u pogonu je teretni brod E-Ship 1 s jednostavnijim rotorskim jedrima Anton Flettner

Napišite recenziju o članku "Magnus efekt"

Bilješke

Književnost

• L. Prandtl"Magnusov efekt i brod vjetra." (časopis "Advances in Physical Sciences", broj 1-2. 1925.)
• L. Prandtl. O gibanju tekućine s vrlo malim trenjem. - 1905. (prikaz, znanstveni).

Linkovi

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

Odlomak koji opisuje Magnusov efekt

Ćelave planine, imanje kneza Nikolaja Andrejiča Bolkonskog, nalazile su se šezdeset kilometara od Smolenska, iza njega, i tri vrste od moskovske ceste.
Iste večeri, kada je princ naredio Alpatychu, Desalles, zahtijevajući sastanak s princezom Maryom, obavijestio ju je da budući da princ nije potpuno zdrav i da ne poduzima nikakve mjere za njegovu sigurnost, a iz pisma princa Andreja bilo je jasno da je boravio u Ćelavim planinama. Ako nije sigurno, on joj s poštovanjem savjetuje da napiše pismo s Alpatychem glavaru pokrajine u Smolensku sa zahtjevom da je obavijesti o stanju stvari i razmjerima opasnosti do koje Ćelave planine su izložene. Desalle je napisao pismo guverneru za princezu Mariju, koje je ona potpisala, a to pismo je predano Alpatychu s nalogom da ga preda guverneru i da se, u slučaju opasnosti, vrati što je prije moguće.
Primivši sve naredbe, Alpatych je u pratnji svoje obitelji, u bijelom šeširu od perja (prinčevski dar), sa štapom, kao i princ, izašao sjediti u kožnom šatoru, natrpanom s tri dobro hranjene Savre.
Zvono je bilo zavezano, a zvona pokrivena komadima papira. Princ nije dopuštao nikome da jaše po Ćelavim planinama sa zvonom. Ali Alpatych je volio zvona i zvona na dugom putu. Ispratili su ga Alpatychovi dvorjani, zemstvo, činovnik, kuharica - crna, bijela, dvije starice, jedan kozak, kočijaši i razne sluge.

U Australiji su fizičari amateri demonstrirali Magnusov efekt na djelu. Video eksperimenta, objavljen na YouTubeu, imao je više od 9 milijuna pregleda.

Magnusov efekt je fizikalna pojava koja nastaje kada strujanje tekućine ili plina teče oko rotirajućeg tijela. Kada se leteće okruglo tijelo okreće, okolni slojevi zraka počinju kružiti oko njega. Kao rezultat toga, tijekom leta tijelo mijenja smjer kretanja.

Fizičari amateri za eksperiment su odabrali branu visoku 126,5 metara i običnu košarkašku loptu. U početku se lopta jednostavno bacila, letjela je paralelno s branom i sletjela na označenu točku. Drugi put je lopta ispuštena, okrećući se malo oko svoje osi. Leteća lopta letjela je neobičnom putanjom, jasno pokazujući Magnusov efekt.

Magnusov efekt objašnjava zašto u nekim sportovima, poput nogometa, lopta putuje u čudnom smjeru. Najupečatljiviji primjer “nenormalnog” leta lopte mogao se vidjeti nakon slobodnog udarca nogometaša Roberta Carlosa tijekom utakmice 3. lipnja 1997. godine između reprezentacija Brazila i Francuske.

Brod pod turbo jedrima!

Slavnu dokumentarnu seriju “Podvodna odiseja Cousteauovog tima” veliki francuski oceanograf snimio je šezdesetih i sedamdesetih godina prošlog stoljeća. Cousteauov glavni brod tada je preinačen iz britanskog minolovca Calypso. Ali u jednom od sljedećih filmova - "Ponovno otkrivanje svijeta" - pojavio se još jedan brod, jahta "Halcyone".

Gledajući je, mnogi televizijski gledatelji postavljali su si pitanje: kakve su to čudne cijevi ugrađene na jahti?.. Možda su to cijevi od kotlova ili pogonskih sustava? Zamislite koliko ćete se iznenaditi ako saznate da su to JEDRA... turbo jedra...

Zaklada Cousteau kupila je jahtu Alcyone 1985. godine, a ovaj se brod smatrao ne toliko istraživačkim, već temeljem za proučavanje učinkovitosti turbo jedara - izvornog brodskog pogonskog sustava. A kada je, 11 godina kasnije, legendarni Calypso potonuo, Alkyone je zauzeo mjesto glavnog broda ekspedicije (usput, danas je Calypso podignut i u poluopljačkanom stanju stoji u luci Concarneau).

Zapravo, turbojedro je izumio Cousteau. Baš kao i ronilačka oprema, podvodni tanjurić i mnogi drugi uređaji za istraživanje morskih dubina i površine Svjetskog oceana. Ideja je rođena ranih 1980-ih i bila je stvoriti ekološki najprihvatljiviji, ali u isto vrijeme praktičan i moderan pogonski uređaj za vodene ptice. Korištenje energije vjetra činilo se kao područje istraživanja koje najviše obećava. Ali ovdje je problem: čovječanstvo je izumilo jedro prije nekoliko tisuća godina, a što bi moglo biti jednostavnije i logičnije?

