§ 3.7 Spettri nucleari ed effetto Mössbauer Facendo il massimo affidamento possibile sulla meccanica o sull'elettrodinamica, è necessario indicare operazioni matematiche fisicamente chiare, la cui interpretazione attraverso le vibrazioni di un opportuno modello porta alle leggi della serie

Forza e velocità La grande velocità è un vantaggio molto importante in battaglia. La nave più veloce sceglie una posizione e una distanza di combattimento vantaggiose. Se il suo comandante lo desidera, può sempre aumentare o diminuire la distanza; se il nemico evita il combattimento, può farlo

Capitolo 16 Effetto Brown Attualmente, l'effetto Biefeld-Brown viene spesso erroneamente chiamato effetto reattivo del vento ionico. Non prenderemo in considerazione i dispositivi che volano a causa della ionizzazione dell'aria. Negli schemi qui proposti può verificarsi la ionizzazione, ma

Capitolo 27 Forza motrice cronologica Sviluppando l’idea di Veinik secondo cui qualsiasi “intensità” della sostanza di un oggetto (corpo) può essere utilizzata per generare un campo cronologico e modificare la velocità del tempo per un dato oggetto materiale, consideriamo un semplice esempio

Capitolo 31 Effetto forma Ritornando alla storia dello sviluppo della teoria eterica, va notato che il termine "effetto forma" fu introdotto dai ricercatori francesi Leon Shomri e Andre de Belizal negli anni '30 del secolo scorso. L'effetto forma più conosciuto è quello delle piramidi, l'essenza

Capitolo 4 Forza centrifuga È noto che l’Ufficio Brevetti russo non accetta domande di brevetto che descrivono “propulsione tramite forze interne”. Questo è corretto, ma non dobbiamo dimenticare che tutti i corpi sono in costante interazione e scambio energetico con l’etere,

IL POTERE DI MILIARDI PER TRASFORMARE UN SAMOVAR Per prima cosa mettiamo il samovar: il samovar era pieno di carboni, ma il samovar bolliva e sul fondo c'era solo cenere. Dove sono i carboni? Tipo dove? Bruciato. Connesso con l'ossigeno. Si trasformarono in gas volatile e volarono nel camino. Tutti lo sanno. E chi non ci crederà?

IL POTERE DI MILIARDI Se un normale uragano distrugge interi villaggi, cosa può fare allora un'esplosione, una tempesta di ferro? L'esplosione, forse, spazzerà via le case dell'intera città, come le briciole da un tavolino da tè. In realtà, questo fa non succede Accade, ovviamente, che una casa voli in aria a causa di un'esplosione. Ma alle case vicine

Direzione del flusso. Questo è il risultato dell'influenza combinata di fenomeni fisici come l'effetto Bernoulli e la formazione di uno strato limite nel mezzo attorno all'oggetto aerodinamico.

Un oggetto rotante crea un movimento vorticoso nell'ambiente circostante. Su un lato dell'oggetto, la direzione del vortice coincide con la direzione del flusso attorno ad esso e, di conseguenza, aumenta la velocità di movimento del mezzo su questo lato. Dall'altro lato dell'oggetto, la direzione del vortice è opposta alla direzione del flusso e la velocità del mezzo diminuisce. A causa di questa differenza di velocità si crea una differenza di pressione che genera una forza trasversale dal lato del corpo rotante in cui il senso di rotazione e il senso del flusso sono opposti, al lato in cui tali direzioni coincidono. Questo fenomeno è spesso utilizzato nello sport, vedi ad esempio i colpi speciali: topspin, foglio secco nel calcio o il sistema Hop-Up nel softair.

L'effetto fu descritto per la prima volta dal fisico tedesco Heinrich Magnus nel 1853.

Formula per il calcolo della forza

Liquido ideale

Anche se il fluido non presenta attrito interno (viscosità), è possibile calcolare l'effetto della portanza.

Lascia che la palla sia immersa in un flusso di fluido ideale che scorre su di essa. Velocità del flusso all'infinito (nelle vicinanze è, ovviamente, distorta) $\backslash vec(u)\_\backslash infty$. Per simulare la rotazione della palla, introduciamo la circolazione della velocità $\backslash Gamma$ Intorno a lui. Basandoci sulla legge di Bernoulli, possiamo trovare che la forza totale che agisce sulla palla in questo caso è pari a:

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

È chiaro che:

1. la forza totale è perpendicolare al flusso, cioè la forza di resistenza al flusso di un fluido ideale sulla palla è zero (paradosso di D'Alembert)
2. la forza, a seconda del rapporto tra le direzioni di circolazione e la velocità del flusso, si riduce ad una forza di sollevamento o di abbassamento.

Liquido viscoso

La seguente equazione descrive le quantità necessarie per calcolare la portanza generata dalla rotazione di una sfera in un fluido reale.

$(F)=(1\backslash su\; 2)\; (\; \backslash rho)\; (V^2AC\_l)$ $F$- forza di sollevamento $\backslash rho$- densità del liquido. $V$- velocità della palla rispetto al mezzo $UN$- area trasversale della palla $(C\_l)$- coefficiente di portanza ( Inglese)

Il coefficiente di portanza può essere determinato da grafici di dati sperimentali utilizzando il numero di Reynolds e il coefficiente di rotazione ((velocità angolare*diametro)/(2*velocità lineare)). Per coefficienti di rotazione compresi tra 0,5 e 4,5, il coefficiente di portanza varia da 0,2 a 0,6.

Applicazione

Generatori eolici

Il generatore eolico “rotore d’aria” è un dispositivo legato che viene sollevato con elio ad un’altezza compresa tra 120 e 300 metri)

Turbosail sulle navi

Dagli anni '80, il Cousteau Halcion è in funzione con una complessa turbovela che sfrutta l'effetto Magnus.

Dal 2010 è in servizio la nave mercantile E-Ship 1 con vele a rotore più semplici Anton Flettner

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Appunti

Letteratura

• L. Prandtl"L'effetto Magnus e la nave del vento." (rivista "Advances in Physical Sciences", numero 1-2. 1925)
• L. Prandtl. Sul movimento del fluido con pochissimo attrito. - 1905.

