Kaj je magnusov učinek. Uporaba magnusovega učinka in njegovih neverjetnih lastnosti

Smer toka. To je rezultat skupnega delovanja fizikalnih pojavov, kot je Bernoullijev učinek, in tvorba mejne plasti v mediju okoli aerodinamičnega predmeta.

Vrteči se predmet ustvarja vrtinčno gibanje v okolju okoli sebe. Na eni strani predmeta smer vrtinca sovpada s smerjo toka naokoli, zato se hitrost medija s te strani poveča. Na drugi strani predmeta je smer vrtinca nasprotna smeri toka in hitrost medija se zmanjša. Zaradi te razlike v hitrosti nastane razlika v tlaku, ki generira prečno silo s tiste strani vrtečega se telesa, na kateri sta smer vrtenja in smer toka nasprotni, na tisto stran, na kateri ti smeri sovpadata. Ta pojav se pogosto uporablja v športu, glej na primer posebne posnetke: top spin, dry leaf v nogometu ali sistem Hop-Up v airsoftu.

Učinek je prvi opisal nemški fizik Heinrich Magnus leta 1853.

Formula za izračun sile

Idealna tekočina

Tudi če tekočina nima notranjega trenja (viskoznosti), je mogoče izračunati učinek vzgona.

Naj bo krogla v toku idealne tekočine, ki teče po njej. Hitrost toka v neskončnosti (bližje je seveda popačena) $\vec(u)_\infty$ . Za simulacijo rotacije žoge uvedemo kroženje hitrosti $\Gama$ Okoli njega. Na podlagi Bernoullijevega zakona lahko to dobimo polna moč, ki v tem primeru deluje na žogo, je enako:

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

Jasno je, da:

skupna sila je pravokotna na tok, kar pomeni, da je sila upora idealnega toka tekočine na kroglo enaka nič (d'Alembertov paradoks)
sila se glede na razmerje smeri kroženja in hitrosti toka zmanjša na dvižno ali spuščajočo silo.

viskozna tekočina

Naslednja enačba opisuje potrebne količine za izračun dviga, ki nastane z vrtenjem krogle v resnični tekočini.

$(F)=(1\nad 2) ( \rho) (V^2AC_l)$ $F$ - dvižna sila $\rho$ je gostota tekočine. $V$ - hitrost žoge glede na medij $A$ - prečno območje žoge $(C_l)$ - koeficient dviga ( angleščina)

Koeficient vzgona je mogoče določiti iz grafov eksperimentalnih podatkov z uporabo Reynoldsovega števila in koeficienta vrtenja ((kotna hitrost*premer)/(2*hitrost proge)). Za vrtilna razmerja od 0,5 do 4,5 se koeficient vzgona giblje od 0,2 do 0,6.

Aplikacija

Vetrne turbine

Vetrni generator "zračni rotor" je privezana naprava, ki se s helijem dvigne na višino od 120 do 300 metrov)

Turbojadra na ladjah

Od osemdesetih let 20. stoletja je Cousteau Alsion deloval s prefinjenim turbo jadrom z uporabo Magnusovega učinka.

Od leta 2010 obratuje tovorna ladja E-Ship 1 z enostavnejšimi rotacijskimi jadri Anton Flettner

Napišite oceno o članku "Učinek Magnus"

Opombe

Literatura

L. Prandtl"Magnusov učinek in ladja vetra." (revija "Uspehi fizikalne vede» številka 1-2. 1925)
L. Prandtl. O gibanju tekočine z zelo majhnim trenjem. - 1905.