Naravno, Cousteau i društvo su shvatili da je nemoguće izgraditi brod koji se pokreće isključivo jedrima. Točnije, možda, ali će njegove vozne karakteristike biti vrlo osrednje i ovisne o hirovima vremena i smjeru vjetra. Stoga je prvotno planirano da novo "jedro" bude samo pomoćna snaga koja će se koristiti kao pomoć konvencionalnim dizelskim motorima. Istodobno, turbojedro bi značajno smanjilo potrošnju dizelskog goriva, a za jakih vjetrova moglo bi postati jedini pogonski uređaj plovila. A tim istraživača pogledao je u prošlost - u izum njemačkog inženjera Antona Flettnera, slavnog konstruktora zrakoplova koji je dao ozbiljan doprinos brodogradnji.

Turbo jedro je šuplji cilindar opremljen posebnom pumpom. Pumpa stvara vakuum na jednoj strani turbojedra, pumpa zrak u jedro, vanjski zrak počinje strujati oko turbojedra različitim brzinama i brod se počinje kretati u smjeru okomitom na tlak zraka. Ovo jako podsjeća na silu uzgona koja djeluje na krilo aviona - pritisak je veći ispod krila i avion se gura prema gore. Turbo jedro omogućuje brodu da se kreće protiv bilo kojeg vjetra, sve dok ima dovoljno snage pumpe. Koristi se kao pomoćni sustav za konvencionalni brodski motor. Dva turbo jedra instalirana na brodu Cousteauovog tima "Halcyon" omogućila su uštedu do 50% goriva.

Flettnerov rotor i Magnusov efekt

Dana 16. rujna 1922. Anton Flettner dobio je njemački patent za tzv. A u listopadu 1924. eksperimentalni rotacijski brod Buckau napustio je navoze brodograđevne tvrtke Friedrich Krupp u Kielu. Istina, škuna nije izgrađena od nule: prije ugradnje Flettnerovih rotora bila je obična jedrilica.

Flettnerova ideja bila je koristiti takozvani Magnusov efekt, čija je bit sljedeća: kada strujanje zraka (ili tekućine) struji oko rotirajućeg tijela, sila se stvara okomito na smjer strujanja i djeluje na tijelo . Činjenica je da rotirajući objekt stvara vrtložno gibanje oko sebe. Na strani tijela gdje se smjer vrtloga poklapa sa smjerom strujanja tekućine ili plina, brzina medija raste, a na suprotnoj strani se smanjuje. Razlika tlaka stvara poprečnu silu usmjerenu od strane gdje su smjer vrtnje i smjer strujanja suprotni, prema strani gdje se podudaraju.

“Flettnerov vjetrobran je na svačijim usnama zahvaljujući neobično gorljivoj novinskoj propagandi”, napisao je Louis Prandtl u svom članku o razvoju njemačkog inženjera.

Taj je učinak 1852. godine otkrio berlinski fizičar Heinrich Magnus.

Magnusov učinak

Njemački aeronautički inženjer i izumitelj Anton Flettner (1885. – 1961.) ušao je u povijest pomorstva kao čovjek koji je pokušao zamijeniti jedra. Imao je priliku dugo putovati na jedrilici preko Atlantika i Indijskog oceana. Na jarbolima jedrenjaka tog doba postavljena su mnoga jedra. Oprema za jedrenje bila je skupa, složena i aerodinamički ne baš učinkovita. Stalne opasnosti čekale su mornare, koji su se, čak i za vrijeme oluje, morali nositi s jedrima na visini od 40-50 metara.

Tijekom plovidbe mladom inženjeru sinula je ideja da jedra, koja su zahtijevala mnogo truda, zamijeni jednostavnijim, ali učinkovitijim uređajem, čiji bi glavni pogon također bio vjetar. Razmišljajući o tome, sjetio se aerodinamičkih eksperimenata koje je izvodio njegov sunarodnjak, fizičar Heinrich Gustav Magnus (1802. – 1870.). Utvrdili su da pri rotaciji cilindra u struji zraka nastaje poprečna sila čiji smjer ovisi o smjeru rotacije cilindra (Magnusov efekt).

Jedan od njegovih klasičnih eksperimenata išao je ovako: “Mjedeni cilindar mogao bi se okretati između dvije točke; brza rotacija bila je pridodana cilindru, kao u vrhu, užetom.

Rotirajući cilindar bio je smješten u okvir, koji se, pak, mogao lako okretati. Ovaj sustav je bio izložen jakoj struji zraka pomoću male centrifugalne pumpe. Cilindar je odstupao u smjeru okomitom na struju zraka i na os cilindra, štoviše, u smjeru u kojem su smjer vrtnje i struja bili isti” (L. Prandtl “The Magnus Effect and the Wind Ship”, 1925. ).

A. Flettner se odmah dosjetio da bi se jedra mogla zamijeniti rotirajućim cilindrima ugrađenim na brod.

Ispada da tamo gdje se površina cilindra pomiče suprotno struji zraka, brzina vjetra se smanjuje, a tlak raste. Na drugoj strani cilindra je obrnuto - brzina strujanja zraka se povećava, a tlak pada. Ova razlika u tlaku na različitim stranama cilindra je pokretačka sila koja pokreće brod. Ovo je osnovni princip rada rotacijske opreme, koja koristi snagu vjetra za pogon plovila. Sve je vrlo jednostavno, ali samo A. Flettner "nije prošao", iako je Magnusov učinak poznat više od pola stoljeća.

