§ 3.7 Jadrové spektrá a Mössbauerov jav Pri maximálnom možnom spoliehaní sa na mechaniku alebo elektrodynamiku je potrebné indikovať fyzikálne čisté matematické operácie, ktorých interpretácia prostredníctvom vibrácií vhodného modelu vedie k zákonitostiam sériových

Sila a rýchlosť Veľká rýchlosť je veľmi dôležitou výhodou v boji. Rýchlejšia loď si vyberá výhodnú pozíciu a bojovú vzdialenosť. Ak jeho veliteľ chce, vždy môže vzdialenosť zväčšiť alebo zmenšiť; ak sa nepriateľ vyhýba boju, môže

Kapitola 16 Hnedý efekt V súčasnosti sa Biefeld-Brownov efekt často mylne nazýva reaktívny efekt iónového vetra. Nebudeme uvažovať o zariadeniach, ktoré lietajú kvôli ionizácii vzduchu. V tu navrhovaných schémach môže dôjsť k ionizácii, ale

Kapitola 27 Chronálna hnacia sila Pri rozvíjaní Veinikovej myšlienky, že akákoľvek „intenzita“ látky objektu (tela) môže byť použitá na vytvorenie chronálneho poľa a zmenu rýchlosti času pre daný hmotný objekt, uvažujme o jednoduchom príklade

Kapitola 31 Efekt formy Ak sa vrátime k histórii vývoja éterickej teórie, treba poznamenať, že termín „efekt formy“ zaviedli francúzski výskumníci Leon Shomri a Andre de Belizal v 30. rokoch minulého storočia. Najznámejší tvarový efekt je pre pyramídy, esencia

Kapitola 4 Odstredivá sila Ruský patentový úrad je známy tým, že neprijíma patentové prihlášky, ktoré popisujú „pohon vnútornými silami“. To je správne, ale nesmieme zabúdať, že všetky telá sú v neustálej interakcii a výmene energie s éterom,

SILA MILIARDOV NA PREMENU SAMOVARU Najprv si položme samovar, ktorý bol plný uhlia, ale samovar sa rozvaril - a na dne bol len popol. Kde sú uhlíky? Vyhorené. Prepojené s kyslíkom. Premenili sa na prchavý plyn a vleteli do komína. Každý to vie. A kto tomu neuverí?

SILA MILIARDOV Ak obyčajný hurikán zničí celé dediny, čo potom môže urobiť výbuch - železná búrka? Výbuch možno odhodí domy v celom meste ako omrvinky z čajového stola. V skutočnosti to robí Stáva sa, samozrejme, že dom vyletí po výbuchu. Ale do susedných domov

Smer toku. Je to výsledok kombinovaného vplyvu takých fyzikálnych javov, ako je Bernoulliho efekt a vytvorenie hraničnej vrstvy v médiu okolo prúdnicového objektu.

Rotujúci objekt vytvára v prostredí okolo seba vírivý pohyb. Na jednej strane objektu sa smer víru zhoduje so smerom prúdenia okolo neho, a preto sa rýchlosť pohybu média na tejto strane zvyšuje. Na druhej strane objektu je smer víru opačný ako smer prúdenia a rýchlosť média sa znižuje. V dôsledku tohto rozdielu v rýchlosti vzniká tlakový rozdiel, ktorý generuje priečnu silu z tej strany rotujúceho telesa, na ktorej je smer otáčania a smer prúdenia opačný, na stranu, na ktorej sa tieto smery zhodujú. Tento jav sa často využíva v športe, pozri napríklad špeciálne strely: topspin, suché prestieradlo vo futbale alebo Hop-Up systém pri airsofte.

Tento efekt prvýkrát opísal nemecký fyzik Heinrich Magnus v roku 1853.

Vzorec na výpočet sily

Ideálna tekutina

Aj keď kvapalina nemá žiadne vnútorné trenie (viskozitu), je možné vypočítať účinok zdvihu.

Nechajte loptu v prúde ideálnej tekutiny, ktorá na ňu prúdi. Rýchlosť toku v nekonečne (v blízkosti je, samozrejme, skreslená) $\backslash vec(u)\_\backslash infty$. Na simuláciu rotácie lopty zavedieme rýchlostnú cirkuláciu $\backslash Gamma$ Okolo neho. Na základe Bernoulliho zákona môžeme zistiť, že celková sila pôsobiaca na loptu sa v tomto prípade rovná:

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

Je jasné, že:

1. celková sila je kolmá na tok, to znamená, že odporová sila toku ideálnej tekutiny na guli je nulová (D'Alembertov paradox)
2. sila v závislosti od vzťahu medzi smermi obehu a rýchlosťou prúdenia sa redukuje na zdvíhaciu alebo spúšťaciu silu.

Viskózna kvapalina

Nasledujúca rovnica popisuje potrebné veličiny na výpočet zdvihu generovaného rotáciou gule v skutočnej tekutine.

$(F)=(1\backslash over\; 2)\; (\; \backslash rho)\; (V^2AC\_l)$ $F$- zdvíhacia sila $\backslash rho$- hustota kvapaliny. $V$- rýchlosť lopty vzhľadom na médium $A$- priečna oblasť lopty $(C\_l)$- koeficient zdvihu ( Angličtina)

Koeficient zdvihu možno určiť z grafov experimentálnych údajov pomocou Reynoldsovho čísla a rotačného koeficientu ((uhlová rýchlosť*priemer)/(2*lineárna rýchlosť)). Pre rotačné koeficienty medzi 0,5 a 4,5 sa koeficient zdvihu pohybuje od 0,2 do 0,6.

Aplikácia

Veterné generátory

Veterný generátor „vzduchový rotor“ je priviazané zariadenie, ktoré sa pomocou hélia zdvíha do výšky 120 až 300 metrov)

Turboplachty na lodiach

Od 80. rokov 20. storočia je Cousteau Halcion v prevádzke so zložitou turboplachtou využívajúcou Magnusov efekt.

Od roku 2010 je v prevádzke nákladná loď E-Ship 1 s jednoduchšími rotorovými plachtami Anton Flettner

Napíšte recenziu na článok "Magnus Effect"

Poznámky

Literatúra

• L. Prandtl"Magnusov efekt a veterná loď." (časopis "Pokroky vo fyzikálnych vedách", číslo 1-2. 1925)
• L. Prandtl. Na pohyb tekutiny s veľmi malým trením. - 1905.