Povezave

// elementy.ru
// technicamolodezhi.ru

Odlomek, ki opisuje Magnusov učinek

"No, končno sem vse uredil, zdaj bom počival," je pomislil princ in pustil Tikhona, da se sam sleče.
Princ se jezno zdrzne zaradi napora, ki ga je bilo treba vložiti, da bi slekel kaftan in hlače, se slekel, se težko pogreznil na posteljo in kot da je bil izgubljen v mislih, prezirljivo gledal svoje rumene, suhe noge. Ni razmišljal, ampak je okleval pred delom, ki ga je čakalo, dvigniti te noge in se premakniti na posteljo. »Oh, kako težko! O, ko bi le čimprej, hitro bi se končala ta dela, pa bi me izpustili! mislil je. Tako se je potrudil že dvajsetič, stisnil ustnice in legel. A komaj se je ulegel, se je kar naenkrat vsa postelja pod njim enakomerno premikala sem ter tja, kot bi močno dihala in pritiskala. To se mu je dogajalo skoraj vsak večer. Odprl je oči, ki so bile zaprte.
"Ni počitka, prekleti!" je zagodrnjal od jeze na nekoga. »Ja, ja, še nekaj je bilo pomembno, nekaj zelo pomembnega, prihranil sem si noč v postelji. Zaporni ventili? Ne, govoril je o tem. Ne, nekaj takega je bilo v dnevni sobi. Princesa Mary je o nečem lagala. Dessal je nekaj - ta norec - rekel. Nekaj v žepu, ne spomnim se.
- Tišina! O čem sta se pogovarjala pri večerji?
- O princu, Mikhail ...
- Utihni, utihni. Princ je udaril z roko po mizi. - Da! Vem, pismo princa Andreja. Princesa Mary je brala. Desal je rekel nekaj o Vitebsku. Zdaj bom bral.
Ukazal je, naj vzamejo pismo iz žepa in mizo z limonado in vituško, voščeno svečo, prestavijo na posteljo in, nadevši si očala, začne brati. Šele tedaj, v tišini noči, v šibki svetlobi izpod zelene kape, je, ko je prebral pismo, prvič za trenutek razumel njegov pomen.
»Francozi so v Vitebsku, po štirih prehodih so lahko pri Smolensku; morda so že tam."
- Tišina! Tihon je poskočil. - Ne, ne, ne, ne! je zavpil.
Pismo je skril pod svečnik in zaprl oči. In zamislil si je Donavo, svetlo popoldne, trsje, ruski tabor in vstopi on, mlad general, brez ene gube na obrazu, vesel, vesel, rdeč, v pobarvan Potemkinov šotor in goreč občutek zavisti do svoje najljubše, prav tako močan kot takrat, ga skrbi. In spominja se vseh tistih besed, ki so bile takrat izrečene na prvem srečanju s Potemkinom. In si predstavlja z rumenostjo v debelem obrazu nizko, debelušno ženo - mater cesarico, njene nasmehe, besede, ko ga je prvič prijazno sprejela, in spomni se njenega obraza na mrliškem vozu in trka z Zubovom, ki je bil takrat s svojo krsto za pravico pristopiti k njeni roki .
"Ah, raje hitro nazaj v tisti čas in tako, da se zdaj vse hitro konča, hitro, da me pustijo pri miru!"

Plešaste gore, posest kneza Nikolaja Andrejeviča Bolkonskega, so bile šestdeset milj od Smolenska, za njim in tri milje od moskovske ceste.
Istega večera, ko je princ ukazal Alpatychu, je Desalle, ki je zahteval srečanje s princeso Mary, povedal, da ker princ ni popolnoma zdrav in ne sprejema nobenih ukrepov za njegovo varnost, in glede na pismo princa Andreju je bilo jasno, da njegovo bivanje v Plešastih gorah ni varno, zato ji spoštljivo svetuje, naj skupaj z Alpatičem napišeta pismo vodji province v Smolensku s prošnjo, naj jo obvesti o stanju in stopnji nevarnosti, ki jo izpostavljeno je Plešasto gorovje. Desalles je guvernerju napisal pismo za princeso Marijo, ki ga je podpisala, in to pismo je bilo predano Alpatychu z ukazom, naj ga predloži guvernerju in se v primeru nevarnosti vrne čim prej.
Ko je prejel vsa naročila, je Alpatych v spremstvu svoje družine v belem puhastem klobuku (knežje darilo) s palico, tako kot princ, odšel ven, da bi sedel v usnjenem vozu, ki ga je položila trojica dobro hranjenih savrov. .
Zvon je bil privezan, zvonovi pa so bili napolnjeni s papirčki. Princ ni dovolil nikomur, da bi jezdil z zvonom po Plešastih gorah. Toda Alpatych je imel rad zvonce in zvonove na dolgem potovanju. Dvorjani Alpaticha, zemstvo, uradnik, kuhar - črni, beli, dve stari ženski, kozaški fant, kočijaži in razna dvorišča so ga pospremili.

Nadaljevanje pogovora o hidravličnih in aerodinamičnih učinkih sledi Posebna pozornost bodite pozorni na učinek, poimenovan po znamenitem nemškem znanstveniku Heinrichu Magnusu, ki je leta 1853 predlagal fizikalno razlago za ukrivljenost poti leta topovska krogla posledica njegovega naključnega vrtenja. Let vrtečega se jedra je v marsičem podoben letu vrteče se žogice v nogometu ali tenisu. Vrtenje žoge med letom ustvarja aerodinamično silo, ki žogo odvrne od ravne poti leta. Sir Newton je pisal o tem osupljivem aerodinamičnem učinku, ko je komentiral izrezane udarce v tenisu.

Običajno težišče topovske krogle ne sovpada z njenim geometrijskim središčem, kar povzroči rahel zasuk izstrelka ob izstrelitvi. Poljubni položaj težišča jedra pred strelom je povzročil enako poljubno odstopanje trajektorije leta jedra. Zavedajoč se te pomanjkljivosti, so strelci topovske krogle pomočili v živo srebro in jih nato označili z zgornjo točko plovnosti. Označena jedra so imenovali kalibracija.