Collegamenti

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

Estratto che descrive l'effetto Magnus

Montagne Calve, la tenuta del principe Nikolai Andreich Bolkonsky, si trovava a sessanta verste da Smolensk, dietro di essa, e a tre verste dalla strada di Mosca.
La sera stessa, quando il principe diede ordini ad Alpatych, Desalles, dopo aver chiesto un incontro con la principessa Marya, la informò che poiché il principe non era del tutto sano e non stava prendendo alcuna misura per la sua sicurezza, e dalla lettera del principe Andrei era chiaro che si trovava sui Monti Calvi. Se la situazione non è sicura, le consiglia rispettosamente di scrivere una lettera con Alpatych al capo della provincia di Smolensk con la richiesta di informarla sullo stato delle cose e sull'entità del pericolo a cui corre Le Montagne Calve sono esposte. Desalle scrisse una lettera al governatore per la principessa Marya, che firmò, e questa lettera fu consegnata ad Alpatych con l'ordine di presentarla al governatore e, in caso di pericolo, di tornare il prima possibile.
Dopo aver ricevuto tutti gli ordini, Alpatych, accompagnato dalla sua famiglia, con un cappello di piume bianche (un dono principesco), con un bastone, proprio come il principe, uscì per sedersi in una tenda di cuoio, piena di tre Savra ben nutriti.
La campana era legata e le campane erano coperte con pezzi di carta. Il principe non permetteva a nessuno di cavalcare sui Monti Calvi con una campana. Ma Alpatych amava le campane e le campane durante un lungo viaggio. Lo salutarono i cortigiani di Alpatych, uno zemstvo, un impiegato, un cuoco: nero, bianco, due vecchie, un ragazzo cosacco, cocchieri e vari servi.

In Australia, fisici dilettanti hanno dimostrato l’effetto Magnus in azione. Il video dell'esperimento, pubblicato su YouTube, ha ricevuto più di 9 milioni di visualizzazioni.

L'effetto Magnus è un fenomeno fisico che si verifica quando un flusso di liquido o gas scorre attorno a un corpo rotante. Quando un corpo rotondo volante ruota, gli strati d'aria vicini iniziano a circolare attorno ad esso. Di conseguenza, durante il volo il corpo cambia direzione di movimento.

Per condurre l'esperimento, i fisici dilettanti hanno scelto una diga alta 126,5 metri e un normale pallone da basket. All'inizio la palla veniva semplicemente lanciata a terra, volava parallela alla diga e atterrava nel punto segnato. La seconda volta la palla è caduta, ruotando leggermente attorno al proprio asse. La palla volante volò lungo una traiettoria insolita, dimostrando chiaramente l'effetto Magnus.

L'effetto Magnus spiega perché in alcuni sport, come il calcio, la palla viaggia in una direzione strana. L'esempio più eclatante di un volo "anormale" della palla potrebbe essere osservato dopo un calcio di punizione del calciatore Roberto Carlos durante la partita del 3 giugno 1997 tra le squadre nazionali di Brasile e Francia.

Una nave con vele turbo!

La famosa serie di documentari “L'odissea subacquea della squadra Cousteau” è stata girata dal grande oceanografo francese negli anni '60 e '70. La nave principale di Cousteau fu quindi convertita dal dragamine britannico Calypso. Ma in uno dei film successivi - "La riscoperta del mondo" - apparve un'altra nave, lo yacht "Halcyone".

Guardandola, molti telespettatori si sono posti la domanda: che tipo di strani tubi sono installati sullo yacht?... Forse si tratta di tubi di caldaie o sistemi di propulsione? Immaginate la vostra sorpresa se scoprite che queste sono VELE... turbovele...

La Fondazione Cousteau acquisì lo yacht Alcyone nel 1985 e questa nave fu considerata non tanto come una nave da ricerca, ma come base per studiare l'efficacia delle turbovele, il sistema di propulsione originale della nave. E quando, 11 anni dopo, la leggendaria Calypso affondò, Alkyone prese il suo posto come nave principale della spedizione (a proposito, oggi Calypso è stata rialzata e si trova nel porto di Concarneau in uno stato semi-saccheggiato).

In realtà la turbovela è stata inventata da Cousteau. Proprio come l'attrezzatura subacquea, un piattino subacqueo e molti altri dispositivi per esplorare le profondità del mare e la superficie dell'oceano mondiale. L'idea è nata all'inizio degli anni '80 ed era quella di creare il dispositivo di propulsione più ecologico, ma allo stesso tempo conveniente e moderno per gli uccelli acquatici. L’uso dell’energia eolica sembrava essere l’area di ricerca più promettente. Ma ecco il problema: l’umanità ha inventato la vela diverse migliaia di anni fa, e cosa potrebbe esserci di più semplice e logico?

Naturalmente, Cousteau e soci capirono che era impossibile costruire una nave spinta esclusivamente dalla vela. Più precisamente, forse, ma le sue prestazioni di guida saranno molto mediocri e dipenderanno dai capricci del tempo e dalla direzione del vento. Pertanto, inizialmente era stato previsto che la nuova "vela" sarebbe stata solo una forza ausiliaria utilizzata per aiutare i motori diesel convenzionali. Allo stesso tempo, una turbovela ridurrebbe significativamente il consumo di carburante diesel e, in caso di vento forte, potrebbe diventare l'unico dispositivo di propulsione della nave. E il team di ricercatori ha guardato al passato: all'invenzione dell'ingegnere tedesco Anton Flettner, un famoso progettista di aerei che ha dato un serio contributo alla costruzione navale.

La turbosail è un cilindro cavo dotato di una pompa speciale. La pompa crea un vuoto su un lato della turbovela, pompando aria nella vela, l'aria esterna inizia a fluire attorno alla turbovela a velocità diverse e la nave inizia a muoversi in una direzione perpendicolare alla pressione dell'aria. Questo ricorda molto la forza di portanza che agisce sull'ala di un aereo: la pressione è maggiore da sotto l'ala e l'aereo viene spinto verso l'alto. La turbovela consente alla nave di muoversi contro qualsiasi vento, purché vi sia sufficiente potenza di pompaggio. Utilizzato come sistema ausiliario per un motore marino convenzionale. Due turbovele installate sulla nave della squadra di Cousteau “Halcyon” hanno permesso di risparmiare fino al 50% di carburante.

