Magnusov efekt a turboplachta

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-10 22:22

V Austrálii amatérski fyzici demonštrovali Magnusov efekt v praxi. Experimentálne video uverejnené na hostingu YouTube získalo viac ako 9 miliónov zobrazení.

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

Na experiment si amatérski fyzici vybrali hrádzu vysokú 126,5 metra a obyčajnú basketbalovú loptu. Najprv sa lopta jednoducho zhodila, letela rovnobežne s hrádzou a dopadla na vyznačený bod. Druhýkrát loptička klesla a mierne sa točila okolo svojej osi. Lietajúca guľa letela po nezvyčajnej trajektórii a jasne demonštrovala Magnusov efekt.

Magnusov efekt vysvetľuje, prečo v niektorých športoch, ako je napríklad futbal, lopta letí po zvláštnej dráhe. Najvýraznejší príklad „abnormálneho“letu lopty mohol vidieť po priamom kope futbalistu Roberta Carlosa počas zápasu 3. júna 1997 medzi národnými tímami Brazílie a Francúzska.

Loď je pod turbo plachtami

Slávny dokumentárny seriál „The Cousteau Team's Underwater Odyssey“nakrútil veľký francúzsky oceánograf v 60. – 70. rokoch 20. storočia. Hlavná loď Cousteau bola potom prerobená z britskej minolovky „Calypso“. Ale v jednom z nasledujúcich filmov - "Znovuobjavenie sveta" - sa objavila ďalšia loď, jachta "Alcyone".

Pri pohľade na to si mnohí diváci položili otázku: aké sú tieto podivné potrubia inštalované na jachte?.. Možno sú to potrubia kotlov alebo pohonných systémov? Predstavte si svoj úžas, keď zistíte, že toto sú PLACHTY … turboplachty …

Fond Cousteau získal jachtu „Alkion“v roku 1985 a táto loď nebola považovaná ani tak za výskumnú loď, ale za základňu pre štúdium účinnosti turboplachiet - pôvodného lodného pohonného systému. A keď sa o 11 rokov neskôr potopila legendárna „Calypso“, zaujala ju „Alkiona“ako hlavné plavidlo expedície (mimochodom, dnes bola „Calypso“zdvihnutá a je v polovydrancovanom stave v prístav Concarneau).

V skutočnosti turboplachtu vynašiel Cousteau. Rovnako ako potápačský výstroj, podvodný tanier a mnoho ďalších zariadení na objavovanie morských hlbín a hladiny oceánov. Myšlienka sa zrodila začiatkom 80. rokov minulého storočia a jej cieľom bolo vytvoriť čo najekologickejší, no zároveň pohodlný a moderný pohonný systém pre vodné vtáctvo. Využitie veternej energie sa zdalo byť najsľubnejšou oblasťou výskumu. Ale tu je smola: ľudstvo vynašlo plachtu pred niekoľkými tisíckami rokov a čo môže byť jednoduchšie a logickejšie?

Cousteau a jeho spoločnosť samozrejme 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. Pôvodne sa preto plánovalo, že nová „plachta“bude len pomocnou silou, použiteľnou na pomoc konvenčným naftovým motorom. Turboplachta by zároveň výrazne znížila spotrebu nafty a v silnom vetre by sa mohla stať jediným pohonom plavidla. A pohľad výskumného tímu sa obrátil do minulosti - k vynálezu nemeckého inžiniera Antona Flettnera, slávneho leteckého konštruktéra, ktorý významne prispel k stavbe lodí.

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 zásoby lodiarskej spoločnosti Friedrich Krupp v Kieli. Je pravda, že škuner nebol vyrobený od nuly: pred inštaláciou Flettnerových rotorov to bola obyčajná plachetnica.

Flettnerovou myšlienkou bolo využiť takzvaný Magnusov efekt, ktorého podstata je nasledovná: keď prúd vzduchu (alebo kvapaliny) obteká rotujúce teleso, vzniká sila, ktorá je kolmá na smer prúdenia a pôsobí na telo. 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. Rozdiel v tlaku a vytvára šmykovú silu smerujúcu zo strany, kde je smer otáčania a smer prúdenia protiľahlý k strane, kde sa zhodujú.

Tento efekt objavil v roku 1852 berlínsky fyzik Heinrich Magnus.