Pri streljanju s kalibrirnimi jedri je bilo ugotovljeno, da je v primeru, ko je jedro postavljeno v pištolo s težiščem pomaknjenim navzdol, nastal "podstrel". Če je bilo jedro položeno s težiščem navzgor, je bil dosežen "let". V skladu s tem, če je bilo težišče izstrelka na desni strani, so med letom izstrelka nastala odstopanja v desno, če je bilo težišče izstrelka levo, je bilo odstopanje opazovano v levo. Pruski strelci so imeli posebna navodila za streljanje kalibriranih topovskih krogel.

V prihodnosti so razmišljali o izdelavi jeder z namenoma premaknjenim težiščem. Takšne lupine so imenovali ekscentrične in od leta 1830 so jih začeli uporabljati v četah Prusije in Saške. S pravilno namestitvijo ekscentričnega jedra v zaklep pištole je bilo mogoče povečati domet strela do enkrat in pol, ne da bi spremenili položaj cevi. Zanimivo je, da znanstveniki s to topniško inovacijo niso imeli nič.

Vendar pa je razsvetljeno 19. stoletje zahtevalo »znanstveno razlago« vsakega nerazumljivega pojava. Tako so se pruski strelci obrnili na enega od priznanih avtoritet nastajajoče aerodinamike - Heinricha Magnusa za razlago krivulje poti leta topovske krogle.

Magnus je predlagal, da zadeva ni v premaknjenem težišču jedra kot takega. Razlog je videl v rotaciji jedra. Da bi preizkusil svojo hipotezo, je Magnus izvedel vrsto laboratorijski poskusi s prisilnim tokom zraka rotirajočega telesa, ki ni bilo krogla, temveč valji in stožci. Aerodinamična sila, ki je nastala na valju, je delovala v isti smeri kot sila, ki odklanja vrteče se jedro.

Tako je bil Magnus prvi fizik v laboratoriju, ki je vizualno modeliral in potrdil neverjeten učinek odklona topovske krogle od neposrednega leta, kar je presenetilo vse. Na žalost Magnus med svojimi aerodinamičnimi poskusi ni opravil nobenih kvantitativnih meritev, ampak je le zabeležil pojav odklonske sile in sovpadanje njene smeri s tistim, ki se je dogajalo v topniški praksi.

Strogo gledano, Magnus ni povsem natančno modeliral pojava letenja vrtinčastega jedra. V njegovih poskusih je vrteči se valj prisilno pihal s stranskim curkom zraka. Medtem ko, kot v pravi topniški praksi, topovska krogla leti v mirnem zraku. V skladu z Bernoullijevim izrekom se zračni tlak v curku zmanjšuje sorazmerno s kvadratom njegove hitrosti. Pri gibanju telesa v mirnem zraku prave hitrosti curka ni, zato ni pričakovati padca zračnega tlaka.

Poleg tega je bila v Magnusovih poskusih sila, ki je delovala na valj, strogo pravokotna na prihajajoči curek. V resnici se z vrtenjem valja ali krogle poveča tudi sila upora, ki pomembno vpliva na trajektorijo izstrelka.

Z drugimi besedami, Magnusova sila ne deluje strogo pravokotno na pot leta, ampak pod nekim kotom, ki ga Magnus ni raziskoval.

V času Magnusa med fiziki še ni bilo pojma o identiteti fizičnih pojavov, ki so del resničnega leta trdnega telesa, in pojavov, ki se pojavijo, ko veter teče po negibnem telesu. Zato so pionirji aerodinamike izvedli svoje prve poskuse, iz katerih so spustili modele visoka nadmorska višina, s čimer simulira učinek pravega leta. Na primer, Eiffel je aktivno uporabljal svoj stolp v aerodinamičnih poskusih.

In šele mnogo let kasneje je nenadoma postalo jasno, da so aerodinamične sile, ki izhajajo iz interakcije trdnega telesa s tokom tekočine ali plina, skoraj enake, tako ko tok teče na mirujoče telo kot takrat, ko se telo premika v mirujočem mediju. In čeprav je ta identiteta nehote postavila pod vprašaj Bernoullijev izrek, ki velja za tok curka z realnim hitrostnim tlakom, nobeden od aerodinamikov ni začel kopati globlje, saj je Bernoullijeva formula omogočila enako uspešno napovedovanje rezultatov toka okoli telo, ne glede na to, kaj se dejansko premika - tok ali trdna snov.

Ludwig Prandtl je v svojem laboratoriju v Göttingenu na začetku 20. stoletja prvi med znanstveniki naredil resno laboratorijsko študijo Magnusove sile z meritvami sil in hitrosti.

