Efect Magnus și turbosail

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-10 22:18

În Australia, fizicienii amatori au demonstrat efectul Magnus în acțiune. Videoclipul experiment, postat pe găzduirea YouTube, a primit peste 9 milioane de vizualizări.

Efectul Magnus este un fenomen fizic care apare atunci când un curent de lichid sau gaz curge în jurul unui corp în rotație. Când un corp rotund zburător se rotește în jurul lui, straturile de aer din apropiere încep să circule. Ca urmare, în zbor, corpul își schimbă direcția de mișcare.

Pentru experiment, fizicienii amatori au ales un baraj de 126,5 metri înălțime și o minge de baschet obișnuită. La început, mingea a fost pur și simplu aruncată în jos, a zburat paralel cu barajul și a aterizat în punctul marcat. A doua oară, mingea a fost aruncată, derulându-se ușor în jurul axei sale. Mingea zburătoare a zburat pe o traiectorie neobișnuită, demonstrând clar efectul Magnus.

Efectul Magnus explică de ce în unele sporturi, precum fotbalul, mingea zboară pe o traiectorie ciudată. Cel mai frapant exemplu de zbor „anormal” a mingii a putut fi văzut după o lovitură liberă a fotbalistului Roberto Carlos în timpul meciului din 3 iunie 1997 dintre echipele naționale ale Braziliei și Franței.

Nava este sub pânze turbo

Celebrul serial documentar „Odiseea subacvatică a echipei Cousteau” a fost filmat de marele oceanograf francez în anii 1960 – 1970. Nava principală a lui Cousteau a fost apoi transformată de la dragatorul de mine britanic „Calypso”. Dar într-unul dintre filmele ulterioare - „Redescoperirea lumii” - a apărut o altă navă, iahtul „Alcyone”.

Privindu-l, mulți telespectatori și-au pus întrebarea: ce sunt aceste conducte ciudate instalate pe iaht?.. Poate că sunt conducte de cazane sau sisteme de propulsie? Imaginați-vă uimirea dacă aflați că acestea sunt VÂLE … turbosail …

Fondul Cousteau a achiziționat iahtul „Alkion” în 1985, iar această navă a fost considerată nu atât ca o navă de cercetare, ci ca o bază pentru studierea eficienței turbosailelor - sistemul original de propulsie a navei. Iar când, 11 ani mai târziu, legendarul „Calypso” s-a scufundat, „Alkiona” i-a luat locul ca navă principală a expediției (apropo, astăzi „Calypso” a fost ridicat și se află într-o stare semi-jefuită în portul Concarneau).

De fapt, turbosailul a fost inventat de Cousteau. La fel și echipament de scuba, o farfurie subacvatică și multe alte dispozitive pentru a explora adâncurile mării și suprafața oceanelor. Ideea s-a născut la începutul anilor 1980 și era de a crea cel mai prietenos cu mediul, dar în același timp convenabil și modern sistem de propulsie pentru o păsări de apă. Utilizarea energiei eoliene părea a fi cel mai promițător domeniu de cercetare. Dar iată ghinionul: omenirea a inventat o velă în urmă cu câteva mii de ani și ce ar putea fi mai simplu și mai logic?

Desigur, Cousteau și compania lui au înțeles că este imposibil să construiești o navă alimentată exclusiv cu vele. Mai precis, poate, dar performanțele sale de condus vor fi foarte mediocre și vor depinde de capriciile vremii și ale direcției vântului. Prin urmare, inițial a fost planificat ca noua „vela” să fie doar o forță auxiliară, aplicabilă pentru a ajuta motoarele diesel convenționale. În același timp, un turbosail ar reduce semnificativ consumul de motorină, iar într-un vânt puternic ar putea deveni singura propulsie a navei. Și aspectul echipei de cercetare s-a îndreptat către trecut - la invenția inginerului german Anton Flettner, celebrul designer de avioane, care a adus o contribuție semnificativă la construcția de nave.

Rotorul lui Flettner și efectul Magnus

La 16 septembrie 1922, Anton Flettner a primit un brevet german pentru așa-numitul vas rotativ. Și în octombrie 1924, nava experimentală rotativă Buckau a părăsit stocurile companiei de construcții navale Friedrich Krupp din Kiel. Adevărat, goeleta nu a fost construită de la zero: înainte de instalarea rotoarelor lui Flettner, era o navă cu vele obișnuită.