Plan je počeo provoditi 1923. na jezeru u blizini Berlina. Zapravo, Flettner je učinio prilično jednostavnu stvar. Ugradio je papirnati cilindar-rotor visok oko metar i promjera 15 cm na metar dugačak testni brod, te prilagodio satni mehanizam da ga okreće. I brod je zaplovio.

Kapetani jedrenjaka rugali su se cilindrima A. Flettnera kojima je želio zamijeniti jedra. Izumitelj je uspio zainteresirati bogate pokrovitelje umjetnosti za svoj izum. Godine 1924. umjesto tri jarbola na 54-metarsku škunu Buckau postavljena su dva rotacijska cilindra. Ove cilindre je rotirao dizel generator od 45 KS.

Rotore Bukaua pokretali su električni motori. Zapravo, nije bilo razlike u dizajnu od Magnusovih klasičnih eksperimenata. Na strani gdje se rotor okretao prema vjetru stvoreno je područje visokog tlaka, a na suprotnoj strani - niskog tlaka. Rezultirajuća sila pomaknula je brod. Štoviše, ta je sila bila otprilike 50 puta veća od sile pritiska vjetra na nepokretni rotor!

To je Flettneru otvorilo goleme izglede. Između ostalog, površina rotora i njegova masa bili su nekoliko puta manji od površine jedrenjaka, što bi dalo jednaku pogonsku snagu. Rotor je bilo puno lakše kontrolirati, a bio je prilično jeftin za proizvodnju. Odozgo, Flettner je prekrio rotore pločastim ravninama - to je otprilike udvostručilo pogonsku silu zbog pravilne orijentacije strujanja zraka u odnosu na rotor. Optimalna visina i promjer rotora za Bukau izračunati su puhanjem modela budućeg plovila u zračnom tunelu.

Cousteauov turbojedrenjak - Od 2011. Alkyone je jedini brod na svijetu s Cousteauovim turbojedrom. Smrću velikog oceanografa 1997. prekinuta je gradnja drugog sličnog broda, Calypso II, a ostali brodograditelji zaziru od neobičnog dizajna...

Flettnerov rotor pokazao se izvrsno. Za razliku od konvencionalnog jedrenjaka, rotacijski se brod praktički nije bojao lošeg vremena i jakih bočnih vjetrova; mogao je lako ploviti na izmjeničnim uzdama pod kutom od 25º u odnosu na vjetar (za konvencionalno jedro granica je oko 45º). Dva cilindrična rotora (visine 13,1 m, promjera 1,5 m) omogućila su savršeno balansiranje plovila - pokazalo se da je stabilniji od jedrilice koju je Bukau bio prije restrukturiranja.

Ispitivanja su provedena u mirnim uvjetima, u olujama i uz namjerno preopterećenje - i nisu uočeni ozbiljni nedostaci. Najpovoljniji smjer kretanja broda bio je smjer vjetra točno okomit na os broda, a smjer kretanja (naprijed ili natrag) određen je smjerom vrtnje rotora.

Sredinom veljače 1925. škuna Buckau, opremljena Flettner rotorima umjesto jedrima, napustila je Danzig (danas Gdansk) za Škotsku. Vrijeme je bilo loše, a većina jedrenjaka nije se usudila napustiti luke. U Sjevernom moru, Buckau je vodio ozbiljnu bitku s jakim vjetrovima i velikim valovima, ali se škuna naginjala manje od ostalih jedrenjaka na koje je nailazio.

Tijekom ove plovidbe nije bilo potrebno pozivati ​​članove posade na palubu da mijenjaju jedra ovisno o jačini ili smjeru vjetra. Sve što je bilo potrebno bio je jedan navigator straže, koji je, bez napuštanja kormilarnice, mogao kontrolirati aktivnosti rotora. Prije se posada škune s tri jarbola sastojala od najmanje 20 mornara, a nakon što je pretvorena u rotirajući brod, bilo je dovoljno 10 ljudi.

Iste godine brodogradilište je položilo svoj drugi rotacijski brod - moćni teretni linijski brod Barbara, kojeg pokreću tri rotora od 17 metara. U isto vrijeme, jedan mali motor sa snagom od samo 35 KS bio je dovoljan za svaki rotor. (pri maksimalnoj brzini vrtnje svakog rotora od 160 o/min)! Potisak rotora bio je ekvivalentan potisku vijčanog propelera spojenog s konvencionalnim brodskim dizelskim motorom snage oko 1000 KS. No, na brodu je bilo i dizela: osim rotora pokretao je i propeler (koji je ostao jedini pogonski uređaj za mirna vremena).

Obećavajuća iskustva potaknula su brodarsku tvrtku Rob.M.Sloman iz Hamburga da 1926. godine sagradi Barbaru. Unaprijed je planirano da se opremi turbo jedrima - Flettner rotorima. Na brodu duljine 90 m i širine 13 m montirana su tri rotora visine oko 17 m.

“Barbara” je neko vrijeme, kako je planirano, uspješno prevozila voće iz Italije u Hamburg. Otprilike 30-40% plovidbe pokretao je vjetar. Uz vjetar od 4-6 bodova, "Barbara" je razvila brzinu od 13 čvorova.

Plan je bio testirati rotacijsko plovilo na dužim putovanjima Atlantskim oceanom.