V prvi seriji poskusov je bila hitrost vrtenja valja nizka, zato ti poskusi niso prinesli nič novega, le potrdili so kvalitativne zaključke Magnusa. Najbolj zanimivo se je začelo pri poskusih s pihanjem hitro vrtečega valja, ko je bila obodna hitrost površine valja nekajkrat večja od hitrosti prihajajočega zračnega toka.

Tu je bila prvič odkrita nenormalno visoka vrednost odklonske sile, ki deluje na vrteči se valj.

S petkratnim presežkom obodne hitrosti vrtenja nad hitrostjo toka se je izkazalo, da je aerodinamična sila na vrteči se valj glede na kvadratni meter preseka valja desetkrat večja od aerodinamične sile, ki deluje na valj. krilo z dobrim aerodinamičnim profilom.

Z drugimi besedami, potisna sila na rotirajočem rotorju se je izkazala za red velikosti večja od vzgonske sile krila letala!

Neverjetno veliko aerodinamično silo, ki nastane pri obtoku okrog vrtečega se valja, je Prandtl poskušal razložiti na podlagi Bernoullijevega izreka, po katerem tlak v toku tekočine ali plina močno pada s povečanjem hitrosti toka. Vendar pa takšna razlaga ni preveč prepričljiva, saj so številni aerodinamični poskusi jasno dokazali, da je padec tlaka na aerodinamični površini odvisen od relativne hitrosti toka in ne od hitrosti toka.

Z nasprotnim vrtenjem valja glede na tok se relativna hitrost toka poveča, zato mora biti redčenje največje. S prehodnim vrtenjem glede na tok se relativna hitrost toka zmanjša, zato mora biti redčenje minimalno.

V resnici se vse zgodi ravno obratno: v coni povezane rotacije je vakuum največji, v coni nasprotne rotacije pa je vakuum minimalen.

Torej, zaradi česa nastane potisk pri pihanju rotirajočega valja?

Ko je Magnus pregledal vrteči se valj brez bočnega zračnega toka, je opazil, da je blizu površine valja prišlo do padca tlaka: plamen sveče, postavljene poleg valja, je bil pritisnjen na površino valja.

Pod delovanjem vztrajnostnih sil se obstenska plast zraka nagiba k odtrganju od vrtljive površine, kar ustvarja redčenje v območju ločevanja.

To pomeni, da redčenje ni posledica same hitrosti curka, kot pravi Bernoullijev izrek, temveč posledica krivulje krivulje curka.

Pri bočnem pihanju rotorja v območju, kjer prihajajoči tok sovpada v smeri z gibanjem obstenske plasti, pride do dodatnega vrtenja zračnega vrtinca in s tem do povečanja globine redčenja.

Nasprotno, v območju prihajajočega gibanja bočnega toka glede na obstensko plast pride do upočasnitve vrtenja vrtinca in zmanjšanja globine redčenja. Neenakomerna globina redčenja po območjih rotorja vodi do pojava nastale bočne sile (Magnusova sila). Vendar pa je vakuum prisoten na celotni površini rotorja.

Morda je najpomembnejša posledica Prandtlovih poskusov možnost uporabe nenormalno velike sile na vrtečem se rotorju za pogon ladje. Resda ta ideja ni prišla Prandtlu samemu, ampak njegovemu rojaku, inženirju Antonu Flettnerju, o katerem bomo na naslednjih straneh posebej govorili.

Igor Jurijevič Kulikov

Nina Nikolaevna Andreeva vam bo pomagala urediti
patent za vaš izum

Vsi so že videli, kako v nogometu ali tenisu žogica leti po neverjetni poti. Zakaj se to dogaja? Ne spomnim se do šolski kurikulum, kaj bi nam rekli o tem in vedno smo ga imenovali kar "zvit". Toda kakšna sila naredi letečo žogo, da opisuje cikcak?

Zdaj vsi ugotovimo ...

Ta učinek je leta 1853 odkril nemški fizik Heinrich Magnus. Bistvo pojava je v tem, da kroglica med vrtenjem ustvari vrtinčno gibanje zraka okoli sebe. Na eni strani predmeta se smer vrtinca ujema s smerjo toka naokoli, hitrost medija s te strani pa se poveča. Na drugi strani predmeta je smer vrtinca nasprotna smeri toka in hitrost medija se zmanjša. Ta razlika v hitrosti ustvarja bočno silo, ki spremeni pot leta. Pojav se pogosto uporablja v športu, kot so posebni udarci: top spin, suha plošča v nogometu ali sistem Hop-Up v airsoftu.

Magnusov učinek je dobro prikazan v tem videu. Košarkarska žoga, vržena z velike višine navpično navzdol, ki je dobila vrtenje, spremeni svojo pot in nekaj časa leti vodoravno.