Ideea lui Flettner a fost să folosească așa-numitul efect Magnus, a cărui esență este următoarea: atunci când un curent de aer (sau lichid) curge în jurul unui corp în rotație, se generează o forță care este perpendiculară pe direcția fluxului și acționează asupra corpul. Faptul este că un obiect care se rotește creează o mișcare vortex în jurul său. Pe partea obiectului, unde direcția vârtejului coincide cu direcția curgerii lichidului sau gazului, viteza mediului crește, iar pe partea opusă, aceasta scade. Diferența de presiune și creează o forță de forfecare direcționată din partea în care direcția de rotație și direcția de curgere sunt opuse părții în care acestea coincid.

Acest efect a fost descoperit în 1852 de către fizicianul berlinez Heinrich Magnus.

Efectul Magnus

Inginerul și inventatorul aeronautic german Anton Flettner (1885-1961) a intrat în istoria navigației ca un om care încerca să înlocuiască pânzele. A avut șansa să călătorească mult timp pe o navă cu vele, peste oceanele Atlantic și Indian. Multe pânze au fost puse pe catargele navelor cu pânze ale acelei epoci. Echipamentul de navigație era scump, complex și nu foarte eficient din punct de vedere aerodinamic. Pericole constante îi pândeau pe marinarii care, chiar și în timpul unei furtuni, trebuiau să navigheze la 40-50 de metri înălțime.

În timpul călătoriei, tânărul inginer a avut ideea de a înlocui pânzele, care necesită mai mult efort, cu un dispozitiv mai simplu, dar eficient, a cărui propulsie principală ar fi și vântul. Gândind la aceasta, el și-a amintit experimentele aerodinamice conduse de fizicianul său compatriot Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Ei au descoperit că atunci când un cilindru se rotește într-un flux de aer, apare o forță transversală cu o direcție care depinde de sensul de rotație al cilindrului (efectul Magnus).

Unul dintre experimentele sale clasice arăta astfel: „Un cilindru de alamă se poate roti între două puncte; rotația rapidă a cilindrului era dată, ca într-un vârf, printr-un cordon.

Cilindrul rotativ a fost plasat într-un cadru, care, la rândul său, putea fi rotit cu ușurință. Un jet puternic de aer a fost trimis către acest sistem folosind o mică pompă centrifugă. Cilindrul a deviat într-o direcție perpendiculară pe fluxul de aer și pe axa cilindrului, în plus, în direcția din care direcțiile de rotație și jetul erau aceleași "(L. Prandtl" Efectul Magnus și nava vântului ", 1925).

A. Flettner s-a gândit imediat că pânzele ar putea fi înlocuite cu cilindri rotativi instalați pe navă.

Se pare că acolo unde suprafața cilindrului se mișcă împotriva fluxului de aer, viteza vântului scade și presiunea crește. Pe cealaltă parte a cilindrului, opusul este adevărat - viteza fluxului de aer crește, iar presiunea scade. Această diferență de presiune din diferite părți ale cilindrului este forța motrice care face ca vasul să se miște. Acesta este principiul de bază al funcționării echipamentelor rotative, care utilizează forța vântului pentru a deplasa nava. Totul este foarte simplu, dar doar A. Flettner „nu a trecut”, deși efectul Magnus este cunoscut de mai bine de jumătate de secol.

El a început să pună în aplicare planul în 1923 pe un lac de lângă Berlin. De fapt, Flettner a făcut un lucru destul de simplu. El a instalat un cilindru-rotor de hârtie de aproximativ un metru înălțime și 15 cm în diametru pe o barcă de testare lungă de un metru și a adaptat un mecanism de ceas pentru a-l roti. Și barca a plecat.

Căpitanii navelor cu pânze se batjocoreau de cilindrii lui A. Flettner, cu care voia să înlocuiască pânzele. Inventatorul a reușit să intereseze patronii bogați ai artei cu invenția sa. În 1924, în loc de trei catarge, pe goeleta „Buckau” de 54 de metri au fost instalați doi cilindri cu rotor. Acești cilindri erau alimentați de un generator diesel de 45 CP.

Rotoarele Bucăului erau alimentate de motoare electrice. De fapt, nu a existat nicio diferență față de experimentele clasice ale lui Magnus în design. Pe partea în care rotorul se rotește împotriva vântului, a fost creată o zonă de presiune crescută, pe partea opusă, o zonă de joasă presiune. Forța rezultată este cea care a propulsat nava. Mai mult, această forță a fost de aproximativ 50 de ori mai mare decât forța presiunii vântului pe un rotor staționar!