Odkazy

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

Úryvok popisujúci Magnusov efekt

Lysé hory, panstvo kniežaťa Nikolaja Andreja Bolkonského, sa nachádzalo šesťdesiat verst od Smolenska za ním a tri vesty od moskovskej cesty.
V ten istý večer, keď princ vydal príkaz Alpatychovi, Desalles požiadal o stretnutie s princeznou Maryou a informoval ju, že keďže princ nie je úplne zdravý a nerobí žiadne opatrenia pre svoju bezpečnosť, a z listu princa Andreja to bolo jasné, že sa zdržiaval v Lysých horách Ak to nie je bezpečné, úctivo jej odporúča, aby napísala list s Alpatychom šéfovi provincie v Smolensku so žiadosťou, aby ju informovala o stave vecí a rozsahu nebezpečenstva, Lysé hory sú odhalené. Desalle napísal guvernérovi list pre princeznú Maryu, ktorý podpísala a tento list dostal Alpatych s príkazom predložiť ho guvernérovi a v prípade nebezpečenstva sa čo najskôr vrátiť.
Po obdržaní všetkých rozkazov si Alpatych v sprievode svojej rodiny, v bielom perovom klobúku (kniežací dar), s palicou, rovnako ako princ, vyšiel sadnúť do koženého stanu, v ktorom boli tri dobre živené Savry.
Zvonček bol zviazaný a zvony prikryté kusmi papiera. Princ nedovolil nikomu jazdiť v Lysých horách so zvonom. Ale Alpatych miloval zvony a zvony na dlhej ceste. Alpatychovi dvorania, zemstvo, úradník, kuchár - čierny, biely, dve starenky, kozácky chlapec, koči a rôzni sluhovia.

V Austrálii amatérski fyzici demonštrovali Magnusov efekt v praxi. Video z experimentu zverejnené na YouTube malo viac ako 9 miliónov videní.

Magnusov efekt je fyzikálny jav, ktorý nastáva, keď prúd kvapaliny alebo plynu obteká rotujúce teleso. Keď sa lietajúce okrúhle teleso otáča, okolo neho začnú cirkulovať blízke vrstvy vzduchu. Výsledkom je, že telo počas letu mení smer pohybu.

Amatérski fyzici si na uskutočnenie experimentu vybrali hrádzu vysokú 126,5 metra a obyčajnú basketbalovú loptu. Najprv bola lopta jednoducho zhodená, letela rovnobežne s hrádzou a dopadla na vyznačený bod. Druhýkrát loptička klesla a trochu sa otočila okolo svojej osi. Lietajúca guľa letela po nezvyčajnej trajektórii a jasne demonštrovala Magnusov efekt.

Magnusov efekt vysvetľuje, prečo v niektorých športoch, ako je futbal, sa lopta pohybuje zvláštnym smerom. Najvýraznejší príklad „abnormálneho“ letu lopty bolo možné pozorovať po voľnom kope futbalistu Roberta Carlosa počas zápasu 3. júna 1997 medzi národnými tímami Brazílie a Francúzska.

Loď pod turbo plachtami!

Slávny dokumentárny seriál „Podvodná odysea tímu Cousteau“ nakrútil veľký francúzsky oceánograf v 60. a 70. rokoch 20. storočia. Hlavná Cousteauova loď bola potom prerobená z britskej minolovky Calypso. Ale v jednom z nasledujúcich filmov - "Znovuobjavenie sveta" - sa objavila ďalšia loď, jachta "Halcyone".

Pri pohľade na ňu si mnohí televízni diváci položili otázku: aké zvláštne potrubia sú na jachte nainštalované?... Možno sú to potrubia z kotlov alebo pohonných systémov? Predstavte si svoje prekvapenie, ak zistíte, že toto sú PLACHTY... turboplachty...

Nadácia Cousteau získala jachtu Alcyone v roku 1985 a táto loď nebola považovaná ani tak za výskumnú loď, ale za základ pre štúdium účinnosti turboplachiet - pôvodného lodného pohonného systému. A keď sa o 11 rokov neskôr potopila legendárna Calypso, na jej miesto nastúpila Alkyone ako hlavná loď expedície (mimochodom, dnes je Calypso vyvýšená a v polovyrabovanom stave stojí v prístave Concarneau).

V skutočnosti turboplachtu vynašiel Cousteau. Rovnako ako potápačský výstroj, podvodný tanier a mnoho ďalších zariadení na objavovanie morských hlbín a hladiny Svetového oceánu. Myšlienka sa zrodila začiatkom 80. rokov minulého storočia a mala za cieľ vytvoriť čo najekologickejšie, no zároveň pohodlné a moderné pohonné zariadenie pre vodné vtáctvo. Využitie veternej energie sa zdalo byť najsľubnejšou oblasťou výskumu. Ale tu je problém: ľudstvo vynašlo plachtu pred niekoľkými tisíckami rokov a čo by mohlo byť jednoduchšie a logickejšie?

Samozrejme, Cousteau a spol. pochopili, že nie je možné postaviť loď poháňanú výlučne plachtou. Presnejšie možno, ale jeho jazdné výkony budú veľmi priemerné a závislé od rozmarov počasia a smeru vetra. Preto sa pôvodne plánovalo, že nová „plachta“ bude len pomocnou silou, ktorá pomáha konvenčným dieselovým motorom. Turboplachta by zároveň výrazne znížila spotrebu nafty a v silnom vetre by sa mohla stať jediným pohonným zariadením plavidla. A tím výskumníkov sa pozrel do minulosti - k vynálezu nemeckého inžiniera Antona Flettnera, slávneho leteckého konštruktéra, ktorý vážne prispel k stavbe lodí.