Ali kasnih 1920-ih izbila je Velika depresija. Godine 1929. čarter tvrtka odbila je nastaviti iznajmljivati ​​Barbaru i ona je prodana. Novi vlasnik skinuo je rotore i preuredio brod prema tradicionalnom dizajnu. Ipak, rotor je bio inferioran vijčanim propelerima u kombinaciji s klasičnom dizel elektranom zbog ovisnosti o vjetru i određenih ograničenja u snazi ​​i brzini. Flettner se okrenuo naprednijim istraživanjima i Baden-Baden je na kraju potonuo tijekom oluje na Karibima 1931. godine. A na rotorska jedra odavno su zaboravili...

Činilo se da je početak rotacijskih brodova bio prilično uspješan, ali nisu se razvili i dugo su bili zaboravljeni. Zašto? Prvo, "otac" rotacijskih brodova, A. Flettner, uronio je u stvaranje helikoptera i prestao se zanimati za pomorski prijevoz. Drugo, usprkos svim svojim prednostima, rotacioni brodovi ostali su jedrenjaci sa svojim inherentnim nedostacima, od kojih je glavna ovisnost o vjetru.

Flettner rotori ponovno su se zainteresirali 80-ih godina 20. stoljeća, kada su znanstvenici počeli predlagati razne mjere za ublažavanje klimatskog zagrijavanja, smanjenje zagađenja i racionalniju potrošnju goriva. Među prvima ih se sjetio istraživač dubina, Francuz Jacques-Yves Cousteau (1910.–1997.). Kako bi se testirao rad sustava turbosail i smanjila potrošnja sve skupljeg goriva, katamaran s dva jarbola “Alcyone” (Alcyone je kći boga vjetra Eola) pretvoren je u rotacijsko plovilo. Isplovivši 1985. godine, obišao je Kanadu i Ameriku, obišao rt Horn, obišao Australiju i Indoneziju, Madagaskar i Južnu Afriku. Prebačen je u Kaspijsko jezero gdje je plovio tri mjeseca vršeći razna istraživanja. Alcyone još uvijek koristi dva različita pogonska sustava - dva dizel motora i dva turbo jedra.

Turbo jedro Cousteau

Jedrilice su se također gradile kroz 20. stoljeće. Kod modernih brodova ovog tipa jedra se namotaju pomoću elektromotora, a novi materijali znatno olakšavaju dizajn. Ali jedrilica je jedrilica, a ideja o korištenju energije vjetra na radikalno nov način lebdi u zraku još od vremena Flettnera. A pokupio ga je neumorni pustolov i istraživač Jacques-Yves Cousteau.

Dana 23. prosinca 1986., nakon što je Halcyone spomenut na početku članka lansiran, Cousteau i njegovi kolege Lucien Malavard i Bertrand Charrier primili su zajednički patent br. US4630997 za “uređaj koji stvara silu korištenjem pokretne tekućine ili plina .” Opći opis je sljedeći: „Uređaj se postavlja u okolinu koja se kreće u određenom smjeru; u ovom slučaju nastaje sila koja djeluje u smjeru okomitom na prvi. Uređaj izbjegava korištenje masivnih jedara, kod kojih je pogonska sila proporcionalna površini jedra.” Koja je razlika između Cousteau turbo jedra i Flettner rotor jedra?

U presjeku, turbo jedro je nešto poput izdužene kapi, zaobljene na oštrom kraju. Na bočnim stranama "kapljice" nalaze se rešetke za dovod zraka, kroz jednu od kojih (ovisno o potrebi kretanja naprijed ili natrag) zrak se usisava. Kako bi se osigurao maksimalno učinkovit usis vjetra u usisnik zraka, na turbojedru je ugrađen mali ventilator kojeg pokreće elektromotor.

Umjetno povećava brzinu kretanja zraka na zavjetrini jedra, usisavajući struju zraka u trenutku njezina odvajanja od ravnine turbo jedra. Time se stvara vakuum na jednoj strani turbo jedra, a istovremeno se sprječava stvaranje turbulentnih vrtloga. I tada djeluje Magnusov učinak: razrijeđenost na jednoj strani, kao rezultat - bočna sila koja može izazvati pomicanje broda. Zapravo, turbo jedro je krilo zrakoplova postavljeno okomito, barem je princip stvaranja pogonske sile sličan principu stvaranja uzgona zrakoplova. Kako bi turbo jedro uvijek bilo okrenuto najpovoljnijom stranom prema vjetru, opremljeno je posebnim senzorima i postavljeno na okretnu ploču. Usput, Cousteauov patent implicira da se zrak može isisati iz unutrašnjosti turbo jedra ne samo ventilatorom, već i, na primjer, zračnom pumpom - tako je Cousteau zatvorio vrata za sljedeće "izumitelja".

Zapravo, Cousteau je prvi put testirao prototip turbo jedra na katamaranu “Windmill” (Moulin à Vent) 1981. godine. Najveće uspješno putovanje katamarana bilo je od Tangiera (Maroko) do New Yorka pod nadzorom većeg ekspedicijskog broda.