Magnusov učinek je bil dokazan na jezu v Avstraliji. Košarka sprva so ga preprosto spustili z njega, poleteli skoraj naravnost navzdol in pristali na predvideni točki. Nato je bila žoga še drugič vržena z jezu, medtem ko jo je rahlo zasukala (mimogrede, nogometaši pogosto naletijo na Magnusov učinek pri serviranju "zvitih" žog). V tem primeru se je objekt obnašal nenavadno. Videoposnetek, ki prikazuje fizični pojav, je bil objavljen na YouTubu, v samo nekaj dneh pa je zbral več kot 9 milijonov ogledov in skoraj 1,5 tisoč komentarjev.

riž. 1 1 — mejna plast

Valj, ki se giblje translatorno (ne vrti se) z relativno hitrostjo V0, teče okoli laminarnega toka, ki je nevrtinčen (slika 1b).

Če se valj vrti in se hkrati premika naprej, se bosta dva toka, ki ga obdajata, prekrivala in ustvarila nastali tok okoli njega (slika 1c).

Ko se valj vrti, se premika tudi tekočina. Gibanje v mejni plasti je vrtinčno; sestavljeno je iz potencialnega gibanja, na katerega je nadgrajena rotacija. Na vrhu valja smer toka sovpada s smerjo vrtenja valja, na dnu pa ji je nasprotna. Delce v mejni plasti na vrhu valja pospešuje tok, kar preprečuje ločitev mejne plasti. Od spodaj tok upočasni gibanje v mejni plasti, kar prispeva k njeni ločitvi. Odtrgane dele mejne plasti tok odnaša v obliki vrtincev. Posledično pride do kroženja hitrosti okoli valja v isti smeri, v kateri se valj vrti. Po Bernoullijevem zakonu tlak tekočine na zgornji del valj bo manjši od dna. To povzroča navpična sila imenovana dvižna sila. Ko se smer vrtenja valja obrne, obrne smer tudi dvižna sila.

Pri Magnusovem učinku je sila F pod pravokotna na hitrost toka V0. Če želite najti smer te sile, morate zavrteti vektor glede na hitrost V0 za 90 ° v smeri, ki je nasprotna vrtenju valja.

Magnusov učinek lahko opazimo v poskusu s svetlobnim valjem, ki se kotali po nagnjeni ravnini.

Shema kotalnega cilindra

Po kotaljenju po nagnjeni ravnini se masno središče valja ne premika po paraboli, kot bi se gibala materialna točka, ampak po krivulji, ki poteka pod nagnjeno ravnino.

Če zamenjamo vrteči se valj z vrtincem (vrtljivim stolpcem tekočine) z intenziteto J=2Sw , potem bo Magnusova sila enaka. Tako je sila, ki deluje na premikajoči se vrtinec s strani okoliške tekočine, pravokotna na relativno hitrost V0 in usmerjena na stran, določeno z zgornjim pravilom vrtenja vektorja.

Pri Magnusovem efektu so med seboj povezani: smer in hitrost toka, smer in kotna hitrost, smer in posledična sila. V skladu s tem je mogoče izmeriti in uporabiti silo ali izmeriti pretok in kotno hitrost.

Odvisnost rezultata od vpliva ima naslednjo obliko (formula Zhukovsky-Kutta):

kjer je J intenzivnost gibanja okoli valja;

r je gostota tekočine;

V0 - relativna hitrost pretoka.

Omejitve manifestacij fizikalnega učinka: zagotavljanje laminarnega toka tekočine (plina) preko predmeta z navzgor usmerjeno dvižno silo.

Učinek je prvi opisal nemški fizik Heinrich Magnus leta 1853.

Fiziko in kemijo je študiral 6 let – najprej na Univerzi v Berlinu, nato še eno leto (1828) v Stockholmu, v laboratoriju Jonsa Berzeliusa, in kasneje v Parizu pri Gay-Lussacu in Tenardu. Leta 1831 je bil Magnus povabljen kot predavatelj fizike in tehnologije na univerzo v Berlinu, nato pa je bil do leta 1869 profesor fizike. Leta 1840 je bil Magnus izvoljen za člana Berlinske akademije, od leta 1854 je bil dopisni član Sanktpeterburške akademije znanosti.

Magnus je vse življenje neutrudno delal na najrazličnejših vprašanjih fizike in kemije. Še kot študent (1825) je objavil svoje prvo delo o samovžigu kovinskih prahov in leta 1828 odkril po njem poimenovano platinovo sol (PtCl 2NH3). V letih 1827-33 se je ukvarjal predvsem s kemijo, nato pa z delom na področju fizike. Med njimi so najbolj znane študije o absorpciji plinov s krvjo (1837-45), o širjenju plinov pri segrevanju (1841-44), o elastičnosti vodne pare in vodnih raztopin (1844-54), o termoelektrika (1851), elektroliza (1856), indukcija tokov (1858-61), toplotna prevodnost plinov (1860), polarizacija sevalne toplote (1866-68) in vprašanje kurilne vrednosti plinov (od 1861).