Turboplachta je dutý valec vybavený špeciálnym čerpadlom. Pumpa vytvorí na jednej strane turboplachty podtlak, pumpuje vzduch do plachty, vonkajší vzduch začne prúdiť okolo turboplachty rôznou rýchlosťou a loď sa začne pohybovať v smere kolmom na tlak vzduchu. Veľmi to pripomína vztlakovú silu pôsobiacu na krídlo lietadla – tlak je väčší zospodu krídla a lietadlo je vytlačené nahor. Turboplachta umožňuje pohyb lode proti akémukoľvek vetru, pokiaľ je dostatok výkonu čerpadla. Používa sa ako pomocný systém pre bežný lodný motor. Dve turboplachty nainštalované na lodi Cousteauovho tímu „Halcyon“ umožnili ušetriť až 50 % paliva.

Flettnerov rotor a Magnusov efekt

Anton Flettner dostal 16. septembra 1922 nemecký patent na takzvané rotačné plavidlo. A v októbri 1924 opustila experimentálna rotačná loď Buckau sklzy lodiarskej spoločnosti Friedrich Krupp v Kieli. Je pravda, že škuner nebol postavený od nuly: pred inštaláciou Flettnerových rotorov to bola obyčajná plachetnica.

Flettnerovou myšlienkou bolo využiť takzvaný Magnusov efekt, ktorého podstata je nasledovná: keď prúdenie vzduchu (alebo kvapaliny) obteká rotujúce teleso, vzniká sila kolmo na smer prúdenia a pôsobí na teleso. . Faktom je, že rotujúci objekt vytvára okolo seba vírivý pohyb. Na strane objektu, kde sa smer víru zhoduje so smerom prúdenia kvapaliny alebo plynu, sa rýchlosť média zvyšuje a na opačnej strane znižuje. Tlakový rozdiel vytvára priečnu silu smerujúcu zo strany, kde je smer otáčania a smer prúdenia opačný, na stranu, kde sa zhodujú.

„Flettnerova veterná loď je na perách každého vďaka nezvyčajne horlivej novinovej propagande,“ napísal Louis Prandtl vo svojom článku o vývoji nemeckého inžiniera.

Tento efekt objavil v roku 1852 berlínsky fyzik Heinrich Magnus.

Magnusov efekt

Nemecký letecký inžinier a vynálezca Anton Flettner (1885–1961) sa zapísal do námornej histórie ako muž, ktorý sa pokúsil nahradiť plachty. Mal možnosť cestovať na dlhý čas na plachetnici cez Atlantický a Indický oceán. Na stožiare plachetníc tej doby bolo nainštalovaných veľa plachiet. Plachetné vybavenie bolo drahé, zložité a aerodynamicky málo efektívne. Neustále nebezpečenstvo čakalo na námorníkov, ktorí sa aj počas búrky museli vysporiadať s plachtami vo výške 40–50 metrov.

Počas plavby mladého inžiniera napadlo vymeniť plachty, čo si vyžadovalo veľa úsilia, za jednoduchšie, ale účinné zariadenie, ktorého hlavným pohonom by bol aj vietor. Keď o tom premýšľal, spomenul si na aerodynamické experimenty, ktoré viedol jeho krajan, fyzik Heinrich Gustav Magnus (1802–1870). Zistili, že keď sa valec otáča v prúde vzduchu, vzniká priečna sila so smerom závislým od smeru otáčania valca (Magnusov efekt).

Jeden z jeho klasických experimentov vyzeral takto: „Mosadzný valec sa mohol otáčať medzi dvoma bodmi; rýchla rotácia bola udelená valcu, ako v hornej časti, pomocou šnúry.

Otočný valec bol umiestnený v ráme, ktorý sa zase mohol ľahko otáčať. Tento systém bol vystavený silnému prúdu vzduchu pomocou malého odstredivého čerpadla. Valec sa odchýlil v smere kolmom na prúd vzduchu a na os valca, navyše v smere, v ktorom boli smery otáčania a prúdu rovnaké“ (L. Prandtl „Magnesov efekt a veterná loď“, 1925 ).

A. Flettnera okamžite napadlo, že plachty by mohli nahradiť rotujúce valce inštalované na lodi.

Ukazuje sa, že tam, kde sa povrch valca pohybuje proti prúdu vzduchu, rýchlosť vetra klesá a tlak stúpa. Na druhej strane valca je to naopak - rýchlosť prúdenia vzduchu sa zvyšuje a tlak klesá. Tento rozdiel v tlaku na rôznych stranách valca je hnacou silou, vďaka ktorej sa loď pohybuje. Toto je základný princíp fungovania rotačného zariadenia, ktoré využíva silu vetra na pohon plavidla. Všetko je veľmi jednoduché, ale len A. Flettner „neprešiel“, hoci Magnusov efekt je známy už viac ako pol storočia.

Plán začal realizovať v roku 1923 na jazere neďaleko Berlína. V skutočnosti Flettner urobil pomerne jednoduchú vec. Na meter dlhú testovaciu loď nainštaloval papierový valec-rotor asi meter vysoký a 15 cm v priemere a prispôsobil hodinový mechanizmus na jeho otáčanie. A loď odplávala.

Kapitáni plachetníc sa posmievali valcom A. Flettnera, ktorým chcel nahradiť plachty. Vynálezcovi sa podarilo o svoj vynález zaujať bohatých mecenášov umenia. V roku 1924 boli na 54-metrovom škuneri Buckau namontované namiesto troch stožiarov dva rotačné valce. Tieto valce roztáčal dieselový generátor s výkonom 45 k.

Rotory Bukau boli poháňané elektromotormi. V skutočnosti nebol žiadny rozdiel v dizajne od klasických Magnusových experimentov. Na strane, kde sa rotor otáčal smerom k vetru, sa vytvorila oblasť vysokého tlaku a na opačnej strane - nízky tlak. Výsledná sila pohla loďou. Navyše táto sila bola približne 50-krát väčšia ako sila tlaku vetra na stacionárny rotor!

To otvorilo pre Flettnera obrovské vyhliadky. Okrem iného bola plocha rotora a jeho hmotnosť niekoľkonásobne menšia ako plocha plachetnice, čo by poskytovalo rovnakú hnaciu silu. Rotor sa oveľa ľahšie ovládal a jeho výroba bola pomerne lacná. Zhora Flettner pokryl rotory doskovými rovinami – to približne zdvojnásobilo hnaciu silu vďaka správnej orientácii prúdov vzduchu voči rotoru. Optimálna výška a priemer rotora pre Bukau boli vypočítané fúkaním modelu budúceho plavidla vo veternom tuneli.