A u travnju 1985. u luci La Rochelle porinut je Halcyone, prvi punopravni brod opremljen turbo jedrima. Sada je još uvijek u pokretu i danas je vodeći (i, zapravo, jedini veliki brod) flotile Cousteauovog tima. Turbojedra na njemu ne služe kao jedini pogon, ali pomažu uobičajenom sprezanju dvaju dizel motora i
nekoliko vijaka (koji vam, usput, omogućuju smanjenje potrošnje goriva za otprilike trećinu). Da je veliki oceanograf bio živ, vjerojatno bi izgradio još nekoliko sličnih brodova, no entuzijazam njegovih suradnika osjetno je splasnuo nakon odlaska Cousteaua.

Neposredno prije svoje smrti 1997. Cousteau je aktivno radio na projektu broda Calypso II s turbo jedrom, ali ga nije imao vremena dovršiti. Prema posljednjim podacima, u zimu 2011. Alkyone je bio u luci Kaen i čekao je novu ekspediciju.

I opet Flettner

Danas se pokušava oživjeti Flettnerova ideja i raširiti rotorska jedra. Na primjer, poznata hamburška tvrtka Blohm + Voss započela je aktivan razvoj rotacijskog tankera nakon naftne krize 1973. godine, ali su do 1986. ekonomski čimbenici zatvorili ovaj projekt. Zatim je postojao cijeli niz amaterskih dizajna.

Godine 2007. studenti Sveučilišta u Flensburgu izgradili su katamaran na rotorsko jedro (Uni-cat Flensburg).

Godine 2010. pojavio se treći brod u povijesti s rotorskim jedrima - teški kamion E-Ship1 koji je izgrađen za Enercon, jednog od najvećih proizvođača vjetrogeneratora u svijetu. 6. srpnja 2010. brod je prvi put porinut u more i kratko je plovio od Emdena do Bremerhavena. A već u kolovozu krenuo je na svoju prvu radnu plovidbu u Irsku s teretom od devet vjetrogeneratora. Plovilo je opremljeno s četiri Flettner rotora i, naravno, tradicionalnim propulzijskim sustavom u slučaju mirnog vremena i za dodatnu snagu. Ipak, rotorna jedra služe samo kao pomoćni pogon: za kamion od 130 metara njihova snaga nije dovoljna da razvije pravu brzinu. Motore pokreće devet Mitsubishijevih agregata, a rotore pokreće Siemensova parna turbina koja koristi energiju ispušnih plinova. Rotorska jedra mogu uštedjeti 30 do 40% goriva pri brzini od 16 čvorova.

Ali Cousteauovo turbojedro i dalje ostaje u nekom zaboravu: "Halcyone" je danas jedini brod pune veličine s ovom vrstom pogona. Iskustvo njemačkih brodograditelja pokazat će ima li smisla dalje razvijati temu jedara pokretanih Magnusovim efektom. Glavno je pronaći ekonomsko opravdanje za to i dokazati njegovu učinkovitost. A onda će se, vidite, sav svjetski brodski promet prebaciti na princip koji je opisao talentirani njemački znanstvenik prije više od 150 godina.

U Sjevernom moru 2010. godine mogao se vidjeti neobičan brod “E-Ship 1”. Na gornjoj palubi četiri su visoka okrugla dimnjaka, ali iz njih nikad ne suklja dim. Riječ je o takozvanim Flettnerovim rotorima koji su zamijenili tradicionalna jedra.

Najveći svjetski proizvođač vjetroelektrana, Enercon, u brodogradilištu Lindenau u Kielu 2. kolovoza 2010. godine porinuo je rotacijski brod dug 130 metara i širok 22 metra, koji je kasnije nazvan E-Ship 1. Potom je uspješno testiran u Sjevernom i Sredozemnom moru, a trenutno transportira vjetrogeneratore iz Njemačke, gdje se proizvode, u druge europske zemlje. Dostiže brzinu od 17 čvorova (32 km/h), istovremeno prevozi više od 9 tisuća tona tereta, posada mu je 15 ljudi.

Brodograđevna tvrtka Wind Again sa sjedištem u Singapuru, koja stvara tehnologije za smanjenje potrošnje goriva i emisija, predlaže ugradnju posebno dizajniranih Flettnerovih rotora (sklopivih) na tankere i teretne brodove. Oni će smanjiti potrošnju goriva za 30-40% i isplatit će se za 3-5 godina.

Finska pomorska inženjerska tvrtka Wartsila već planira instalirati turbo jedra na trajekte za krstarenje. To je zbog želje finskog trajektnog operatera Viking Line da smanji potrošnju goriva i zagađenje okoliša.

Sveučilište u Flensburgu (Njemačka) proučava korištenje Flettnerovih rotora na brodovima za razonodu. Čini se da rastuće cijene nafte i alarmantno zagrijavanje klime stvaraju povoljne uvjete za povratak vjetroturbina.

Jahta koju je dizajnirao John Marples, Cloudia, je obnovljeni trimaran Searunner 34. Jahta je podvrgnuta prvim testovima u veljači 2008. u Fort Pierceu, Florida, SAD, a njenu izradu financirao je TV kanal Discovery. “Claudia” se pokazala nevjerojatno pokretljivom: zaustavila se i vratila unatrag u nekoliko sekundi, te se slobodno kretala pod kutom od oko 15° prema vjetru. Zamjetno poboljšanje performansi u usporedbi s tradicionalnim Flettnerovim rotorom posljedica je dodatnih poprečnih diskova ugrađenih na prednjim i stražnjim rotorima trimarana.