Rotore Flettner ed effetto Magnus

Il 16 settembre 1922 Anton Flettner ricevette un brevetto tedesco per la cosiddetta nave rotante. E nell'ottobre 1924, la nave rotante sperimentale Buckau lasciò gli scali della società di costruzioni navali Friedrich Krupp a Kiel. È vero, la goletta non è stata costruita da zero: prima dell'installazione dei rotori Flettner, era una normale nave a vela.

L'idea di Flettner era quella di utilizzare il cosiddetto effetto Magnus, la cui essenza è la seguente: quando un flusso d'aria (o liquido) scorre attorno a un corpo rotante, si genera una forza perpendicolare alla direzione del flusso e agisce sul corpo . Il fatto è che un oggetto rotante crea un movimento vorticoso attorno a se stesso. Sul lato dell'oggetto dove la direzione del vortice coincide con la direzione del flusso del liquido o del gas, la velocità del mezzo aumenta e sul lato opposto diminuisce. La differenza di pressione crea una forza trasversale diretta dal lato dove il senso di rotazione e il senso del flusso sono opposti, al lato dove coincidono.

"La nave eolica di Flettner è sulla bocca di tutti grazie alla propaganda giornalistica insolitamente zelante", scrive Louis Prandtl nel suo articolo sullo sviluppo dell'ingegnere tedesco.

Questo effetto fu scoperto nel 1852 dal fisico berlinese Heinrich Magnus.

Effetto Magnus

L'ingegnere aeronautico e inventore tedesco Anton Flettner (1885–1961) passò alla storia marittima come l'uomo che cercò di sostituire le vele. Ha avuto l'opportunità di viaggiare a lungo su una barca a vela attraverso gli oceani Atlantico e Indiano. Molte vele furono installate sugli alberi dei velieri di quell'epoca. L'attrezzatura per la vela era costosa, complessa e aerodinamicamente poco efficiente. Pericoli costanti attendevano i marinai che, anche durante una tempesta, dovevano fare i conti con le vele ad un'altezza di 40-50 metri.

Durante il viaggio, il giovane ingegnere ebbe l'idea di sostituire le vele, che richiedevano molto impegno, con un dispositivo più semplice ma efficace, la cui propulsione principale sarebbe stata anche il vento. Mentre pensava a questo, si ricordò degli esperimenti aerodinamici condotti dal suo connazionale, il fisico Heinrich Gustav Magnus (1802–1870). Hanno scoperto che quando il cilindro ruota nel flusso d'aria, si crea una forza trasversale con una direzione che dipende dalla direzione di rotazione del cilindro (effetto Magnus).

Uno dei suoi esperimenti classici andava così: “Un cilindro di ottone potrebbe ruotare tra due punti; la rapida rotazione veniva impartita al cilindro, come in una trottola, da una corda.

Il cilindro rotante era collocato in un telaio che, a sua volta, poteva ruotare facilmente. Questo sistema è stato esposto ad un forte flusso d'aria utilizzando una piccola pompa centrifuga. Il cilindro deviava in una direzione perpendicolare al flusso d’aria e all’asse del cilindro, inoltre, nella direzione in cui i sensi di rotazione e il flusso erano gli stessi” (L. Prandtl “L’effetto Magnus e la nave del vento”, 1925 ).

A. Flettner pensò subito che le vele potessero essere sostituite da cilindri rotanti installati sulla nave.

Si scopre che dove la superficie del cilindro si muove contro il flusso d'aria, la velocità del vento diminuisce e la pressione aumenta. Dall'altro lato del cilindro è vero il contrario: la velocità del flusso d'aria aumenta e la pressione diminuisce. Questa differenza di pressione sui diversi lati del cilindro è la forza motrice che fa muovere la nave. Questo è il principio base di funzionamento delle apparecchiature rotanti, che utilizzano la forza del vento per spingere la nave. Tutto è molto semplice, ma solo A. Flettner "non è passato", sebbene l'effetto Magnus sia noto da più di mezzo secolo.

Iniziò ad attuare il piano nel 1923 su un lago vicino a Berlino. In realtà, Flettner ha fatto una cosa piuttosto semplice. Ha installato un cilindro-rotore di carta alto circa un metro e con un diametro di 15 cm su una barca di prova lunga un metro e ha adattato un meccanismo di orologio per ruotarlo. E la barca salpò.

I capitani dei velieri si facevano beffe dei cilindri di A. Flettner, con i quali voleva sostituire le vele. L'inventore riuscì ad interessare ricchi mecenati alla sua invenzione. Nel 1924, invece di tre alberi, sulla goletta Buckau di 54 metri furono montati due cilindri rotanti. Questi cilindri venivano ruotati da un generatore diesel da 45 CV.

I rotori del Bukau erano azionati da motori elettrici. In realtà, non vi era alcuna differenza nel design rispetto agli esperimenti classici di Magnus. Sul lato in cui il rotore ruotava verso il vento si creava un'area di alta pressione e sul lato opposto una bassa pressione. La forza risultante spostò la nave. Inoltre, questa forza era circa 50 volte maggiore della forza della pressione del vento su un rotore fermo!

Ciò ha aperto enormi prospettive per Flettner. Tra le altre cose, l'area del rotore e la sua massa erano molte volte inferiori all'area dell'attrezzatura velica, che avrebbe fornito la stessa forza motrice. Il rotore era molto più facile da controllare ed era abbastanza economico da produrre. Dall'alto, Flettner ha coperto i rotori con piani a forma di piastra: ciò ha quasi raddoppiato la forza motrice grazie al corretto orientamento dei flussi d'aria rispetto al rotore. L'altezza e il diametro ottimali del rotore del Bukau sono stati calcolati soffiando un modello della futura nave in una galleria del vento.