Cousteauov turbosailer - Od roku 2011 je Alkyone jedinou loďou na svete s turboplachtou Cousteau. Smrť veľkého oceánografa v roku 1997 ukončila stavbu druhej podobnej lode, Calypso II, a ďalší stavitelia lodí sa obávajú neobvyklého dizajnu...

Flettnerov rotor fungoval vynikajúco. Na rozdiel od konvenčnej plachetnice sa rotačná loď prakticky nebála zlého počasia a silného bočného vetra, mohla sa ľahko plaviť na striedavých vetroch pod uhlom 25º k protivetru (pre konvenčnú plachtu je limit asi 45º). Dva valcové rotory (výška 13,1 m, priemer 1,5 m) umožnili dokonale vyvážiť plavidlo - ukázalo sa, že je stabilnejšie ako plachetnica, ktorou Bukau bol pred reštrukturalizáciou.

Testy prebiehali v pokojných podmienkach, v búrkach a pri zámernom preťažení – a neboli zistené žiadne závažné nedostatky. Najvýhodnejším smerom pre pohyb lode bol smer vetra presne kolmo na os lode a smer pohybu (dopredu alebo dozadu) určoval smer otáčania rotorov.

V polovici februára 1925 odišiel škuner Buckau, vybavený Flettnerovými rotormi namiesto plachiet, z Danzigu (dnes Gdansk) do Škótska. Počasie bolo zlé a väčšina plachetníc sa neodvážila opustiť prístavy. V Severnom mori mal Buckau vážny boj so silným vetrom a veľkými vlnami, ale škuner sa nakláňal menej ako iné plachetnice, s ktorými sa stretli.

Počas tejto plavby nebolo potrebné volať členov posádky na palubu, aby vymenili plachty v závislosti od sily alebo smeru vetra. Stačil na to jeden hodinový navigátor, ktorý bez toho, aby opustil kormidlovňu, mohol riadiť činnosť rotorov. Predtým tvorilo posádku trojsťažňového škuneru najmenej 20 námorníkov, po prestavbe na rotačnú loď stačilo 10 ľudí.

V tom istom roku lodenica položila svoju druhú rotačnú loď - mohutný nákladný parník Barbara, poháňaný tromi 17-metrovými rotormi. Na každý rotor zároveň stačil jeden malý motor s výkonom len 35 koní. (pri maximálnej rýchlosti otáčania každého rotora 160 ot./min.)! Ťah rotorov bol ekvivalentný ťahu skrutkovej vrtule spojenej s bežným lodným dieselovým motorom s výkonom okolo 1000 koní. Na lodi však nechýbala ani nafta: okrem rotorov poháňala vrtuľu (ktorá zostala v prípade pokojného počasia jediným pohonným zariadením).

Sľubné skúsenosti podnietili lodnú spoločnosť Rob.M.Sloman z Hamburgu, aby postavila Barbaru v roku 1926. Vopred sa plánovalo vybaviť ho turboplachtami - Flettnerovými rotormi. Na plavidle s dĺžkou 90 m a šírkou 13 m boli namontované tri rotory s výškou cca 17 m.

"Barbara" podľa plánu nejaký čas úspešne prepravovala ovocie z Talianska do Hamburgu. Približne 30 – 40 % plavby poháňal vietor. S vetrom 4–6 bodov vyvinula „Barbara“ rýchlosť 13 uzlov.

V pláne bolo otestovať rotačné plavidlo na dlhších plavbách v Atlantickom oceáne.

Koncom 20. rokov však zasiahla Veľká hospodárska kríza. V roku 1929 charterová spoločnosť odmietla pokračovať v prenájme Barbary a bola predaná. Nový majiteľ odstránil rotory a znovu namontoval loď podľa tradičného dizajnu. Napriek tomu bol rotor horší ako skrutkové vrtule v kombinácii s konvenčnou dieselovou elektrárňou kvôli svojej závislosti od vetra a určitým obmedzeniam výkonu a rýchlosti. Flettner sa obrátil na pokročilejší výskum a Baden-Baden sa nakoniec potopil počas búrky v Karibiku v roku 1931. A na rotorové plachty dlho zabudli...

Začiatok rotačných lodí sa zdal byť celkom úspešný, no neboli vyvinuté a boli dlho zabudnuté. prečo? Po prvé, „otec“ rotačných lodí A. Flettner sa vrhol do vytvárania vrtuľníkov a prestal sa zaujímať o námornú dopravu. Po druhé, napriek všetkým svojim výhodám, rotačné lode zostali plachetnicami so svojimi vlastnými nevýhodami, z ktorých hlavnou je závislosť od vetra.

Flettnerove rotory sa opäť začali zaujímať v 80. rokoch dvadsiateho storočia, keď vedci začali navrhovať rôzne opatrenia na zmiernenie otepľovania klímy, zníženie znečistenia a racionálnejšiu spotrebu paliva. Jedným z prvých, ktorí si ich pamätali, bol prieskumník hlbín Francúz Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Na otestovanie fungovania systému turboplachiet a zníženie spotreby čoraz drahšieho paliva bol dvojsťažňový katamarán „Alcyone“ (Alcyone je dcérou boha vetra Aeola) prerobený na rotačné plavidlo. Po vyplávaní v roku 1985 navštívil Kanadu a Ameriku, oboplával Mys Horn a okolo Austrálie a Indonézie, Madagaskaru a Južnej Afriky. Preložili ho do Kaspického mora, kde sa plavil tri mesiace a robil rôzne výskumy. Alcyone stále používa dva rôzne pohonné systémy – dva naftové motory a dve turboplachty.

Turbosail Cousteau

Počas celého 20. storočia sa stavali aj plachetnice. V moderných lodiach tohto typu sa plachty zvíjajú pomocou elektromotorov a nové materiály výrazne odľahčujú dizajn. Ale plachetnica je plachetnica a myšlienka využitia veternej energie radikálne novým spôsobom je vo vzduchu už od čias Flettnera. A zdvihol ho neúnavný dobrodruh a prieskumník Jacques-Yves Cousteau.