Magnusov efekt

Nemecký letecký inžinier a vynálezca Anton Flettner (1885-1961) sa zapísal do dejín navigácie ako človek, ktorý sa pokúšal nahradiť plachty. Mal možnosť cestovať na dlhý čas na plachetnici cez Atlantický a Indický oceán. Na stožiaroch plachetníc tej doby bolo nasadených veľa plachiet. Plachetné vybavenie bolo drahé, zložité a aerodynamicky málo efektívne. Neustále nebezpečenstvo číhalo na námorníkov, ktorí sa aj počas búrky museli plaviť vo výške 40-50 metrov.

Počas plavby mladého inžiniera napadlo vymeniť plachty, ktoré si vyžadujú väčšiu námahu, za jednoduchšie, ale účinné zariadenie, ktorého hlavným pohonom by bol aj vietor. Keď o tom premýšľal, spomenul si na aerodynamické experimenty, ktoré viedol jeho krajanský 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 valca bola spôsobená, ako v hornej časti, šnúrou.

Otočný valec bol umiestnený v ráme, ktorý sa dal ľahko otáčať. Pomocou malého odstredivého čerpadla sa do tohto systému posielal silný prúd vzduchu. Valec sa odchýlil v smere kolmom na prúd vzduchu a na os valca, navyše v smere, z ktorého boli smery otáčania a prúdu rovnaké "(L. Prandtl" Magnusov 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 z rôznych strán valca je hnacou silou, vďaka ktorej sa nádoba pohybuje. Toto je základný princíp fungovania rotačného zariadenia, ktoré využíva silu vetra na pohyb plavidla. Všetko je veľmi jednoduché, no 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 celkom 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 čln odplával.

Kapitáni plachetníc sa posmievali valcom A. Flettnera, ktorými chcel nahradiť plachty. Vynálezca dokázal svojim vynálezom zaujať bohatých mecenášov umenia. V roku 1924 boli na 54-metrovom škuneri „Buckau“nainštalované namiesto troch stožiarov dva rotorové valce. Tieto valce boli poháňané dieselovým generátorom s výkonom 45 k.

Rotory Bucau boli poháňané elektromotormi. V skutočnosti nebol v dizajne žiadny rozdiel od klasických experimentov Magnusa. Na strane, kde sa rotor otáčal proti vetru, sa vytvorila oblasť so zvýšeným tlakom, na opačnej strane oblasť s nízkym tlakom. Výsledná sila je to, čo poháňalo loď. Navyše táto sila bola asi 50-krát väčšia ako sila tlaku vetra na stacionárny rotor!

To otvorilo Flettnerovi veľké vyhliadky. Okrem iného bola plocha rotora a jeho hmotnosť niekoľkonásobne menšia ako plocha plachetnice, čo by poskytlo rovnakú hnaciu silu. Rotor sa oveľa ľahšie ovládal a jeho výroba bola pomerne lacná. Zhora Flettner pokryl rotory doskovými rovinami - to zvýšilo hnaciu silu asi dvakrát kvôli správnej orientácii prúdov vzduchu voči rotoru. Optimálna výška a priemer rotora pre „Bukau“sa vypočítal fúkaním modelu budúcej lode vo veternom tuneli.

Flettnerov rotor sa osvedčil na výbornú. Na rozdiel od bežnej plachetnice sa rotačná loď prakticky nebála zlého počasia a silného bočného vetra, mohla ľahko plávať so striedavým vetrom pod uhlom 25 ° k protivetru (pre normálnu plachtu je limit asi 45 °). Dva valcové rotory (výška 13,1 m, priemer 1,5 m) umožnili dokonale vyvážiť plavidlo - ukázalo sa, že je stabilnejšie ako plachetnica, ktorou bol Bukau pred reštrukturalizáciou.

Testy sa vykonávali v pokojnom počasí, v búrke a so zámerným preťažením - a neboli zistené žiadne vážne nedostatky. Pre pohyb plavidla bol najvýhodnejší smer vetra presne kolmo na os plavidla 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 sa Buckau musela vážne vysporiadať so silným vetrom a veľkými vlnami, ale škuner sa naklonil na palubu menej ako iné plachetnice, s ktorými sa stretli.

Počas tejto plavby nebolo potrebné vyzývať na palubu členov posádky k výmene plachiet v závislosti od sily alebo smeru vetra. Stačil jeden navigátor hodiniek, ktorý bez opustenia kormidlovne mohol ovládať činnosť rotorov. Predtým posádku trojsťažňového škuneru tvorilo minimálne 20 námorníkov, po jeho prestavbe na rotačnú loď stačilo 10 ľudí.