Acest lucru a deschis mari perspective pentru Flettner. Printre altele, aria rotorului și masa sa au fost de câteva ori mai mici decât aria platformei de navigație, ceea ce ar fi dat o forță motrice egală. Rotorul era mult mai ușor de controlat și era destul de ieftin de fabricat. De sus, Flettner a acoperit rotoarele cu plăci-plane - acest lucru a crescut forța de antrenare de aproximativ două ori datorită orientării corecte a fluxurilor de aer față de rotor. Înălțimea și diametrul optime ale rotorului pentru „Bukau” au fost calculate prin suflarea unui model al viitoarei nave într-un tunel de vânt.

Rotorul lui Flettner sa dovedit a fi excelent. Spre deosebire de o navă cu vele obișnuită, o navă rotativă practic nu se temea de vreme rea și vânturile laterale puternice, putea naviga cu ușurință cu viraje alternante la un unghi de 25º față de vântul în fața vântului (pentru o velă normală, limita este de aproximativ 45º). Două rotoare cilindrice (înălțime 13,1 m, diametru 1,5 m) au făcut posibilă echilibrarea perfectă a navei - s-a dovedit a fi mai stabilă decât barca cu pânze pe care Bukau a fost înainte de restructurare.

Testele au fost efectuate pe vreme calmă, și pe furtună și cu suprasolicitare deliberată - și nu au fost identificate deficiențe grave. Cea mai avantajoasă pentru mișcarea vasului era direcția vântului exact perpendiculară pe axa vasului, iar direcția de mișcare (înainte sau înapoi) era determinată de direcția de rotație a rotoarelor.

La mijlocul lunii februarie 1925, goeleta Buckau, echipată cu rotoare lui Flettner în loc de pânze, a părăsit Danzig (acum Gdansk) spre Scoția. Vremea a fost rea și majoritatea velierelor nu au îndrăznit să părăsească porturile. În Marea Nordului, Buckau a trebuit să se ocupe serios de vânturi puternice și valuri mari, dar goeleta s-a înclinat la bord mai puțin decât au întâlnit alte ambarcațiuni cu pânze.

În timpul acestei călătorii, nu a fost necesar să se cheme pe puntea membrilor echipajului pentru a schimba pânzele în funcție de puterea sau direcția vântului. Era suficient un singur navigator al ceasului, care, fără a părăsi timoneria, putea controla activitatea rotoarelor. Anterior, echipajul unei goelete cu trei catarge era format din cel puțin 20 de marinari, după transformarea acesteia într-o navă rotativă, 10 oameni erau de ajuns.

În același an, șantierul naval a pus bazele celei de-a doua nave rotative - puternicul vas de marfă „Barbara”, propulsat de trei rotoare de 17 metri. În același timp, pentru fiecare rotor era suficient un motor mic, cu o capacitate de doar 35 CP. (la viteza maxima de rotatie a fiecarui rotor 160 rpm)! Forța rotorului era echivalentă cu cea a unei elice cu elice cuplate cu un motor diesel convențional de navă cu o capacitate de aproximativ 1000 CP. Pe navă era însă disponibil și un motor diesel: pe lângă rotoare, a pus în mișcare o elice (care rămânea singurul dispozitiv de propulsie în caz de vreme calmă).

Experimentele promițătoare au determinat compania de transport maritim Rob. M. Sloman din Hamburg să construiască nava Barbara în 1926. A fost planificată în avans echiparea turbosailelor - rotoarele lui Flettner. Pe un vas de 90 m lungime și 13 m lățime au fost montate trei rotoare cu o înălțime de aproximativ 17 m.

Barbara transportă cu succes fructe din Italia la Hamburg de ceva timp, așa cum era planificat. Aproximativ 30-40% din timpul călătoriei nava naviga din cauza forței vântului. Cu un vânt de 4-6 puncte, „Barbara” a dezvoltat o viteză de 13 noduri.

Era planificat testarea navei rotative în călătorii mai lungi în Oceanul Atlantic.

Dar la sfârșitul anilor 1920, a lovit Marea Depresiune. În 1929, compania charter a renunțat la închirierea ulterioară a Barbara și a fost vândută. Noul proprietar a scos rotoarele și a remontat nava conform schemei tradiționale. Cu toate acestea, rotorul s-a pierdut din cauza elicelor cu șurub în combinație cu o centrală diesel convențională din cauza dependenței sale de vânt și a anumitor limitări de putere și viteză. Flettner s-a orientat către cercetări mai avansate, iar Baden-Baden s-a scufundat în cele din urmă în timpul unei furtuni în Caraibe în 1931. Și au uitat mult timp de pânze rotative…

Începutul vaselor rotative, s-ar părea, a fost destul de reușit, dar acestea nu au primit dezvoltare și au fost uitate multă vreme. De ce? În primul rând, „părintele” navelor rotative A. Flettner s-a plonjat în crearea de elicoptere și a încetat să fie interesat de transportul maritim. În al doilea rând, în ciuda tuturor avantajelor lor, navele rotative au rămas nave cu pânze cu dezavantajele lor inerente, principalul dintre acestea fiind dependența de vânt.