23. decembra 1986, po spustení Halcyone spomínaného na začiatku článku, Cousteau a jeho kolegovia Lucien Malavard a Bertrand Charrier získali spoločný patent č. US4630997 na „zariadenie, ktoré vytvára silu pomocou pohybujúcej sa kvapaliny alebo plynu .“ Všeobecný popis je nasledovný: „Zariadenie je umiestnené v prostredí pohybujúcom sa určitým smerom; v tomto prípade vzniká sila pôsobiaca v smere kolmom na prvý. Zariadenie sa vyhýba použitiu masívnych plachiet, v ktorých je hnacia sila úmerná ploche plachty.“ Aký je rozdiel medzi Cousteauovou turboplachtou a Flettnerovou rotorovou plachtou?

V priereze je turboplachta niečo ako pretiahnutá kvapka, zaoblená na ostrom konci. Po stranách „kvapky“ sú mriežky nasávania vzduchu, cez jednu z nich (v závislosti od potreby pohybu dopredu alebo dozadu) je vzduch nasávaný. Pre maximálne efektívne nasávanie vetra do nasávania vzduchu je na turboplachte inštalovaný malý ventilátor poháňaný elektromotorom.

Umelo zvyšuje rýchlosť pohybu vzduchu na záveternej strane plachty, nasáva prúd vzduchu v momente jeho oddelenia od roviny turboplachty. To vytvára vákuum na jednej strane turboplachty a súčasne zabraňuje vzniku turbulentných vírov. A potom pôsobí Magnusov efekt: riedenie na jednej strane, ako výsledok - bočná sila schopná spôsobiť pohyb lode. Turboplachta je vlastne krídlo lietadla umiestnené vertikálne, aspoň princíp vytvárania hnacej sily je podobný princípu vytvárania vztlaku lietadla. Aby bola turboplachta vždy otočená najvýhodnejšou stranou k vetru, je vybavená špeciálnymi snímačmi a inštalovaná na otočnom tanieri. Mimochodom, z Cousteauovho patentu vyplýva, že vzduch môže byť z vnútra turboplachty odsatý nielen ventilátorom, ale napríklad aj vzduchovým čerpadlom – čím Cousteau uzavrel bránu pre ďalších „vynálezcov“.

V skutočnosti Cousteau prvýkrát testoval prototyp turboplachty na katamaráne „Windmill“ (Moulin à Vent) v roku 1981. Najväčšia úspešná plavba katamaránu bola z Tangeru (Maroko) do New Yorku pod dohľadom väčšej expedičnej lode.

A v apríli 1985 bola v prístave La Rochelle spustená na vodu Halcyone, prvá plnohodnotná loď vybavená turboplachtami. Teraz je stále v pohybe a dnes je vlajkovou loďou (a vlastne jedinou veľkou loďou) flotily tímu Cousteau. Turboplachty na ňom neslúžia ako jediný pohon, ale pomáhajú bežnému spriahnutiu dvoch naftových motorov a
niekoľko skrutiek (čo mimochodom umožňuje znížiť spotrebu paliva asi o tretinu). Keby bol veľký oceánograf nažive, pravdepodobne by postavil niekoľko ďalších podobných lodí, no nadšenie jeho spolupracovníkov po Cousteauovom odchode citeľne opadlo.

Cousteau krátko pred smrťou v roku 1997 aktívne pracoval na projekte plavidla Calypso II s turboplachetnicou, no nestihol ho dokončiť. Podľa najnovších údajov bol Alkyone v zime 2011 v prístave Kaen a čakal na novú výpravu.

A opäť Flettner

Dnes sa robia pokusy oživiť Flettnerovu myšlienku a rozšíriť rotorové plachty. Napríklad slávna hamburská spoločnosť Blohm + Voss začala s aktívnym vývojom rotačného tankera po ropnej kríze v roku 1973, ale v roku 1986 ekonomické faktory ukončili tento projekt. Potom tu bola celá séria amatérskych návrhov.

V roku 2007 študenti univerzity vo Flensburgu postavili katamarán poháňaný rotorovou plachtou (Uni-cat Flensburg).

V roku 2010 sa objavila tretia loď v histórii s rotorovými plachtami - ťažký nákladný automobil E-Ship1, ktorý bol vyrobený pre Enercon, jedného z najväčších výrobcov veterných generátorov na svete. 6. júla 2010 bola loď prvýkrát spustená na vodu a vykonala krátku plavbu z Emdenu do Bremerhavenu. A už v auguste vyrazil na svoju prvú pracovnú cestu do Írska s nákladom deviatich veterných generátorov. Plavidlo je vybavené štyrmi Flettnerovými rotormi a samozrejme tradičným pohonným systémom v prípade pokojného počasia a pre dodatočný výkon. Rotorové plachty však slúžia len ako pomocný pohon: 130-metrovému nákladnému autu ich výkon nestačí na vyvinutie správnej rýchlosti. Motory poháňa deväť pohonných jednotiek Mitsubishi a rotory poháňa parná turbína Siemens, ktorá využíva energiu výfukových plynov. Rotorové plachty dokážu ušetriť 30 až 40 % paliva pri rýchlosti 16 uzlov.

Ale Cousteauova turboplachta stále zostáva v určitom zabudnutí: „Halcyone“ je dnes jedinou loďou plnej veľkosti s týmto typom pohonu. Skúsenosti nemeckých lodiarov ukážu, či má zmysel ďalej rozvíjať tému plachiet poháňaných Magnusovým efektom. Hlavné je nájsť na to ekonomické opodstatnenie a dokázať jeho účinnosť. A potom, vidíte, celá svetová lodná doprava prejde na princíp, ktorý pred viac ako 150 rokmi opísal talentovaný nemecký vedec.

V Severnom mori v roku 2010 bolo možné vidieť zvláštnu loď „E-Ship 1“. Na jeho hornej palube sú štyri vysoké okrúhle komíny, z ktorých sa však nikdy nevalí dym. Ide o takzvané Flettnerove rotory, ktoré nahradili tradičné plachty.