Nastavljajući razgovor o hidrauličkim i aerodinamičkim efektima, posebnu pozornost treba posvetiti efektu nazvanom po slavnom njemačkom znanstveniku Heinrichu Magnusu, koji je 1853. godine predložio fizikalno objašnjenje zakrivljenosti putanje leta topovske kugle uzrokovane njezinom nasumičnim okretanjem. Let lopte koja se vrti umnogome je sličan letu lopte u nogometu ili tenisu. Rotacija lopte u letu stvara aerodinamičku silu koja skreće loptu s njezine ravne putanje leta. Sir Newton je pisao o ovom nevjerojatnom aerodinamičkom učinku komentirajući cut udarce u tenisu.

Obično se težište topovske kugle ne poklapa s njezinim geometrijskim središtem, što uzrokuje lagano zaokretanje projektila pri ispaljivanju. Proizvoljan položaj težišta đule prije hica doveo je do jednako proizvoljnog odstupanja putanje leta đulada. Znajući za ovaj nedostatak, topnici su umočili topovska zrna u živu i zatim ih označili na njihovoj najvišoj točki uzgona. Označene jezgre nazivale su se mjerne jezgre.

Prilikom ispaljivanja kalibriranih topovskih zrna, otkriveno je da u slučaju kada je topovsko zrno postavljeno u pištolj s težištem pomaknutim prema dolje, rezultat je bio "podbacivanje". Ako je jezgra postavljena s težištem prema gore, tada je dobiven "let". Prema tome, ako je težište projektila bilo smješteno udesno, uočena su odstupanja udesno tijekom leta projektila, a ako je težište projektila bilo smješteno ulijevo, uočena su odstupanja ulijevo. Pruski topnici imali su posebne upute za ispaljivanje kalibriranih topovskih kugli.

Kasnije su došli na ideju izrade jezgri s namjerno pomaknutim težištem. Takvi projektili nazvani su ekscentričnim, a već 1830. godine počele su ih koristiti vojske Pruske i Saske. Pravilnim postavljanjem ekscentrične jezgre u zatvarač topa, bilo je moguće povećati domet paljbe do jedan i pol puta bez promjene položaja cijevi. Zanimljivo je da znanstvenici nisu imali nikakve veze s ovom topničkom inovacijom.

Međutim, prosvijećeno 19. stoljeće zahtijevalo je “znanstveno objašnjenje” svakog neshvatljivog fenomena. I tako su se pruski topnici obratili jednom od priznatih autoriteta aerodinamike u nastajanju - Heinrichu Magnusu za objašnjenje zakrivljene putanje leta topovske kugle.

Magnus je sugerirao da problem nije pomaknuto težište jezgre, kao takvo. Razlog je vidio u rotaciji jezgre. Kako bi provjerio svoju hipotezu, Magnus je proveo niz laboratorijskih eksperimenata s prisilnim strujanjem zraka na rotirajućem tijelu, koje nije bilo kugla, već cilindri i stošci. Aerodinamička sila koja je nastala na cilindru djelovala je u istom smjeru kao i sila koja otklanja rotirajuću jezgru.

Tako je Magnus bio prvi fizičar koji je jasno simulirao i u laboratorijskim uvjetima potvrdio iznenađujući učinak topovske kugle koja odstupa od ravnog leta. Nažalost, Magnus nije izvršio nikakva kvantitativna mjerenja tijekom svojih aerodinamičkih eksperimenata, već je samo zabilježio pojavu otklonske sile i podudaranje njezina smjera s onom koja se događala u topničkoj praksi.

Strogo govoreći, Magnus nije točno simulirao fenomen leta upletene jezgre. U njegovim eksperimentima, rotirajući cilindar bio je nasilno upuhan bočnom strujom zraka. Dok u pravoj topničkoj vježbi, topovska kugla leti u mirnom zraku. U skladu s Bernoullijevim teoremom, tlak zraka u mlazu opada proporcionalno kvadratu njegove brzine. U slučaju da se tijelo giba u mirnom zraku, nema stvarne brzine mlaza, stoga se ne može očekivati ​​pad tlaka zraka.

Osim toga, Magnusovi pokusi bilježe silu koja djeluje na cilindar strogo okomito na nadolazeći mlaz. U stvarnosti, rotacija cilindra ili kugle također povećava silu otpora, što ima značajan utjecaj na putanju leta projektila.

Drugim riječima, Magnusova sila ne djeluje strogo okomito na putanju leta, već pod određenim kutom, koji Magnus nije istražio.

U Magnusovo vrijeme među fizičarima još uvijek nije postojala ideja o identitetu fizičkih pojava svojstvenih stvarnom letu krutog tijela i pojava koje nastaju kada vjetar udari u nepokretno tijelo. Stoga su pioniri aerodinamike izveli svoje prve eksperimente ispuštajući modele s velikih visina, simulirajući tako učinak stvarnog leta. Na primjer, Eiffel je aktivno koristio svoj toranj u aerodinamičkim eksperimentima.

I tek mnogo godina kasnije neočekivano je postalo jasno da su aerodinamičke sile koje nastaju tijekom interakcije čvrstog tijela s protokom tekućine ili plina gotovo identične, i kada tok udari na stacionarno tijelo i kada se tijelo kreće u stacionarnom mediju . I, iako je ovaj identitet nenamjerno doveo u pitanje Bernoullijev teorem, koji vrijedi za strujanje mlaza sa stvarnim tlakom velike brzine, nitko od aerodinamičara nije počeo kopati dublje, budući da je Bernoullijeva formula omogućila jednako uspješno predviđanje rezultata strujanja oko tijelo, bez obzira na to što se zapravo kreće - tok ili čvrsto tijelo.