V tom istom roku položili lodenice základ pre druhú rotačnú loď – mohutnú nákladnú loď „Barbara“, poháňanú 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 rotora bol ekvivalentný ťahu vrtule poháňanej vrtuľou spojenou s konvenčným lodným dieselovým motorom s výkonom asi 1000 koní. Na lodi bol však k dispozícii aj dieselový motor: okrem rotorov uvádzal do pohybu vrtuľu (ktorá zostala v prípade bezvetria jediným pohonným zariadením).

Sľubné experimenty prinútili lodnú spoločnosť Rob. M. Sloman z Hamburgu postaviť v roku 1926 loď Barbara. Vopred sa plánovalo vybaviť turboplachty – Flettnerove rotory. Na plavidle s dĺžkou 90 m a šírkou 13 m boli namontované tri rotory s výškou asi 17 m.

Barbara už nejaký čas úspešne prepravuje ovocie z Talianska do Hamburgu, ako plánovala. Približne 30 – 40 % času plavby sa plavidlo plavilo kvôli sile vetra. S vetrom 4-6 bodov "Barbara" vyvinula rýchlosť 13 uzlov.

Rotačné plavidlo sa plánovalo otestovať na dlhších plavbách v Atlantickom oceáne.

Koncom 20. rokov však zasiahla Veľká hospodárska kríza. V roku 1929 sa charterová spoločnosť vzdala ďalšieho prenájmu Barbary a bola predaná. Nový majiteľ odstránil rotory a znovu namontoval loď podľa tradičnej schémy. Napriek tomu rotor prehral so skrutkovými vrtuľami v kombinácii s bežnou dieselovou elektrárňou v dôsledku závislosti od vetra a určitých obmedzení výkonu a rýchlosti. Flettner sa obrátil na pokročilejší výskum a Baden-Baden sa nakoniec potopil počas búrky v Karibiku v roku 1931. A dlho zabudli na rotačné plachty …

Zdá sa, že začiatok rotačných plavidiel bol celkom úspešný, ale nedostali sa vývoja a boli dlho zabudnuté. prečo? Najprv sa „otec“rotačných plavidiel A. Flettner vrhol do tvorby vrtuľníkov a prestal sa zaujímať o námornú dopravu. Po druhé, napriek všetkým svojim výhodám, rotačné plavidlá zostali plachetnicami so svojimi vlastnými nevýhodami, z ktorých hlavnou je závislosť od vetra.

Flettnerove rotory opäť zaujali v 80. rokoch dvadsiateho storočia, keď vedci začali navrhovať rôzne opatrenia na zmiernenie otepľovania klímy, zníženie znečistenia a racionálnejšie využívanie paliva. Jedným z prvých, ktorí si ich pripomenuli, bol francúzsky bádateľ Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Na otestovanie fungovania systému turboplachiet a zníženie spotreby paliva bol dvojsťažňový katamarán „Alcyone“(Alcyone je dcérou boha vetrov Aeola) prerobený na rotačné plavidlo. Po námornej ceste v roku 1985 cestoval do Kanady a Ameriky, oboplával Mys Horn, obišiel Austráliu a Indonéziu, Madagaskar a Južnú Afriku. 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.

Turbo plachta Cousteau

Plachetnice sa stavali počas celého 20. storočia. V moderných lodiach tohto typu sa plachtová výzbroj skladá pomocou elektromotorov, nové materiály umožňujú výrazne odľahčiť konštrukciu. Ale plachetnica je plachetnica a myšlienka využitia veternej energie radikálne novým spôsobom je vo vzduchu už od čias Flettnera. A ujal sa jej neúnavný dobrodruh a prieskumník Jacques-Yves Cousteau.

23. decembra 1986, po spustení Alcyone spomínaného na začiatku článku, Cousteau a jeho kolegovia Lucien Malavar a Bertrand Charier získali spoločný patent č. US4630997 na „zariadenie, ktoré vytvára silu pomocou pohybujúcej sa kvapaliny alebo plynu. Všeobecný popis znie takto: „Zariadenie je umiestnené v prostredí pohybujúcom sa určitým smerom; v tomto prípade vzniká sila, ktorá pôsobí 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 rotačnou plachtou?

V priereze je turboplachta niečo ako podlhovastá kvapka zaoblená od ostrého konca. Po stranách „kvapky“sú mriežky nasávania vzduchu, cez jednu z nich (podľa potreby pohybu dopredu alebo dozadu) je vzduch nasávaný. Pre čo najefektívnejšie nasávanie vetra je do sania vzduchu na turboplachte inštalovaný malý ventilátor poháňaný elektromotorom.