Najväčší svetový výrobca veterných elektrární Enercon spustil 2. augusta 2010 v lodenici Lindenau v Kieli 130 metrov dlhé a 22 metrov široké rotačné plavidlo, ktoré neskôr dostalo názov E-Ship 1. Potom bol úspešne testovaný v Severnom a Stredozemnom mori a v súčasnosti prepravuje veterné generátory z Nemecka, kde sa vyrábajú, do ďalších európskych krajín. Dosahuje rýchlosť 17 uzlov (32 km/h), súčasne prepraví viac ako 9 tisíc ton nákladu, jeho posádku tvorí 15 ľudí.

Spoločnosť Wind Again so sídlom v Singapure, ktorá vytvára technológie na zníženie spotreby paliva a emisií, navrhuje nainštalovať špeciálne navrhnuté Flettnerove rotory (skladacie) na tankery a nákladné lode. Znížia spotrebu paliva o 30–40 % a splatia sa za 3–5 rokov.

Fínska námorná inžinierska spoločnosť Wartsila už plánuje inštaláciu turboplachiet na výletné trajekty. Dôvodom je túžba fínskeho prevádzkovateľa trajektov Viking Line znížiť spotrebu paliva a znečistenie životného prostredia.

Využitie Flettnerových rotorov na výletných lodiach skúma Univerzita vo Flensburgu (Nemecko). Zdá sa, že rastúce ceny ropy a alarmujúce otepľovanie klímy vytvárajú priaznivé podmienky pre návrat veterných turbín.

Jachta navrhnutá Johnom Marplesom, Cloudia, je prestavaný trimaran Searunner 34. Prvými testami prešla jachta vo februári 2008 vo Fort Pierce na Floride v USA a jej vytvorenie financoval kanál Discovery TV. „Claudia“ sa ukázala ako neuveriteľne obratná: zastavila sa a cúvala v priebehu niekoľkých sekúnd a voľne sa pohybovala pod uhlom asi 15° voči vetru. Citeľné zlepšenie výkonu v porovnaní s tradičným Flettnerovým rotorom je spôsobené dodatočnými priečnymi kotúčmi inštalovanými na prednom a zadnom rotore trimaranu.

V pokračovaní rozhovoru o hydraulických a aerodynamických efektoch je potrebné venovať osobitnú pozornosť efektu pomenovanému po slávnom nemeckom vedcovi Heinrichovi Magnusovi, ktorý v roku 1853 navrhol fyzikálne vysvetlenie zakrivenia dráhy letu delovej gule spôsobenej jej náhodnou rotáciou. Let rotujúcej lopty je v mnohom podobný letu rotovanej lopty vo futbale alebo tenise. Rotácia lopty počas letu vytvára aerodynamickú silu, ktorá vychyľuje loptu z jej priamej dráhy letu. Sir Newton písal o tomto úžasnom aerodynamickom efekte, keď komentoval strihové údery v tenise.

Ťažisko delovej gule sa zvyčajne nezhoduje s jej geometrickým stredom, čo pri výstrele spôsobuje mierne skrútenie strely. Ľubovoľná poloha ťažiska delovej gule pred výstrelom viedla k rovnako svojvoľnému vychýleniu dráhy letu delovej gule. Keďže delostrelci poznali túto nevýhodu, ponorili delové gule do ortuti a potom ich označili v najvyššom bode vztlaku. Označené jadrá sa nazývali gauge nuclei.

Pri streľbe kalibrovanými delovými guľami sa zistilo, že v prípade, keď bola delová guľa umiestnená do pištole s ťažiskom posunutým nadol, výsledkom bol „podstrel“. Ak bolo jadro umiestnené s ťažiskom nahor, potom sa dosiahol „let“. Ak teda bolo ťažisko umiestnené vpravo, počas letu strely boli pozorované odchýlky doprava, ak bolo ťažisko strely umiestnené vľavo, boli pozorované odchýlky doľava. Pruskí strelci mali špeciálne pokyny na streľbu kalibrovanými delovými guľami.

Neskôr prišli s nápadom vyrábať jadrá so zámerne posunutým ťažiskom. Takéto strely sa nazývali excentrické a už v roku 1830 ich začali používať armády Pruska a Saska. Správnym umiestnením excentrického jadra v závere pištole bolo možné až jedenapolnásobne zväčšiť dostrel bez zmeny polohy hlavne. Je zaujímavé, že vedci s touto delostreleckou novinkou nemali nič spoločné.

Osvietené 19. storočie si však vyžiadalo „vedecké vysvetlenie“ každého nepochopiteľného javu. A tak sa pruskí delostrelci obrátili na jednu z uznávaných autorít novovznikajúcej aerodynamiky - Heinricha Magnusa so žiadosťou o vysvetlenie krivočiarej dráhy letu delovej gule.

Magnus naznačil, že problémom nie je posunuté ťažisko jadra ako také. Príčinu videl v rotácii jadra. Aby Magnus otestoval svoju hypotézu, vykonal sériu laboratórnych experimentov s núteným prúdením vzduchu na rotujúcom telese, ktoré nebolo guľou, ale valcami a kužeľmi. Aerodynamická sila vznikajúca na valci pôsobila v rovnakom smere ako sila vychyľujúca rotujúce jadro.

Magnus bol teda prvým fyzikom, ktorý jasne nasimuloval a v laboratórnych podmienkach potvrdil prekvapivý efekt delovej gule vybočujúcej z priameho letu. Žiaľ, Magnus počas svojich aerodynamických experimentov neuskutočnil žiadne kvantitatívne merania, ale zaznamenal iba výskyt vychyľovacej sily a zhodu jej smeru s tým, čo sa dialo v delostreleckej praxi.

Presne povedané, Magnus presne nesimuloval fenomén letu skrúteného jadra. Pri jeho pokusoch bol rotujúci valec násilne vyfukovaný bočným prúdom vzduchu. Pri skutočnom delostreleckom cvičení delová guľa letí v nehybnom vzduchu. V súlade s Bernoulliho teorémom tlak vzduchu v prúde klesá úmerne so štvorcom jeho rýchlosti. V prípade pohybu telesa v pokojnom vzduchu neexistuje skutočná rýchlosť prúdu, preto nemožno očakávať pokles tlaku vzduchu.

Magnusove experimenty navyše zaznamenali silu pôsobiacu na valec striktne kolmo na prichádzajúci prúd. V skutočnosti rotácia valca alebo gule tiež zvyšuje odporovú silu, čo má významný vplyv na dráhu letu strely.