Il turbosailer di Cousteau - Dal 2011, Alkyone è l'unica nave al mondo con una turbovela Cousteau. La morte del grande oceanografo nel 1997 pose fine alla costruzione di una seconda nave simile, la Calypso II, e altri costruttori navali diffidavano del design insolito...

Il rotore Flettner ha funzionato in modo eccellente. A differenza di una nave a vela convenzionale, una nave rotativa praticamente non aveva paura del maltempo e dei forti venti laterali; poteva facilmente navigare su virate alternate con un angolo di 25º rispetto al vento contrario (per una vela convenzionale il limite è di circa 45º). Due rotori cilindrici (altezza 13,1 m, diametro 1,5 m) hanno permesso di bilanciare perfettamente la nave: si è rivelata più stabile della barca a vela che era il Bukau prima della ristrutturazione.

I test sono stati effettuati in condizioni di calma, in caso di tempesta e con sovraccarico intenzionale, e non sono state riscontrate carenze gravi. La direzione più vantaggiosa per il movimento della nave era la direzione del vento esattamente perpendicolare all'asse della nave, e la direzione del movimento (avanti o indietro) era determinata dalla direzione di rotazione dei rotori.

A metà febbraio 1925, la goletta Buckau, dotata di rotori Flettner al posto delle vele, lasciò Danzica (oggi Danzica) per la Scozia. Il tempo era brutto e la maggior parte delle navi a vela non osava lasciare i porti. Nel Mare del Nord, la Buckau dovette affrontare una seria battaglia con forti venti e grandi onde, ma la goletta sbandò meno di altre navi a vela incontrate.

Durante questo viaggio non era necessario chiamare i membri dell'equipaggio sul ponte per cambiare le vele a seconda della forza o della direzione del vento. Tutto ciò che serviva era un navigatore di guardia che, senza lasciare la timoneria, potesse controllare l'attività dei rotori. In precedenza, l'equipaggio di una goletta a tre alberi era composto da almeno 20 marinai, dopo essere stata trasformata in una nave rotativa, erano sufficienti 10 persone.

Nello stesso anno, il cantiere pose la sua seconda nave rotativa: la potente nave da carico Barbara, azionata da tre rotori da 17 metri. Allo stesso tempo, per ogni rotore era sufficiente un piccolo motore con una potenza di soli 35 CV. (ad una velocità di rotazione massima di ciascun rotore di 160 giri/min)! La spinta dei rotori era equivalente alla spinta di un'elica accoppiata ad un convenzionale motore diesel navale con una potenza di circa 1000 CV. Sulla nave, però, era presente anche il gasolio: oltre ai rotori, azionava l'elica (che rimaneva l'unico mezzo di propulsione in caso di tempo calmo).

Esperienze promettenti spinsero la compagnia di navigazione Rob.M.Sloman di Amburgo a costruire nel 1926 la Barbara. Era stato pianificato in anticipo di dotarlo di turbovele: rotori Flettner. Su una nave lunga 90 me larga 13 m sono stati montati tre rotori alti circa 17 m.

"Barbara", come previsto, ha trasportato per qualche tempo con successo frutta dall'Italia ad Amburgo. Circa il 30-40% del viaggio è stato alimentato dal vento. Con un vento di 4-6 punte “Barbara” ha sviluppato una velocità di 13 nodi.

Il piano era di testare la nave rotativa su viaggi più lunghi nell'Oceano Atlantico.

Ma alla fine degli anni ’20 colpì la Grande Depressione. Nel 1929 la compagnia di charter rifiutò di continuare a noleggiare la Barbara e questa fu venduta. Il nuovo proprietario rimosse i rotori e rimontò la nave secondo il design tradizionale. Tuttavia, il rotore era inferiore alle eliche a vite in combinazione con un motore diesel convenzionale a causa della sua dipendenza dal vento e di alcune limitazioni di potenza e velocità. Flettner si dedicò a ricerche più avanzate e il Baden-Baden alla fine affondò durante una tempesta nei Caraibi nel 1931. E si sono dimenticati delle vele a rotore per molto tempo...

L'inizio delle navi rotanti sembrò avere un discreto successo, ma non furono sviluppate e furono dimenticate per molto tempo. Perché? In primo luogo, il "padre" delle navi rotanti, A. Flettner, si immerse nella creazione di elicotteri e cessò di interessarsi al trasporto marittimo. In secondo luogo, nonostante tutti i loro vantaggi, le navi rotanti sono rimaste navi a vela con i loro svantaggi intrinseci, il principale dei quali è la dipendenza dal vento.

I rotori Flettner tornarono ad interessarsi negli anni '80 del XX secolo, quando gli scienziati iniziarono a proporre varie misure per mitigare il riscaldamento climatico, ridurre l'inquinamento e un consumo di carburante più razionale. Uno dei primi a ricordarli fu l'esploratore degli abissi, il francese Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Per testare il funzionamento del sistema turbovela e ridurre il consumo di carburante sempre più costoso, il catamarano a due alberi “Alcyone” (Alcyone è la figlia del dio del vento Eolo) è stato trasformato in una nave rotativa. Salpato nel 1985, visitò il Canada e l'America, doppiando Capo Horn, aggirando l'Australia e l'Indonesia, il Madagascar e il Sud Africa. Fu trasferito nel Mar Caspio, dove navigò per tre mesi, svolgendo varie ricerche. Alcyone utilizza ancora due diversi sistemi di propulsione: due motori diesel e due vele turbo.

Turbosail Cousteau

Nel corso del XX secolo furono costruite anche barche a vela. Nelle navi moderne di questo tipo, le vele vengono avvolte tramite motori elettrici e i nuovi materiali rendono il design notevolmente più leggero. Ma una barca a vela è una barca a vela, e l’idea di sfruttare l’energia eolica in un modo radicalmente nuovo era nell’aria già dai tempi di Flettner. Ed è stato raccolto dall'instancabile avventuriero ed esploratore Jacques-Yves Cousteau.