Nič manj znan ni Magnus kot učitelj; iz njegovega laboratorija je izšla večina izjemnih sodobnih nemških fizikov, v njem pa so delali tudi nekateri ruski znanstveniki.

viri

http://www.effects.ru/science/120/index.htm

http://naked-science.ru/article/video/video-effect-magnusa-v-deistvi

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D1%83%D1%81,_%D0%93%D0%B5%D0%BD %D1%80%D0%B8%D1%85_%D0%93%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2

Spomnimo se še nekaterih zanimivih učinkov v znanosti: na primer , in tukaj ali . Spomnimo se tudi na Izvirni članek je na spletni strani InfoGlaz.rf Povezava do članka, iz katerega je narejena ta kopija -

Turbosail je pogonski sistem ladje rotacijskega tipa, ki ustvarja potisk iz energije vetra s pomočjo fizikalnega pojava, znanega kot Magnusov učinek.

Turbojadro deluje na podlagi fizikalnega procesa, ki se zgodi, ko tekočina ali plin teče okoli rotirajočega valjastega ali okroglega telesa in je znan kot Magnusov učinek. Pojav je dobil ime po imenu pruskega znanstvenika Heinricha Magnusa, ki ga je opisal leta 1853.

Predstavljajte si kroglo ali valj, ki se vrtita v toku plina ali tekočine, ki ju obdaja. V tem primeru se mora cilindrično telo vrteti vzdolž svoje vzdolžne osi. Med tem procesom nastane sila, katere vektor je pravokoten na smer toka. Zakaj se to dogaja? Na strani telesa, kjer smer vrtenja in vektor toka sovpadata, se hitrost zraka ali tekočega medija poveča, tlak pa se v skladu z Bernoullijevim zakonom zmanjša. Na nasprotni strani telesa, kjer sta vektorja vrtenja in toka nasprotno usmerjena, se hitrost medija tako rekoč zmanjša, upočasni, tlak pa se poveča. Razlika v tlaku, ki nastane na nasprotnih straneh rotirajočega telesa, ustvarja prečno silo. V aerodinamiki je znan kot vzgon, ki vzdržuje letala, težja od zraka. Pri rotorskih jadrih je to sila z vektorjem, pravokotnim na smer vetra, na rotorsko jadro, nameščeno navpično na krovu in se vrti vzdolž vzdolžne osi.

Vrtljiva Flettnerjeva jadra

Opisani fizikalni pojav je uporabil nemški inženir Anton Flettner pri ustvarjanju novega tipa ladijskega motorja. Njegovo rotorsko jadro je bilo videti kot vrteči se cilindrični vetrni stolpi. Leta 1922 je izumitelj prejel patent za svojo napravo, leta 1924 pa je zalogo zapustila prva rotacijska ladja v zgodovini, predelana škuna Bukau.
Turbojadra "Bukau" so poganjali elektromotorji. Na strani, kjer se je površina rotorja vrtela proti vetru, je v skladu z Magnusovim učinkom nastalo območje povečanega tlaka, na nasprotni strani pa zmanjšano. Posledično je nastal potisk, ki je premaknil ladjo, odvisno od prisotnosti bočnega vetra. Na vrh rotorskih valjev je Flettner namestil ravne plošče za boljšo orientacijo zračnih tokov okoli cilindra. To je omogočilo podvojitev pogonske sile. Rotacijski votel kovinski valj-rotor, ki uporablja Magnusov učinek za ustvarjanje bočnega potiska, je bil pozneje poimenovan po svojem ustvarjalcu.

Flettnerjevo turbo jadro se je na preizkusih odlično izkazalo. Za razliko od običajne jadrnice je močan bočni veter samo izboljšal zmogljivost poskusnega plovila. Dva cilindrična rotorja sta omogočila boljše uravnoteženje plovila. Hkrati je bilo mogoče s spreminjanjem smeri vrtenja rotorjev spreminjati gibanje plovila naprej ali nazaj. Seveda je bila najugodnejša smer vetra za ustvarjanje potiska strogo pravokotna na vzdolžno os plovila.

Turbosail iz Cousteauja

Jadrnice so bile zgrajene v 20. stoletju, nastajajo pa v 21. Sodobna jadra so izdelana iz lažjih in močnejših umetnih materialov, jadralne naprave pa se hitro zložijo z elektromotorji in človeka razbremenijo fizičnega dela.