Inými slovami, Magnusova sila nepôsobí striktne kolmo na dráhu letu, ale pod určitým uhlom, ktorý Magnus nepreskúmal.

V čase Magnusa ešte medzi fyzikmi neexistovala predstava o identite fyzikálnych javov, ktoré sú súčasťou skutočného letu tuhého telesa a javov, ktoré vznikajú, keď vietor narazí na nehybné teleso. Preto priekopníci aerodynamiky uskutočnili svoje prvé experimenty zhadzovaním modelov z veľkých výšok, čím simulovali efekt skutočného letu. Eiffel napríklad aktívne využíval svoju vežu pri aerodynamických experimentoch.

A až o mnoho rokov neskôr sa nečakane ukázalo, že aerodynamické sily vznikajúce pri interakcii tuhého telesa s prúdom kvapaliny alebo plynu sú takmer identické, a to ako pri dopade prúdenia na stacionárne teleso, tak aj pri pohybe telesa v stacionárnom prostredí. . A hoci táto identita mimovoľne spochybnila Bernoulliho vetu, ktorá platí pre prúdové prúdenie so skutočným vysokorýchlostným tlakom, nikto z aerodynamikov nezačal pátrať hlbšie, pretože Bernoulliho vzorec umožnil rovnako úspešne predpovedať výsledky prúdenia okolo teleso, bez ohľadu na to, čo sa v skutočnosti pohybuje - tok alebo pevná látka.

Ludwig Prandtl vo svojom laboratóriu v Göttingene na začiatku 20. storočia bol prvým vedcom, ktorý vykonal serióznu laboratórnu štúdiu Magnusovej sily s meraniami síl a rýchlostí.

V prvej sérii experimentov bola rýchlosť otáčania valca nízka, takže tieto experimenty nepriniesli nič nové, iba potvrdili kvalitatívne závery Magnusa. Najzaujímavejšie sa začalo pri pokusoch s fúkaním rýchlo rotujúceho valca, kedy obvodová rýchlosť povrchu valca bola niekoľkonásobne vyššia ako rýchlosť prichádzajúceho prúdu vzduchu.

Práve tu bola prvýkrát objavená anomálne vysoká hodnota vychyľovacej sily pôsobiacej na rotujúci valec.

Pri päťnásobnom prevýšení obvodovej rýchlosti otáčania nad rýchlosťou prúdenia sa aerodynamická sila na rotujúci valec, počítaná na štvorcový meter prierezu valca, ukázala ako desaťkrát väčšia ako aerodynamická sila pôsobiaca na krídlo s dobrý aerodynamický profil.

Inými slovami, ťahová sila na rotujúci rotor sa ukázala byť rádovo vyššia ako zdvíhacia sila krídla lietadla!

Neuveriteľne veľkú aerodynamickú silu, ktorá vzniká pri prúdení okolo rotujúceho valca, sa Prandtl pokúsil vysvetliť na základe Bernoulliho vety, podľa ktorej tlak v prúde kvapaliny alebo plynu prudko klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou prúdenia. Toto vysvetlenie však nie je príliš presvedčivé, pretože početné aerodynamické experimenty jasne dokázali, že pokles tlaku na prúdnicovom povrchu závisí od relatívnej rýchlosti prúdenia, a nie od rýchlosti prúdenia.

Keď sa valec otáča proti prúdu, relatívna rýchlosť prúdenia sa zvyšuje, preto by vákuum malo byť maximálne. Pri otáčaní vzhľadom na prúdenie sa relatívna rýchlosť prúdenia znižuje, preto by vákuum malo byť minimálne.

V skutočnosti sa všetko deje presne naopak: v zóne súbežnej rotácie je vákuum maximálne a v zóne protirotácie minimálne.

Ako teda vzniká ťah pri fúkaní na rotujúci valec?

Keď Magnus skúmal rotujúci valec bez bočného prúdenia vzduchu, všimol si, že v blízkosti povrchu valca došlo k poklesu tlaku: plameň sviečky umiestnenej vedľa valca bol pritlačený k povrchu valca.

Vplyvom zotrvačných síl má vrstva vzduchu blízko steny tendenciu odtrhnúť sa od rotujúceho povrchu, čím sa v separačnej zóne vytvorí vákuum.

To znamená, že riedenie nie je dôsledkom samotnej rýchlosti prúdu, ako uvádza Bernoulliho veta, ale dôsledkom krivočiarej trajektórie prúdu.

Keď sa rotor fúka zo strany, v zóne, kde sa prichádzajúci prúd zhoduje v smere s pohybom vrstvy steny, dochádza k dodatočnému roztočeniu vzduchového víru a tým k zvýšeniu hĺbky riedenia.

Naopak, v zóne protipohybu laterálneho prúdenia, vzhľadom k stenovej vrstve, sa pozoruje spomalenie rotácie víru a zníženie hĺbky riedenia. Nerovnomernosť hĺbky vákua naprieč zónami rotora vedie k vzniku výslednej bočnej sily (Magnusova sila). Podtlak je však prítomný po celej ploche rotora.

Azda najdôležitejším dôsledkom Prandtlových experimentov je možnosť použiť na pohyb lode abnormálne veľkú silu na rotujúci rotor. Pravda, táto myšlienka neprišla na um samotného Prandtla, ale jeho krajana, inžiniera Antona Flettnera, o ktorom si na nasledujúcich stranách povieme samostatne.

Igor Jurijevič Kulikov

Nina Nikolaevna Andreeva vám pomôže zariadiť
patent na váš vynález

Každý videl, ako vo futbale alebo tenise letí lopta po neuveriteľnej dráhe. Prečo sa to deje? V školských osnovách si nepamätám, že by nám o tom hovorili a vždy sme tomu hovorili len „skrútené“. Ale aká sila spôsobuje, že lietajúca guľa opisuje cikcaky?

Teraz sa to všetko dozvieme...