Rotoarele lui Flettner au fost din nou interesate în anii 80 ai secolului al XX-lea, când oamenii de știință au început să propună diferite măsuri pentru a atenua încălzirea climatică, a reduce poluarea și a folosi mai rațional combustibilul. Unul dintre primii care le-a amintit a fost exploratorul francez Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Pentru a testa funcționarea sistemului turbosail și a reduce consumul de combustibil, catamaranul cu două catarge „Alcyone” (Alcyone este fiica zeului vântului Aeolus) a fost transformat într-un vas rotativ. După ce a pornit într-o călătorie pe mare în 1985, a călătorit în Canada și America, a înconjurat Capul Horn, a ocolit Australia și Indonezia, Madagascar și Africa de Sud. A fost transferat în Marea Caspică, unde a navigat timp de trei luni, făcând diverse cercetări. Alcyone încă folosește două sisteme de propulsie diferite - două motoare diesel și două turbosail.

Turbo sail Cousteau

Barci cu pânze au fost construite pe tot parcursul secolului al XX-lea. La navele moderne de acest tip, armamentul de navigație este pliat cu ajutorul motoarelor electrice, materialele noi fac posibilă ușurarea semnificativă a structurii. Dar o barcă cu pânze este o barcă cu pânze, iar ideea de a utiliza energia eoliană într-un mod radical nou a fost în aer încă de pe vremea lui Flettner. Și a fost ridicată de neobositul aventurier și explorator Jacques-Yves Cousteau.

La 23 decembrie 1986, după ce a fost lansat Alcyone menționat la începutul articolului, Cousteau și colegii săi Lucien Malavar și Bertrand Charier au primit brevetul comun nr. US4630997 pentru „un dispozitiv care creează forță prin utilizarea unui lichid sau gaz în mișcare.. Descrierea generală sună după cum urmează: „Dispozitivul este plasat într-un mediu care se mișcă într-o anumită direcție; în acest caz, apare o forță care acționează într-o direcție perpendiculară pe prima. Dispozitivul evită utilizarea velelor masive, în care forța motrice este proporțională cu suprafața velei.” Care este diferența dintre turbovela lui Cousteau și vela rotativă a lui Flettner?

În secțiune transversală, un turbosail este ceva ca o picătură alungită rotunjită de la capătul ascuțit. Pe părțile laterale ale „picăturii” există grile de admisie a aerului, printr-una dintre care (în funcție de necesitatea deplasării înainte sau înapoi) aerul este aspirat. Pentru cea mai eficientă aspirație a vântului, un mic ventilator acționat de un motor electric este instalat în priza de aer de pe vela turbo.

Mărește în mod artificial viteza de mișcare a aerului din partea sub vânt a pânzei, aspirând curentul de aer în momentul separării acestuia de planul turbovelei. Acest lucru creează un vid pe o parte a turbosailului, prevenind în același timp formarea de vortexuri turbulente. Și apoi acționează efectul Magnus: rarefacție pe o parte, ca rezultat - o forță transversală capabilă să pună nava în mișcare. De fapt, un turbosail este o aripă de avion poziționată vertical, cel puțin principiul creării unei forțe de propulsie este similar cu principiul creării unei suspensii a unei aeronave. Pentru a vă asigura că turbosailul este întotdeauna întors spre vânt în direcția cea mai avantajoasă, este echipat cu senzori speciali și este instalat pe o placă turnantă. Apropo, brevetul lui Cousteau implică faptul că aerul poate fi aspirat din interiorul unui turbo-vela nu numai de un ventilator, ci și, de exemplu, de o pompă de aer - astfel Cousteau a închis poarta pentru „inventatorii” ulterioare.

De fapt, pentru prima dată, Cousteau a testat un prototip de turbosail pe catamaranul Moulin à Vent în 1981. Cea mai mare navigație de succes a catamaranului a fost o călătorie din Tanger (Maroc) la New York sub supravegherea unei nave de expediție mai mare.