Il 23 dicembre 1986, dopo il lancio dell'Halcyone menzionato all'inizio dell'articolo, Cousteau e i suoi colleghi Lucien Malavard e Bertrand Charrier ricevettero il brevetto congiunto n. US4630997 per “un dispositivo che crea forza attraverso l'uso di un liquido o gas in movimento .” La descrizione generale è la seguente: “Il dispositivo è posto in un ambiente che si muove in una certa direzione; in questo caso nasce una forza che agisce in direzione perpendicolare alla prima. Il dispositivo evita l’uso di vele massicce, in cui la forza motrice è proporzionale alla superficie velica.” Qual è la differenza tra una turbovela Cousteau e una vela rotore Flettner?

In sezione trasversale, la turbovela assomiglia a una goccia allungata, arrotondata all'estremità acuta. Ai lati della “goccia” sono presenti delle griglie di presa d'aria, attraverso una delle quali (a seconda della necessità di spostarsi avanti o indietro) viene aspirata l'aria. Per garantire la massima efficacia di aspirazione del vento nella presa d'aria, sulla turbosail è installato un piccolo ventilatore azionato da un motore elettrico.

Aumenta artificialmente la velocità del movimento dell'aria sul lato sottovento della vela, aspirando il flusso d'aria al momento della sua separazione dal piano della turbovela. Ciò crea un vuoto su un lato della turbovela, prevenendo contemporaneamente la formazione di vortici turbolenti. E poi agisce l'effetto Magnus: rarefazione da un lato, di conseguenza - una forza laterale capace di far muovere la nave. In realtà, una turbovela è un'ala di un aereo posizionata verticalmente, almeno il principio di creazione di una forza motrice è simile al principio di creazione di una portanza di un aereo. Per garantire che la turbovela sia sempre rivolta verso il lato più vantaggioso rispetto al vento, è dotata di speciali sensori e installata su una piattaforma girevole. A proposito, il brevetto di Cousteau implica che l'aria può essere aspirata dall'interno della turbovela non solo da un ventilatore, ma anche, ad esempio, da una pompa ad aria - quindi Cousteau ha chiuso la porta ai successivi "inventori".

Infatti, Cousteau testò per la prima volta un prototipo di turbovela sul catamarano “Windmill” (Moulin à Vent) nel 1981. Il viaggio più grande e riuscito del catamarano è stato da Tangeri (Marocco) a New York sotto la supervisione di una nave da spedizione più grande.

E nell'aprile 1985, nel porto di La Rochelle, fu varata la Halcyone, la prima nave a tutti gli effetti dotata di turbovele. Ora è ancora in movimento e oggi è l'ammiraglia (e, in effetti, l'unica grande nave) della flottiglia della squadra Cousteau. Le turbovele su di esso non servono come unica propulsione, ma aiutano il consueto accoppiamento di due motori diesel e
diverse viti (che, tra l'altro, consente di ridurre il consumo di carburante di circa un terzo). Se il grande oceanografo fosse stato vivo, probabilmente avrebbe costruito molte altre navi simili, ma l'entusiasmo dei suoi collaboratori diminuì notevolmente dopo la partenza di Cousteau.

Poco prima della sua morte nel 1997, Cousteau stava lavorando attivamente al progetto della nave Calypso II con una turbovela, ma non ebbe il tempo di completarla. Secondo gli ultimi dati, nell'inverno del 2011, Alkyone si trovava nel porto di Kaen e aspettava una nuova spedizione.

E ancora Flettner

Oggi si tenta di far rivivere l'idea di Flettner e di diffondere le vele a rotore. Ad esempio, la famosa società di Amburgo Blohm + Voss iniziò lo sviluppo attivo di una nave cisterna rotativa dopo la crisi petrolifera del 1973, ma nel 1986 fattori economici bloccarono questo progetto. Poi c'è stata tutta una serie di progetti amatoriali.

Nel 2007, gli studenti dell'Università di Flensburg hanno costruito un catamarano azionato da una vela a rotore (Uni-cat Flensburg).

Nel 2010 è apparsa la terza nave nella storia con vele a rotore: il camion pesante E-Ship1, costruito per ordine di Enercon, uno dei maggiori produttori di generatori eolici al mondo. Il 6 luglio 2010 la nave è stata varata per la prima volta e ha effettuato un breve viaggio da Emden a Bremerhaven. E già in agosto è partito per il suo primo viaggio di lavoro in Irlanda con un carico di nove generatori eolici. La nave è dotata di quattro rotori Flettner e, naturalmente, di un sistema di propulsione tradizionale in caso di tempo calmo e di potenza aggiuntiva. Tuttavia, le vele del rotore servono solo come propulsione ausiliaria: per un camion di 130 metri, la loro potenza non è sufficiente per sviluppare la velocità adeguata. I motori sono alimentati da nove propulsori Mitsubishi e i rotori sono azionati da una turbina a vapore Siemens che utilizza l'energia dei gas di scarico. Le vele a rotore possono risparmiare dal 30 al 40% di carburante ad una velocità di 16 nodi.

Ma la turbovela di Cousteau rimane ancora in un certo oblio: “Halcyone” è oggi l’unica nave a grandezza naturale con questo tipo di propulsione. L’esperienza dei costruttori navali tedeschi dimostrerà se ha senso sviluppare ulteriormente il tema delle vele alimentate dall’effetto Magnus. La cosa principale è trovare una giustificazione economica per questo e dimostrarne l’efficacia. E poi, vedi, tutta la navigazione mondiale passerà al principio descritto da un talentuoso scienziato tedesco più di 150 anni fa.

Nel Mare del Nord nel 2010 si poteva vedere una strana nave “E-Ship 1”. Sul ponte superiore ci sono quattro alti camini rotondi, ma da essi non esce mai fumo. Si tratta dei cosiddetti rotori Flettner, che hanno sostituito le vele tradizionali.

Il 2 agosto 2010, il più grande produttore mondiale di centrali eoliche, Enercon, ha varato una nave rotativa lunga 130 metri e larga 22 metri, che in seguito è stata chiamata E-Ship 1, presso il cantiere navale Lindenau di Kiel. Successivamente è stato testato con successo nel Mare del Nord e nel Mediterraneo e attualmente trasporta i generatori eolici dalla Germania, dove vengono prodotti, ad altri paesi europei. Raggiunge una velocità di 17 nodi (32 km/h), trasporta contemporaneamente più di 9mila tonnellate di carico, il suo equipaggio è di 15 persone.