Vendar je bila ideja o popolnoma novem sistemu, ki uporablja vetrno energijo za ustvarjanje ladijskega potiska, v zraku. Izbral ga je francoski raziskovalec in izumitelj Jacques-Yves Cousteau. Kot oceanografa je bil zelo navdušen nad uporabo vetra kot vlečne sile – brezplačnega, obnovljivega in okolju popolnoma prijaznega vira energije. V zgodnjih osemdesetih letih se je začel ukvarjati z ustvarjanjem takšnih pogonskih naprav za sodobno ladjo. Za osnovo je vzel turbojadro Flettner, vendar je sistem bistveno posodobil, ga zakompliciral, a hkrati povečal njegovo učinkovitost.

Kakšna je razlika med Cousteaujevim turbojadrom in Flettnerjevimi propelerji? Cousteaujeva zasnova je navpično nameščena votla kovinska cev z aerodinamičnim profilom, ki deluje po enakem principu kot krilo letala. V prerezu ima cev kapljasto ali jajčasto obliko. Na njegovih straneh so rešetke za dovod zraka, skozi katere se črpa zrak s pomočjo sistema črpalk. In takrat pride v poštev Magnusov učinek. Turbulenca zraka ustvarja razliko v tlaku znotraj in zunaj jadra. Na eni strani cevi se ustvari podtlak, na drugi pa tesnjenje. Posledično nastane prečna sila, ki povzroči premikanje ladje. V bistvu je turbojadro navpično nameščeno aerodinamično krilo: zrak teče na eni strani počasneje kot na drugi, kar ustvarja tlačno razliko in prečni potisk. Po podobnem principu se vzgon ustvari na letalu. Turbojadro je opremljeno z avtomatskimi senzorji in je nameščeno na računalniško vodeno vrtljivo ploščo. Pametni stroj postavi rotor glede na veter in nastavi zračni tlak v sistemu.

Cousteau je prvič preizkusil prototip svojega turbojadra leta 1981 na katamaranu Moulin à Vent med plovbo po Atlantskem oceanu. Med plovbo je katamaran zaradi varnosti spremljal večjo ladjo odprave. Eksperimentalno turbo jadro je zagotavljalo potisk, vendar manj kot tradicionalna jadra in motorji. Poleg tega so do konca poti zaradi utrujenosti kovine varilni šivi počili pod pritiskom vetra in konstrukcija je padla v vodo. Kljub temu je bila ideja sama potrjena in Cousteau se je s sodelavci osredotočil na razvoj večjega rotacijskega plovila Alsion. Izstreljen je bil leta 1985. Turbojadra na njem so dodatek k agregaciji dveh dizelskih motorjev in več propelerjev in omogočajo tretjini prihranek pri porabi goriva. Tudi 20 let po smrti svojega ustvarjalca je Alsion še vedno v gibanju in ostaja paradna ladja flotile Cousteau.

Turbosail proti krilom iz tkanine za jadra

Tudi v primerjavi z najboljšimi sodobnimi jadri rotorsko turbo jadro zagotavlja 4-kratno razmerje potiska. Za razliko od jadrnice, močan bočni veter ne samo, da ni grozen za rotacijsko plovilo, ampak je najbolj koristen za njegovo napredovanje. Dobro se premika tudi s čelnim vetrom pod kotom 250. Hkrati pa ladja na tradicionalnih jadrih najbolj "ljubi" zadnji veter.

Sklepi in perspektive

Zdaj so natančni analogi jader Flettner nameščeni kot pomožni propelerji na nemški tovorni ladji "E-Ship-1". In tudi njihov izboljšan model se uporablja na jahti Alsion, ki je v lasti fundacije Jacques-Yves Cousteau.
Tako trenutno obstajata dve vrsti pogonskega sistema Turbosail. Konvencionalno rotacijsko jadro, ki ga je v začetku 20. stoletja izumil Flettner, njegovo posodobljeno različico pa Jacques-Yves Cousteau. V prvem modelu se rezultantna sila ustvari zunaj vrtečih se valjev; v drugi bolj zapleteni različici pa električne črpalke ustvarijo razliko v zračnem tlaku znotraj votle cevi.

Prvo turbo jadro je sposobno poganjati plovilo samo v bočnem vetru. Zaradi tega Flettnerjeva turbojadra niso dobila razširjenosti v svetovnem ladjedelništvu. Značilnost oblikovanja turbosail proizvajalca Cousteau omogoča pridobitev gonilne sile ne glede na smer vetra. Ladja, opremljena s takšnimi propelerji, lahko pluje tudi proti vetru, kar je nesporna prednost pred klasičnimi in rotacijskimi jadri. Toda kljub tem prednostim sistem Cousteau tudi ni bil dan v proizvodnjo.