Tento efekt objavil nemecký fyzik Heinrich Magnus v roku 1853. Podstatou javu je, že keď sa loptička otáča, vytvára okolo seba vír vzduchu. Na jednej strane objektu sa smer víru zhoduje so smerom prúdenia okolo neho a rýchlosť média na tejto strane sa zvyšuje. Na druhej strane objektu je smer víru opačný ako smer prúdenia a rýchlosť média sa znižuje. Tento rozdiel v rýchlosti vytvára bočnú silu, ktorá mení dráhu letu. Tento fenomén sa často využíva v športe, napríklad špeciálne strely: top spin, suché plachty vo futbale alebo Hop-Up systém v airsofte.

Magnusov efekt je dobre znázornený na tomto videu. Basketbalová lopta hodená zvisle dole z veľkej výšky a daná rotácia zmení svoju dráhu a nejaký čas letí vodorovne.

Magnusov efekt bol preukázaný na priehrade v Austrálii. Najprv z nej basketbalovú loptu jednoducho vyhodili, leteli takmer priamo dole a pristáli v zamýšľanom bode. Potom bola lopta vyhodená z hrádze druhýkrát, pričom ju mierne krútila (mimochodom, futbalisti sa často stretávajú s Magnusovým efektom pri podávaní „krútených“ lôpt). V tomto prípade sa objekt správal nezvyčajne. Video demonštrujúce fyzikálny jav bolo zverejnené na YouTube, ktoré za pár dní nazbieralo viac ako 9 miliónov videní a takmer 1,5 tisíc komentárov.

Ryža. 1 1 — hraničná vrstva

Valec pohybujúci sa translačne (nerotujúci) s relatívnou rýchlosťou V0 je obletovaný laminárnym prúdením, ktoré je nevírové (obr. 1b).

Ak sa valec otáča a súčasne pohybuje v translácii, potom sa dva toky, ktoré ho obklopujú, navzájom prekryjú a vytvoria okolo neho výsledný tok (obr. 1c).

Keď sa valec otáča, kvapalina sa tiež začína pohybovať. Pohyb v hraničnej vrstve je vírový; skladá sa z potenciálneho pohybu, na ktorý sa superponuje rotácia. V hornej časti valca sa smer prúdenia zhoduje so smerom otáčania valca a v spodnej časti je proti nemu. Častice v hraničnej vrstve v hornej časti valca sú urýchľované prúdením, čo zabraňuje oddeleniu hraničnej vrstvy. Zospodu prúdenie spomaľuje pohyb v hraničnej vrstve, čo podporuje jej oddelenie. Oddelené časti hraničnej vrstvy sú prúdením unášané vo forme vírov. Výsledkom je cirkulácia rýchlosti okolo valca v rovnakom smere, v ktorom sa valec otáča. Podľa Bernoulliho zákona bude tlak kvapaliny v hornej časti valca menší ako v spodnej časti. Výsledkom je vertikálna sila nazývaná zdvih. Keď sa obráti smer otáčania valca, zdvíhacia sila tiež zmení smer na opačný.

Pri Magnusovom efekte je sila Fpod kolmá na rýchlosť prúdenia V0. Aby ste našli smer tejto sily, musíte otočiť vektor vzhľadom na rýchlosť V0 o 90° v smere opačnom k ​​otáčaniu valca.

Magnusov efekt možno pozorovať pri experimente s ľahkým valcom, ktorý sa valí po naklonenej rovine.

Schéma valcového valca

Po zrolovaní po naklonenej rovine sa ťažisko valca nepohybuje po parabole, ako by sa pohyboval hmotný bod, ale po krivke, ktorá prechádza pod naklonenou rovinou.

Ak rotujúci valec nahradíme vírom (rotujúcim stĺpcom kvapaliny) s intenzitou J=2Sw, tak Magnusova sila bude rovnaká. Na pohybujúci sa vír z okolitej tekutiny teda pôsobí sila kolmá na relatívnu rýchlosť pohybu VO a smerujúca v smere určenom vyššie uvedeným pravidlom vektorovej rotácie.

V Magnusovom efekte sú vzájomne prepojené: smer a rýchlosť prúdenia, smer a uhlová rýchlosť, smer a výsledná sila. V súlade s tým možno merať a používať silu alebo merať prietok a uhlovú rýchlosť.

Závislosť výsledku od nárazu má nasledujúcu formu (vzorec Žukovského-Kutta):

kde J je intenzita pohybu okolo valca;

r je hustota kvapaliny;

V0 je relatívna rýchlosť prúdenia.

Obmedzenia prejavu fyzikálneho efektu: zabezpečenie laminárneho prúdenia kvapaliny (plynu) cez predmet so zdvíhacou silou smerujúcou nahor.

Tento efekt prvýkrát opísal nemecký fyzik Heinrich Magnus v roku 1853.

Študoval fyziku a chémiu 6 rokov - najprv na univerzite v Berlíne, potom ďalší rok (1828) v Štokholme, v laboratóriu Jonsa Berzeliusa a následne v Paríži u Gay-Lussaca a Tenarda. V roku 1831 bol Magnus pozvaný ako prednášateľ fyziky a techniky na univerzitu v Berlíne, potom bol do roku 1869 profesorom fyziky. V roku 1840 bol Magnus zvolený za člena Berlínskej akadémie a od roku 1854 bol členom korešpondentom Petrohradskej akadémie vied.

Magnus počas svojho života neúnavne pracoval na rôznych otázkach fyziky a chémie. Ešte počas štúdia (1825) publikoval svoju prvú prácu o samovznietení kovových práškov a v roku 1828 objavil po ňom pomenovanú platinovú soľ (PtCl 2NH3). V rokoch 1827-33 sa zaoberal hlavne chémiou, potom prácou v oblasti fyziky. Z nich najznámejšie sú štúdie o absorpcii plynov krvou (1837-45), o expanzii plynov zo zahrievania (1841-44), o elasticite vodnej pary a vodných roztokov (1844-54), o termoelektrine (1851) a elektrolýze (1856), indukcii prúdov (1858-61), tepelnej vodivosti plynov (1860), polarizácii sálavého tepla (1866-68) a otázke termochromaticity plynov (od roku 1861) .

Magnus je nemenej známy ako učiteľ; Z jeho laboratória pochádzala väčšina vynikajúcich moderných nemeckých fyzikov a pracovali v ňom aj niektorí ruskí vedci.