La società di costruzioni navali Wind Again con sede a Singapore, che crea tecnologie per ridurre il consumo di carburante e le emissioni, propone di installare rotori Flettner appositamente progettati (pieghevoli) su navi cisterna e navi mercantili. Ridurranno il consumo di carburante del 30–40% e si ripagheranno in 3–5 anni.

La società finlandese di ingegneria navale Wartsila sta già pianificando l'installazione di turbovele sui traghetti da crociera. Ciò è dovuto al desiderio dell'operatore di traghetti finlandese Viking Line di ridurre il consumo di carburante e l'inquinamento ambientale.

L'utilizzo dei rotori Flettner sulle imbarcazioni da diporto è allo studio dell'Università di Flensburg (Germania). L’aumento dei prezzi del petrolio e un allarmante riscaldamento climatico sembrano creare condizioni favorevoli per il ritorno delle turbine eoliche.

Lo yacht progettato da John Marples, Cloudia, è un trimarano Searunner 34 ricostruito. Lo yacht è stato sottoposto ai suoi primi test nel febbraio 2008 a Fort Pierce, Florida, USA, e la sua creazione è stata finanziata dal canale televisivo Discovery. “Claudia” si è rivelata incredibilmente manovrabile: si fermava e faceva retromarcia in pochi secondi, e si muoveva liberamente con un angolo di circa 15° rispetto al vento. Il notevole miglioramento delle prestazioni rispetto al tradizionale rotore Flettner è dovuto ai dischi trasversali aggiuntivi installati sui rotori anteriore e posteriore del trimarano.

Continuando il discorso sugli effetti idraulici e aerodinamici, un'attenzione particolare dovrebbe essere prestata all'effetto che prende il nome dal famoso scienziato tedesco Heinrich Magnus, che nel 1853 propose una spiegazione fisica per la curvatura della traiettoria di volo di una palla di cannone causata dalla sua rotazione casuale. Il volo di una palla che gira è per molti versi simile al volo di una palla che gira nel calcio o nel tennis. La rotazione della palla in volo crea una forza aerodinamica che devia la palla dalla sua traiettoria di volo rettilinea. Sir Newton scrisse di questo straordinario effetto aerodinamico commentando i colpi tagliati nel tennis.

Tipicamente, il centro di gravità di una palla di cannone non coincide con il suo centro geometrico, il che provoca una leggera torsione del proiettile quando viene sparato. La posizione arbitraria del centro di gravità della palla di cannone prima dello sparo portava ad una deviazione altrettanto arbitraria della traiettoria di volo della palla di cannone. Conoscendo questo inconveniente, gli artiglieri immergevano le palle di cannone nel mercurio e poi le segnavano nel punto di massima galleggiabilità. I nuclei contrassegnati erano chiamati nuclei di calibro.

Quando si sparavano palle di cannone calibrate, si è scoperto che nel caso in cui la palla di cannone veniva inserita nell'arma con il baricentro spostato verso il basso, il risultato era un "undershoot". Se il nucleo veniva posizionato con il baricentro rivolto verso l'alto, si otteneva un “volo”. Di conseguenza, se il centro di gravità si trovava a destra, durante il volo del proiettile si osservavano deviazioni a destra; se il centro di gravità del proiettile si trovava a sinistra, si osservavano deviazioni a sinistra. Gli artiglieri prussiani avevano istruzioni speciali per sparare con palle di cannone calibrate.

Successivamente hanno avuto l'idea di realizzare nuclei con un baricentro deliberatamente spostato. Tali proiettili furono chiamati eccentrici e già nel 1830 iniziarono ad essere utilizzati dagli eserciti di Prussia e Sassonia. Posizionando correttamente il nucleo eccentrico nella culatta della pistola, è stato possibile aumentare la gittata di tiro fino a una volta e mezza senza modificare la posizione della canna. È interessante notare che gli scienziati non avevano nulla a che fare con questa innovazione dell'artiglieria.

Tuttavia, l’illuminato XIX secolo richiedeva una “spiegazione scientifica” di qualsiasi fenomeno incomprensibile. E così, gli artiglieri prussiani si rivolsero a una delle autorità riconosciute dell'aerodinamica emergente, Heinrich Magnus, per una spiegazione della traiettoria di volo curvilinea di una palla di cannone.

Magnus suggerì che il problema non era lo spostamento del centro di gravità del nucleo in quanto tale. Vide la ragione nella rotazione del nucleo. Per verificare la sua ipotesi, Magnus condusse una serie di esperimenti di laboratorio con flusso d'aria forzato su un corpo rotante, che non era una sfera, ma cilindri e coni. La forza aerodinamica generata sul cilindro agiva nella stessa direzione della forza che deviava il nucleo rotante.

Pertanto, Magnus fu il primo fisico a simulare e confermare chiaramente, in condizioni di laboratorio, l'effetto sorprendente di una palla di cannone che deviava dal volo rettilineo. Sfortunatamente, Magnus durante i suoi esperimenti aerodinamici non effettuò alcuna misurazione quantitativa, ma registrò solo il verificarsi di una forza di deflessione e la coincidenza della sua direzione con quella avvenuta nella pratica di artiglieria.

A rigor di termini, Magnus non ha simulato accuratamente il fenomeno del volo di un nucleo attorcigliato. Nei suoi esperimenti, un cilindro rotante veniva soffiato con forza da un flusso d'aria laterale. Durante l'allenamento reale con l'artiglieria, la palla di cannone vola in aria ferma. Secondo il teorema di Bernoulli, la pressione dell'aria nel getto diminuisce proporzionalmente al quadrato della sua velocità. Nel caso di un corpo che si muove in aria ferma, non esiste una velocità reale del getto, quindi non ci si può aspettare alcuna caduta della pressione dell'aria.