Și în aprilie 1985, în portul La Rochelle, a fost lansată Alcyone, prima navă cu drepturi depline echipată cu turbosail. Acum ea este încă în mișcare și astăzi este nava amiral (și, de fapt, singura navă mare) a flotilei Cousteau. Pânzele turbo de pe el nu sunt singurul motor, dar ajută la cuplarea obișnuită a două diesel-uri și

mai multe șuruburi (care, de altfel, reduce consumul de combustibil cu aproximativ o treime). Dacă marele oceanograf ar fi fost în viață, probabil că ar fi construit mai multe nave similare, dar entuziasmul asociaților săi după plecarea lui Cousteau s-a diminuat considerabil.

Cu puțin timp înainte de moartea sa în 1997, Cousteau a lucrat activ la proiectul navei „Calypso II” cu un turbosail, dar nu a reușit să-l ducă la bun sfârșit. Potrivit ultimelor date, în iarna lui 2011, „Alkiona” se afla în portul Caen și aștepta o nouă expediție.

Și din nou Flettner

Astăzi, se fac încercări de a reînvia ideea lui Flettner și de a face pânzele rotative mainstream. De exemplu, celebra companie din Hamburg Blohm + Voss, după criza petrolului din 1973, a început dezvoltarea activă a unei cisterne rotative, dar până în 1986, factorii economici au acoperit acest proiect. Apoi a existat o serie întreagă de modele de amatori.

În 2007, studenții de la Universitatea din Flensburg au construit un catamaran propulsat de o vela rotativă (Uni-cat Flensburg).

În 2010, a apărut a treia navă cu vele rotative - camionul greu E-Ship 1, care a fost construit la comanda Enercon, unul dintre cei mai mari producători de turbine eoliene din lume. Pe 6 iulie 2010, nava a fost lansată pentru prima dată și a făcut o scurtă călătorie de la Emden la Bremerhaven. Și deja în august, a plecat în prima sa călătorie de lucru în Irlanda cu o încărcătură de nouă turbine eoliene. Vasul este echipat cu patru rotoare Flettner și, bineînțeles, un sistem tradițional de propulsie în caz de calm și pentru putere suplimentară. Cu toate acestea, pânzele rotative servesc doar ca elice auxiliare: pentru un camion de 130 de metri, puterea lor nu este suficientă pentru a dezvolta viteza corespunzătoare. Motoarele sunt nouă centrale electrice Mitsubishi, iar rotoarele sunt alimentate de o turbină cu abur Siemens care utilizează energia din gazele de eșapament. Pânzele rotative asigură economii de combustibil de 30 până la 40% la 16 noduri.

Dar turbovela lui Cousteau rămâne încă într-o oarecare uitare: „Alcyone” este astăzi singura navă de dimensiuni mari cu acest tip de propulsie. Experiența constructorilor de nave germani va arăta dacă are sens să se dezvolte în continuare tema pânzelor care funcționează pe efectul Magnus. Principalul lucru este să găsiți un caz de afaceri pentru acest lucru și să dovediți eficacitatea acestuia. Și acolo, vezi tu, toate transporturile maritime mondiale se vor muta la principiul pe care un talentat om de știință german l-a descris acum mai bine de 150 de ani.

Pe 2 august 2010, cel mai mare producător mondial de centrale eoliene Enercon a lansat la șantierul naval Lindenau din Kiel, un vas rotativ de 130 de metri, lățime de 22 m, care a fost numit ulterior „E-Ship 1”. Apoi a fost testat cu succes în Marea Nordului și în Marea Mediterană, iar în prezent transportă generatoare eoliene din Germania, unde sunt produse, în alte țări europene. Acesta dezvoltă o viteză de 17 noduri (32 km / h), transportă simultan mai mult de 9 mii de tone de marfă, echipajul său este de 15 persoane.

Compania de transport maritim Wind Again, cu sediul în Singapore, o tehnologie de reducere a combustibilului și a emisiilor, oferă rotoare Flettner (pliabile) special concepute pentru tancuri și nave de marfă. Acestea vor reduce consumul de combustibil cu 30-40% și vor avea roade în 3-5 ani.

Compania finlandeză de inginerie navală Wartsila plănuiește deja să adapteze turbovelele pe feriboturile de croazieră. Acest lucru se datorează dorinței operatorului de feriboturi finlandez Viking Line de a reduce consumul de combustibil și poluarea mediului.

Utilizarea rotoarelor Flettner pe ambarcațiunile de agrement este studiată de Universitatea din Flensburg (Germania). Creșterea prețului petrolului și încălzirea alarmantă a climei par a fi condiții favorabile pentru revenirea turbinelor eoliene.