Ludwig Prandtl je u svom laboratoriju u Göttingenu početkom 20. stoljeća bio prvi znanstvenik koji je napravio ozbiljno laboratorijsko istraživanje Magnusove sile, mjerenjem sila i brzina.

U prvoj seriji pokusa brzina vrtnje cilindra bila je mala, pa ti pokusi nisu donijeli ništa novo, samo su potvrdili kvalitativne zaključke Magnusa. Najzanimljivije je počelo u eksperimentima s puhanjem brzorotirajućeg cilindra, kada je periferna brzina površine cilindra bila nekoliko puta veća od brzine nadolazećeg zračnog toka.

Tu je prvi put otkrivena nenormalno visoka vrijednost otklonske sile koja djeluje na rotirajući cilindar.

S peterostrukim viškom obodne brzine rotacije nad brzinom strujanja, aerodinamička sila na rotirajući cilindar, izračunata po kvadratnom metru poprečnog presjeka cilindra, pokazala se deset puta većom od aerodinamičke sile koja djeluje na krilo s dobar aerodinamički profil.

Drugim riječima, pokazalo se da je sila potiska na rotirajućem rotoru za red veličine veća od sile podizanja krila aviona!

Prandtl je pokušao objasniti nevjerojatno veliku aerodinamičku silu koja se javlja pri strujanju oko rotirajućeg cilindra na temelju Bernoullijevog teorema prema kojem tlak u protoku tekućine ili plina naglo pada s povećanjem brzine protoka. Međutim, ovo objašnjenje nije baš uvjerljivo, jer su brojni aerodinamički pokusi jasno dokazali da pad tlaka na aerodinamičnoj površini ovisi o relativnoj brzini strujanja, a ne o brzini strujanja.

Kada se cilindar okreće suprotno od protoka, relativna brzina protoka se povećava, stoga bi vakuum trebao biti maksimalan. Pri rotaciji u odnosu na protok, relativna brzina protoka se smanjuje, stoga bi vakuum trebao biti minimalan.

U stvarnosti se sve događa upravo suprotno: u zoni korotacije vakuum je maksimalan, au zoni kontrarotacije vakuum je minimalan.

Dakle, kako se stvara potisak kada se puše na rotirajući cilindar?

Kad je Magnus ispitivao rotirajući cilindar bez bočnog protoka zraka, primijetio je da postoji pad tlaka u blizini površine cilindra: plamen svijeće postavljene pokraj cilindra bio je pritisnut na površinu cilindra.

Pod utjecajem inercijskih sila, prizidni sloj zraka nastoji se odvojiti od rotirajuće površine, stvarajući vakuum u zoni odvajanja.

Odnosno, razrijeđenost nije posljedica same brzine mlaza, kako kaže Bernoullijev teorem, već posljedica krivuljaste putanje mlaza.

Kada se rotor puše sa strane, u zoni gdje se nadolazeće strujanje poklapa u smjeru s kretanjem zidnog sloja, dolazi do dodatnog zakretanja zračnog vrtloga, a time i do povećanja dubine razrjeđenja.

Naprotiv, u zoni protugibanja bočnog toka, u odnosu na sloj stijenke, uočava se usporavanje rotacije vrtloga i smanjenje dubine razrjeđenja. Nejednakost dubine vakuuma po zonama rotora dovodi do pojave rezultirajuće bočne sile (Magnusova sila). Međutim, vakuum je prisutan na cijeloj površini rotora.

Možda je najvažnija posljedica Prandtlovih eksperimenata mogućnost korištenja abnormalno velike sile na rotirajućem rotoru za pokretanje broda. Istina, ova ideja nije pala na pamet samom Prandtlu, već njegovom sunarodnjaku, inženjeru Antonu Flettneru, o kojem ćemo posebno govoriti na sljedećim stranicama.

Igor Jurijevič Kulikov

Nina Nikolaevna Andreeva pomoći će vam u dogovoru
patent za vaš izum

Svi su vidjeli kako u nogometu ili tenisu lopta leti nevjerojatnom putanjom. Zašto se ovo događa? Ne sjećam se da su nam u školskom programu govorili o tome i uvijek smo to zvali samo "uvrnuto". Ali koja sila tjera leteću loptu da opisuje cik-cak?

Sada ćemo sve to saznati...

Taj je učinak otkrio njemački fizičar Heinrich Magnus 1853. godine. Suština fenomena je da kada se lopta okreće, ona oko sebe stvara vrtlog zraka. S jedne strane tijela, smjer vrtloga se poklapa sa smjerom strujanja oko njega i brzina medija na toj strani raste. S druge strane objekta smjer vrtloga je suprotan smjeru strujanja, pa se brzina medija smanjuje. Ta razlika u brzini stvara bočnu silu koja mijenja putanju leta. Fenomen se često koristi u sportu, na primjer, specijalni udarci: top spin, suha ploča u nogometu ili Hop-Up sustav u airsoftu.

Magnusov efekt dobro je ilustriran u ovom videu. Košarkaška lopta bačena okomito prema dolje s velike visine i rotirana mijenja putanju i neko vrijeme leti vodoravno.