Umelo zvyšuje rýchlosť pohybu vzduchu zo záveternej strany plachty, pričom nasáva prúd vzduchu v momente jeho oddelenia od roviny turboplachty. To vytvára vákuum na jednej strane turboplachty a zároveň zabraňuje tvorbe turbulentných vírov. A potom pôsobí Magnusov efekt: riedenie na jednej strane, ako výsledok - priečna sila schopná uviesť loď do pohybu. Turboplachta je v skutočnosti vertikálne umiestnené krídlo lietadla, aspoň princíp vytvárania hnacej sily je podobný princípu vytvárania vztlaku lietadla. Aby bola turboplachta vždy natočená proti vetru tým najvýhodnejším smerom, je vybavená špeciálnymi snímačmi a je inštalovaná na točni. 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 Moulin à Vent v roku 1981. Najväčšou úspešnou plavbou katamaránu bola cesta z Tangeru (Maroko) do New Yorku pod dohľadom väčšej expedičnej lode.

A v apríli 1985 v prístave La Rochelle spustili na vodu Alcyone, prvú plnohodnotnú loď vybavenú turboplachtami. Teraz je stále v pohybe a dnes je vlajkovou loďou (a vlastne jedinou veľkou loďou) flotily Cousteau. Turbo plachty na ňom nie sú jediným hýbateľom, no pomáhajú bežnému spriahnutiu dvoch dieselov a

niekoľko skrutiek (čo mimochodom znižuje spotrebu paliva asi o tretinu). Keby bol veľký oceánograf nažive, pravdepodobne by postavil niekoľko ďalších podobných lodí, ale nadšenie jeho spolupracovníkov po odchode Cousteaua citeľne opadlo.

Krátko pred svojou smrťou v roku 1997 Cousteau aktívne pracoval na projekte lode „Calypso II“s turboplachetnicou, no nestihol ho dokončiť. Podľa najnovších údajov bola "Alkiona" v zime 2011 v prístave Caen a čakala na novú výpravu.

A opäť Flettner

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

V roku 2007 študenti Flensburgskej univerzity postavili katamarán poháňaný rotačnou plachtou (Uni-cat Flensburg).

V roku 2010 sa objavila vôbec tretia loď s rotačnými plachtami - ťažký nákladný automobil E-Ship 1, ktorý bol vyrobený na objednávku spoločnosti Enercon, jedného z najväčších výrobcov veterných turbín na svete. 6. júla 2010 bola loď prvýkrát spustená a vykonala krátku plavbu z Emdenu do Bremerhavenu. A už v auguste sa s nákladom deviatich veterných turbín vybral na svoju prvú pracovnú cestu do Írska. Plavidlo je vybavené štyrmi Flettnerovými rotormi a samozrejme tradičným pohonným systémom pre prípad pokoja a pre dodatočný výkon. Rotačné plachty však slúžia len ako pomocné vrtule: 130-metrovému nákladnému autu ich výkon nestačí na vyvinutie správnej rýchlosti. Motormi je deväť elektrární Mitsubishi a rotory poháňa parná turbína Siemens, ktorá využíva energiu z výfukových plynov. Rotačné plachty poskytujú 30 až 40% úsporu paliva pri rýchlosti 16 uzlov.

Ale Cousteauova turboplachta stále zostáva v určitom zabudnutí: „Alcyone“je dnes jedinou loďou plnej veľkosti s týmto typom pohonu. Skúsenosti nemeckých lodiarov ukážu, či má zmysel ďalej rozvíjať tému plachiet fungujúcich na Magnusovom efekte. Hlavná vec je nájsť na to obchodný prípad a dokázať jeho účinnosť. A tam, vidíte, celá svetová lodná doprava prejde na princíp, ktorý pred viac ako 150 rokmi opísal talentovaný nemecký vedec.

2. augusta 2010 spustil najväčší svetový výrobca veterných elektrární Enercon v lodenici Lindenau v Kieli 130-metrové rotačné plavidlo so šírkou 22 m, 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 iných európskych krajín. Vyvíja rýchlosť 17 uzlov (32 km / h), súčasne prepravuje viac ako 9 tisíc ton nákladu, jeho posádku tvorí 15 ľudí.

Singapurská lodná spoločnosť Wind Again, technológia znižovania paliva a emisií, ponúka špeciálne navrhnuté Flettnerove rotory (skladacie) pre tankery a nákladné lode. Znížia spotrebu paliva o 30-40% a splatia sa za 3-5 rokov.

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

Využitie Flettnerových rotorov na rekreačných plavidlách skúma Univerzita vo Flensburgu (Nemecko). Rast cien ropy a alarmujúce otepľovanie klímy sa javia ako priaznivé podmienky pre návrat veterných turbín.