Inoltre, gli esperimenti di Magnus hanno registrato la forza che agisce sul cilindro strettamente perpendicolare al getto in arrivo. In realtà, la rotazione di un cilindro o di una sfera aumenta anche la forza di resistenza, che ha un impatto significativo sulla traiettoria di volo del proiettile.

In altre parole, la forza di Magnus non agisce strettamente perpendicolarmente alla traiettoria di volo, ma ad un certo angolo, che Magnus non ha esplorato.

Al tempo di Magnus, tra i fisici non c'era ancora alcuna idea dell'identità dei fenomeni fisici inerenti al volo reale di un corpo rigido e dei fenomeni che si verificano quando il vento colpisce un corpo stazionario. Pertanto, i pionieri dell'aerodinamica condussero i loro primi esperimenti facendo cadere modelli da grandi altezze, simulando così l'effetto del volo reale. Ad esempio, Eiffel ha utilizzato attivamente la sua torre in esperimenti aerodinamici.

E solo molti anni dopo divenne inaspettatamente chiaro che le forze aerodinamiche che si generano durante l'interazione di un corpo solido con un flusso di liquido o gas sono quasi identiche, sia quando il flusso colpisce un corpo stazionario sia quando il corpo si muove in un mezzo stazionario . E, sebbene questa identità abbia involontariamente messo in discussione il teorema di Bernoulli, che è valido per un flusso a getto con pressione reale ad alta velocità, nessuno degli aerodinamici ha iniziato a scavare più a fondo, poiché la formula di Bernoulli ha permesso di prevedere con uguale successo i risultati del flusso intorno un corpo, indipendentemente da ciò che si sta effettivamente muovendo: il flusso o il solido.

Ludwig Prandtl, nel suo laboratorio di Gottinga all'inizio del XX secolo, fu il primo scienziato a condurre un serio studio di laboratorio sulla forza di Magnus, con misurazioni di forze e velocità.

Nella prima serie di esperimenti, la velocità di rotazione del cilindro era bassa, quindi questi esperimenti non hanno portato nulla di nuovo; hanno solo confermato le conclusioni qualitative di Magnus. La cosa più interessante è iniziata negli esperimenti con il soffiaggio di un cilindro in rapida rotazione, quando la velocità periferica della superficie del cilindro era molte volte superiore alla velocità del flusso d'aria in arrivo.

Fu qui che fu scoperto per la prima volta un valore anomalo elevato della forza di deflessione agente sul cilindro rotante.

Con un eccesso di cinque volte della velocità di rotazione circonferenziale rispetto alla velocità del flusso, la forza aerodinamica sul cilindro rotante, calcolata per metro quadrato di sezione trasversale del cilindro, risulta essere dieci volte maggiore della forza aerodinamica agente su un'ala con un buon profilo aerodinamico.

In altre parole, la forza di spinta su un rotore rotante si è rivelata un ordine di grandezza superiore alla forza di sollevamento dell'ala di un aereo!

Prandtl ha cercato di spiegare la forza aerodinamica incredibilmente grande che si verifica quando si scorre attorno a un cilindro rotante sulla base del teorema di Bernoulli, secondo il quale la pressione in un flusso di liquido o gas diminuisce bruscamente all'aumentare della velocità del flusso. Tuttavia questa spiegazione non è molto convincente, poiché numerosi esperimenti aerodinamici hanno chiaramente dimostrato che la caduta di pressione su una superficie aerodinamica dipende dalla velocità relativa del flusso e non dalla velocità del flusso.

Quando il cilindro ruota in senso controrotante rispetto al flusso, la velocità relativa del flusso aumenta, pertanto il vuoto dovrebbe essere massimo. Quando si ruota rispetto al flusso, la velocità relativa del flusso diminuisce, pertanto il vuoto dovrebbe essere minimo.

In realtà accade tutto esattamente il contrario: nella zona di corotazione il vuoto è massimo, e nella zona di controrotazione il vuoto è minimo.

Allora come viene generata la spinta quando si soffia su un cilindro rotante?

Quando Magnus esaminò un cilindro rotante senza flusso d'aria laterale, notò che c'era una caduta di pressione vicino alla superficie del cilindro: la fiamma di una candela posta accanto al cilindro veniva premuta contro la superficie del cilindro.

Sotto l'influenza delle forze d'inerzia, lo strato d'aria vicino alla parete tende a staccarsi dalla superficie rotante, creando un vuoto nella zona di separazione.

Cioè, la rarefazione non è una conseguenza della velocità del getto stesso, come afferma il teorema di Bernoulli, ma una conseguenza della traiettoria curvilinea del getto.

Quando il rotore viene soffiato lateralmente, nella zona in cui il flusso in arrivo coincide nella direzione con il movimento dello strato di parete, si verifica un'ulteriore rotazione del vortice d'aria e, quindi, un aumento della profondità di rarefazione.

Al contrario, nella zona di contromovimento del flusso laterale, rispetto allo strato di parete, si osserva un rallentamento della rotazione del vortice ed una diminuzione della profondità di rarefazione. L'irregolarità della profondità del vuoto attraverso le zone del rotore porta alla comparsa di una forza laterale risultante (forza di Magnus). Tuttavia, il vuoto è presente su tutta la superficie del rotore.

Forse la conseguenza più importante degli esperimenti di Prandtl è la possibilità di utilizzare una forza anormalmente grande su un rotore rotante per spostare la nave. È vero, questa idea non è venuta in mente allo stesso Prandtl, ma al suo connazionale, l'ingegnere Anton Flettner, di cui parleremo separatamente nelle pagine seguenti.

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Tutti hanno visto come nel calcio o nel tennis la palla vola lungo una traiettoria incredibile. Perché sta succedendo? Non ricordo che nel curriculum scolastico ce ne parlassero e lo chiamavamo sempre semplicemente “contorto”. Ma quale forza fa sì che una palla volante descriva gli zigzag?

Ora scopriremo tutto questo...