To ne pomeni, da danes ni poskusov uresničitve Flettnerjeve zamisli. Obstaja vrsta amaterskih projektov. Leta 2010 je bila zgrajena tretja ladja z rotorskimi jadri v zgodovini po Bukau in Alsionu - 130-metrski nemški tovornjak razreda Ro-Lo. Pogonski sistem Plovilo predstavljata dva para vrtljivih rotorjev in dizelska sklopka v primeru mirovanja in za ustvarjanje dodatne vleke. Rotorska jadra igrajo vlogo pomožnih motorjev: za ladjo z izpodrivom 10,5 tisoč ton štirje vetrni stolpi na palubi niso dovolj. Vendar pa te naprave omogočajo prihranek do 40% goriva na vsakem letu.
Toda Cousteaujev sistem je po krivici izpuščen v pozabo, čeprav je bila ekonomska izvedljivost projekta dokazana. Do danes je Alsion edina polnopravna ladja s tovrstnim pogonom. Nejasno je, zakaj se sistem ne uporablja v komercialne namene, zlasti na tovornih ladjah, saj omogoča prihranek do 30% dizelskega goriva, tj. denar.

Ljudje včasih rečejo, da žogica za baseball pravzaprav ni lok, da je le optična prevara. Igralci baseballa in znanstveniki vedo, da to ni res. Vrč glavne lige lahko povzroči, da se žoga odbije vstran, navzdol ali navzgor, ko potuje proti domu. Pot servisa je določena s hitrostjo in smerjo vrtenja žogice, ki jo daje roka serverja. V skladu z zakoni fizike je vsako telo, ki je videti kot bejzbolska žogica, ki se premika v zraku, izpostavljeno več fizična moč, katerega skupni vpliv določa trajektorijo njegovega leta.

Žoga za baseball je šivana z rdečo nitjo, ki med šivanjem tvori 216 vbodov. Pri letenju vrteče se žoge sodelujejo šivi Krožno kroženje sosednjo plast zraka. Zaradi tega se vstopni zrak giblje hitreje tam, kjer njegova smer sovpada s smerjo vrtenja žoge. Hitreje ko se zrak giblje, manj pritiska ustvarja. Zato zračni tlak na strani krogle, ki se vrti v smeri prihajajočega toka, postane manjši kot na nasprotni strani krogle, ki se vrti proti toku. Tako kot se atmosferske zračne mase gibljejo v smeri padajočega tlaka, se žogica za baseball odmika v smeri zasuka, torej v smeri, iz katere se nahaja. stransko površino z nižjim pritiskom. Žogica, ki jo poda prvoligaš, v pol sekunde svojega poleta do "doma" naredi približno 18 obratov in lahko odstopi v stran za skoraj 45 centimetrov.

Rotacija in Magnusov učinek

Ko žoga leti, doživlja zračni upor. Na strani krogle, ki se vrti v smeri toka, je ta upor manjši. To neravnovesje ustvarja silo, usmerjeno pravokotno na smer leta žogice. Ta sila, znana kot Magnusov učinek, je sorazmerna z vrtilno hitrostjo, zračno hitrostjo in uporom.

Žoga "lok".

Server vrže žogo v obliki "loka" in jo zasuče z zapestjem, da se žoga zavrti. Takšna žogica, ki jo servira desničar, se zavrti navzdol in v levo (v nasprotni smeri urinega kazalca, gledano od zgoraj) in posledično odleti v spodnji desni kot »hišice«. Ker se prihajajoči zračni tok giblje hitreje na strani žoge, ki se vrti v smeri zračnega toka, se žogica odkloni v levo in navzdol.

Žoga "vijak".

Žogo "vijak" vržemo z zapestjem, upognjenim proti telesu, in ne stran od njega, kot pri žogi "lok". Ta upogib zapestja daje žogi nasprotno smer vrtenja od "loka" in povzroči, da se žogica odkloni navzgor in v desno. Desnoročna "vijačna" žogica prileti v zgornji desni kot "hišice".

"hitra" žoga

Dobro servirana "hitra" žoga ni navaden direktni servis, ampak ena od vrst posebnega zasuka. Pri servisu "hitre" žoge jo server zasuka tako, da se žogica vrti nazaj, posledično pa pod vplivom Magnusovega učinka žogica odstopi navzgor. »Hitra« žoga, ki leti s hitrostjo 150 kilometrov na uro, lahko odstopi navzgor za skoraj 10 centimetrov.

Vrtenje žoge

Razlika med "hitrimi", "ločnimi" in "vijačnimi" kroglami je v hitrosti in smeri vrtenja krogle. Magnusov učinek povzroči, da se žogica odkloni v smeri vrtenja. Stroj za podajanje kroglic jim daje različni tipi zvijanje s spreminjanjem hitrosti vrtenja obeh ejektorskih koles. Server to naredi tako, da spremeni svoj prijem na žogi.