Magnusov efekt demonstriran je na brani u Australiji. Isprva je košarkaška lopta jednostavno bila bačena s nje, letjela gotovo ravno dolje i sletjela na željenu točku. Zatim je lopta drugi put izbačena s brane, uz lagano uvijanje (usput, nogometaši se često susreću s Magnusovim efektom kada serviraju "uvrnute" lopte). U ovom slučaju, objekt se ponašao neobično. Video koji demonstrira fizikalni fenomen objavljen je na YouTubeu te je u samo nekoliko dana skupio više od 9 milijuna pregleda i gotovo 1,5 tisuća komentara.

Riža. 1 1 — granični sloj

Cilindar koji se giba translatorno (nerotirajući) relativnom brzinom V0 kruži laminarnim strujanjem, koje nije vrtložno (slika 1b).

Ako se cilindar rotira i istovremeno pomiče u translaciji, tada će se dva toka koja ga okružuju preklapati i stvoriti rezultantno strujanje oko njega (slika 1c).

Kada se cilindar okreće, tekućina se također počinje kretati. Gibanje u graničnom sloju je vrtložno; sastoji se od potencijalnog gibanja, na koje je rotacija superponirana. Na vrhu cilindra smjer strujanja poklapa se sa smjerom vrtnje cilindra, a na dnu mu je suprotan. Čestice u graničnom sloju na vrhu cilindra se ubrzavaju strujanjem, što sprječava odvajanje graničnog sloja. Odozdo, tok usporava kretanje u graničnom sloju, što potiče njegovo odvajanje. Odvojene dijelove graničnog sloja strujanje odnosi u obliku vrtloga. Kao rezultat toga, oko cilindra dolazi do kruženja brzine u istom smjeru u kojem se cilindar rotira. Prema Bernoullijevom zakonu, tlak tekućine na vrhu cilindra bit će manji nego na dnu. To rezultira okomitom silom koja se naziva uzgon. Kada se smjer rotacije cilindra promijeni, sila dizanja također mijenja smjer u suprotan.

U Magnusovom efektu sila Fpod je okomita na brzinu strujanja V0. Da biste pronašli smjer te sile, potrebno je zakrenuti vektor u odnosu na brzinu V0 za 90° u smjeru suprotnom od rotacije cilindra.

Magnusov efekt može se promatrati u eksperimentu sa svjetlosnim cilindrom koji se kotrlja niz nagnutu ravninu.

Dijagram kotrljajućeg cilindra

Nakon kotrljanja niz kosu ravninu, centar mase valjka ne kreće se po paraboli, kao što bi se kretala materijalna točka, već po krivulji koja ide ispod kose ravnine.

Ako rotirajući cilindar zamijenimo vrtlogom (rotirajućim stupcem tekućine) intenziteta J=2Sw, tada će Magnusova sila biti ista. Dakle, na pokretni vrtlog iz okolnog fluida djeluje sila okomita na relativnu brzinu gibanja V0 i usmjerena u smjeru određenom gornjim pravilom vrtnje vektora.

U Magnusovom efektu međusobno su povezani: smjer i brzina strujanja, smjer i kutna brzina, smjer i rezultirajuća sila. Sukladno tome, može se mjeriti i koristiti sila ili se može mjeriti protok i kutna brzina.

Ovisnost rezultata o utjecaju ima sljedeći oblik (formula Zhukovsky-Kutta):

gdje je J intenzitet gibanja oko cilindra;

r je gustoća tekućine;

V0 je relativna brzina protoka.

Ograničenja manifestacije fizičkog učinka: osiguranje laminarnog protoka tekućine (plina) preko objekta sa silom podizanja usmjerenom prema gore.

Efekt je prvi opisao njemački fizičar Heinrich Magnus 1853. godine.

Studirao je fiziku i kemiju 6 godina - prvo na Sveučilištu u Berlinu, potom još jednu godinu (1828.) u Stockholmu, u laboratoriju Jonsa Berzeliusa, a potom u Parizu kod Gay-Lussaca i Tenarda. Godine 1831. Magnus je pozvan kao predavač fizike i tehnologije na Sveučilištu u Berlinu, zatim je bio profesor fizike do 1869. godine. Godine 1840. Magnus je izabran za člana Berlinske akademije, a od 1854. bio je dopisni član Petrogradske akademije znanosti.

Magnus je tijekom svog života neumorno radio na raznim temama u fizici i kemiji. Još kao student (1825.) objavio je svoj prvi rad o samozapaljenju metalnih prahova, a 1828. otkrio je po njemu nazvanu sol platine (PtCl 2NH3). 1827-33 bavio se uglavnom kemijom, zatim radom na polju fizike. Od ovih potonjih najpoznatije su studije o apsorpciji plinova krvlju (1837-45), o širenju plinova zagrijavanjem (1841-44), o elastičnosti vodene pare i vodenih otopina (1844-54), o termoelektricitetu (1851), i elektrolizi (1856), indukciji struja (1858-61), toplinskoj vodljivosti plinova (1860), polarizaciji topline zračenja (1866-68) i pitanju termokromatičnosti plinova (od 1861.) .

Magnus nije ništa manje poznat kao učitelj; Iz njegova je laboratorija potekla većina istaknutih modernih njemačkih fizičara, au njemu su radili i neki ruski znanstvenici.