Questo effetto fu scoperto dal fisico tedesco Heinrich Magnus nel 1853. L'essenza del fenomeno è che quando la palla ruota, crea un vortice d'aria attorno a sé. Su un lato dell'oggetto, la direzione del vortice coincide con la direzione del flusso attorno ad esso e la velocità del mezzo su questo lato aumenta. Dall'altro lato dell'oggetto, la direzione del vortice è opposta alla direzione del flusso e la velocità del mezzo diminuisce. Questa differenza di velocità genera una forza laterale che modifica la traiettoria di volo. Il fenomeno è spesso utilizzato nello sport, ad esempio nei colpi speciali: top spin, foglio secco nel calcio o il sistema Hop-Up nel softair.

L'effetto Magnus è ben illustrato in questo video. Una palla da basket lanciata verticalmente da una grande altezza e data una rotazione cambia la sua traiettoria e vola orizzontalmente per un certo tempo.

L'effetto Magnus è stato dimostrato in una diga in Australia. All'inizio la palla da basket è stata semplicemente lanciata da lei, è volata quasi verso il basso ed è atterrata nel punto previsto. Quindi la palla è stata lanciata dalla diga una seconda volta, ruotandola leggermente (a proposito, i giocatori di football spesso incontrano l'effetto Magnus quando servono palle “contorte”). In questo caso, l'oggetto si è comportato in modo insolito. Un video che mostra il fenomeno fisico è stato pubblicato su YouTube, raccogliendo più di 9 milioni di visualizzazioni e quasi 1,5mila commenti in appena un paio di giorni.

Riso. 1 1 — strato limite

Un cilindro che si muove traslatoriamente (non rotante) con una velocità relativa V0 è percorso da un flusso laminare, che non è vorticoso (Fig. 1b).

Se il cilindro ruota e contemporaneamente si muove in traslazione, i due flussi che lo circondano si sovrapporranno e creeranno un flusso risultante attorno ad esso (Fig. 1c).

Quando il cilindro ruota, anche il liquido inizia a muoversi. Il movimento nello strato limite è vorticoso; è composto da moto potenziale, al quale si sovrappone la rotazione. Nella parte superiore del cilindro la direzione del flusso coincide con la direzione di rotazione del cilindro, mentre nella parte inferiore è opposta ad essa. Le particelle nello strato limite nella parte superiore del cilindro vengono accelerate dal flusso, che impedisce la separazione dello strato limite. Dal basso il flusso rallenta il movimento dello strato limite, favorendone la separazione. Le parti staccate dello strato limite vengono trasportate dal flusso sotto forma di vortici. Di conseguenza, attorno al cilindro si verifica una circolazione di velocità nella stessa direzione in cui ruota il cilindro. Secondo la legge di Bernoulli, la pressione del fluido nella parte superiore del cilindro sarà inferiore a quella nella parte inferiore. Ciò si traduce in una forza verticale chiamata portanza. Quando il senso di rotazione del cilindro viene invertito, anche la forza di sollevamento cambia direzione nella direzione opposta.

Nell'effetto Magnus la forza Fpod è perpendicolare alla velocità del flusso V0. Per trovare la direzione di questa forza è necessario ruotare il vettore relativo alla velocità V0 di 90° nel senso opposto alla rotazione del cilindro.

L'effetto Magnus può essere osservato in un esperimento con un cilindro leggero che rotola lungo un piano inclinato.

Schema del cilindro di rotolamento

Dopo essere rotolato lungo un piano inclinato, il centro di massa del cilindro non si muove lungo una parabola, come si sposterebbe un punto materiale, ma lungo una curva che passa sotto il piano inclinato.

Se sostituiamo il cilindro rotante con un vortice (colonna rotante di liquido) con intensità J=2Sw, allora la forza di Magnus sarà la stessa. Pertanto, una forza perpendicolare alla velocità relativa del movimento V0 e diretta nella direzione determinata dalla regola di rotazione vettoriale di cui sopra agisce sul vortice in movimento dal fluido circostante.

Nell'effetto Magnus sono interconnessi: la direzione e la velocità del flusso, la direzione e la velocità angolare, la direzione e la forza risultante. Di conseguenza, è possibile misurare e utilizzare la forza oppure misurare il flusso e la velocità angolare.

La dipendenza del risultato dall'impatto ha la seguente forma (formula Zhukovsky-Kutt):

dove J è l'intensità del movimento attorno al cilindro;

r è la densità del liquido;

V0 è la velocità relativa del flusso.

Restrizioni sulla manifestazione dell'effetto fisico: garantire un flusso laminare di liquido (gas) su un oggetto con una forza di sollevamento diretta verso l'alto.

L'effetto fu descritto per la prima volta dal fisico tedesco Heinrich Magnus nel 1853.

Studiò fisica e chimica per 6 anni: prima all'Università di Berlino, poi un altro anno (1828) a Stoccolma, nel laboratorio di Jons Berzelius, e successivamente a Parigi con Gay-Lussac e Tenard. Nel 1831 Magnus fu invitato come docente di fisica e tecnologia all'Università di Berlino, poi fu professore di fisica fino al 1869. Nel 1840 Magnus fu eletto membro dell'Accademia di Berlino e dal 1854 fu membro corrispondente dell'Accademia delle scienze di San Pietroburgo.

Magnus lavorò instancabilmente per tutta la sua vita su un'ampia varietà di questioni di fisica e chimica. Ancora studente (1825), pubblicò il suo primo lavoro sulla combustione spontanea delle polveri metalliche e nel 1828 scoprì il sale di platino (PtCl 2NH3) che porta il suo nome. Nel 1827-33 si occupò principalmente di chimica, poi lavorò nel campo della fisica. Di questi ultimi i più noti sono gli studi sull'assorbimento dei gas da parte del sangue (1837-45), sulla dilatazione dei gas da riscaldamento (1841-44), sull'elasticità del vapore acqueo e delle soluzioni acquose (1844-54), sulla termoelettricità (1851), e sull'elettrolisi (1856), sull'induzione di correnti (1858-61), sulla conduttività termica dei gas (1860), sulla polarizzazione del calore radiante (1866-68) e sulla questione della termocromaticità dei gas (dal 1861) .

Magnus non è meno famoso come insegnante; La maggior parte degli eccezionali fisici tedeschi moderni provenivano dal suo laboratorio e vi lavoravano anche alcuni scienziati russi.