Ефект на Магнус и турбоветрило

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-10 20:06

В Австралия физици любители демонстрираха ефекта на Магнус в действие. Експерименталното видео, публикувано на хостинг в YouTube, е получило над 9 милиона гледания.

Ефектът на Магнус е физическо явление, което възниква, когато поток от течност или газ тече около въртящо се тяло. Когато летящо кръгло тяло се върти около него, близките въздушни слоеве започват да циркулират. В резултат на това по време на полет тялото променя посоката си на движение.

За експеримента любители физици избраха язовир с височина 126,5 метра и обикновена баскетболна топка. Първоначално топката беше просто хвърлена надолу, тя полетя успоредно на язовира и кацна в маркираната точка. Вторият път топката беше изпусната, леко превъртайки около оста си. Летящата топка полетя по необичайна траектория, ясно демонстрирайки ефекта на Магнус.

Ефектът на Магнус обяснява защо в някои спортове, като футбола, топката лети по странна траектория. Най-яркият пример за "ненормален" полет на топката може да се види след свободен удар на футболиста Роберто Карлос по време на мача на 3 юни 1997 г. между националните отбори на Бразилия и Франция.

Корабът е под турбо платна

Известният документален сериал „Подводната одисея на екипа на Кусто“е заснет от великия френски океанограф през 60-те – 70-те години на миналия век. Тогава главният кораб на Кусто е преустроен от британския миночистач "Калипсо". Но в един от следващите филми - "Преоткриване на света" - се появява друг кораб, яхтата "Alcyone".

Гледайки го, много зрители си задаваха въпроса: какви са тези странни тръби, инсталирани на яхтата?.. Може би са тръби на котли или задвижващи системи? Представете си изумлението си, ако разберете, че това са ВЕТРНАТА… турбоветрила…

Фондът Кусто придоби яхтата "Алкион" през 1985 г. и този кораб се смяташе не толкова за изследователски кораб, а като база за изследване на ефективността на турбоветрила - оригиналната корабна задвижваща система. И когато 11 години по-късно легендарният "Калипсо" потъва, "Алкиона" заема нейното място като основен кораб на експедицията (между другото, днес "Калипсо" е издигнат и е в полуразграбено състояние в пристанище Конкарно).

Всъщност турбоплатът е изобретен от Кусто. Както и оборудване за гмуркане, подводна чиния и много други устройства за изследване на дълбините на морето и повърхността на океаните. Идеята се ражда в началото на 80-те години и е да се създаде най-екологичната, но в същото време удобна и модерна задвижваща система за водолюбиви птици. Използването на вятърна енергия изглеждаше най-обещаващата област на изследване. Но ето го лошият късмет: човечеството е изобретило платно преди няколко хиляди години и какво може да бъде по-просто и по-логично?

Разбира се, Кусто и неговата компания разбират, че е невъзможно да се построи кораб, задвижван изключително от платна. По-точно, може би, но шофирането му ще бъде много посредствено и зависи от капризите на времето и посоката на вятъра. Затова първоначално беше планирано новото „платно“да бъде само спомагателна сила, приложима в помощ на конвенционалните дизелови двигатели. В същото време турбоветрило би намалило значително разхода на дизелово гориво, а при силен вятър може да стане единственото задвижване на кораба. И погледът на изследователския екип се обърна към миналото – към изобретението на немския инженер Антон Флетнер, известният авиоконструктор, който има значителен принос в корабостроенето.

Роторът на Флетнер и ефектът на Магнус

На 16 септември 1922 г. Антон Флетнер получава немски патент за така наречения ротационен съд. И през октомври 1924 г. експерименталният ротационен кораб Buckau напуска запасите на корабостроителната компания Friedrich Krupp в Кил. Вярно е, че шхуната не е построена от нулата: преди монтирането на роторите на Flettner, тя беше обикновен ветроходен кораб.

Идеята на Flettner беше да използва така наречения ефект на Магнус, чиято същност е следната: когато въздушен (или течен) поток обтича въртящо се тяло, се генерира сила, която е перпендикулярна на посоката на потока и действа върху тялото. Факт е, че въртящ се обект създава вихрово движение около себе си. От страната на обекта, където посоката на вихъра съвпада с посоката на потока на течност или газ, скоростта на средата се увеличава, а от противоположната страна намалява. Разликата в налягането и създава сила на срязване, насочена от страната, където посоката на въртене и посоката на потока са противоположни на страната, където съвпадат.

Този ефект е открит през 1852 г. от берлинския физик Хайнрих Магнус.

Магнус ефект

Германският авиационен инженер и изобретател Антон Флетнер (1885-1961) влезе в историята на корабоплаването като човек, който се опитва да замени платната. Той имаше възможност да пътува дълго време на ветроход през Атлантическия и Индийския океан. Много платна бяха поставени на мачтите на ветроходните кораби от онази епоха. Ветроходното оборудване беше скъпо, сложно и аеродинамично не много ефективно. Постоянни опасности дебнеха моряците, които дори по време на буря трябваше да плават на 40-50 метра височина.

По време на плаването младият инженер има идеята да замени платната, които изискват повече усилия, с по-просто, но ефективно устройство, чиято основна задвижваща сила също ще бъде вятърът. Размишлявайки върху това, той си припомни аеродинамичните експерименти, проведени от неговия сънародник физик Хайнрих Густав Магнус (1802-1870). Те открили, че когато цилиндърът се върти във въздушен поток, възниква напречна сила с посока, зависеща от посоката на въртене на цилиндъра (ефект на Магнус).

Един от неговите класически експерименти изглеждаше така: „Месингов цилиндър може да се върти между две точки; бързото въртене на цилиндъра се придава, както в горната част, от шнур.

Въртящият се цилиндър беше поставен в рамка, която от своя страна можеше лесно да се върти. Силна струя въздух беше изпратена към тази система с помощта на малка центробежна помпа. Цилиндърът се отклонява в посока, перпендикулярна на въздушния поток и на оста на цилиндъра, освен това в посоката, от която посоките на въртене и струята са едни и същи "(Л. Прандтл "Ефектът на Магнус и корабът на вятъра", 1925 г.).

А. Флетнер веднага помисли, че платната могат да бъдат заменени от въртящи се цилиндри, инсталирани на кораба.

Оказва се, че там, където повърхността на цилиндъра се движи срещу въздушния поток, скоростта на вятъра намалява и налягането се увеличава. От другата страна на цилиндъра е обратното - скоростта на въздушния поток се увеличава, а налягането намалява. Тази разлика в налягането от различните страни на цилиндъра е движещата сила, която кара съда да се движи. Това е основният принцип на работа на ротационното оборудване, което използва силата на вятъра за придвижване на плавателния съд. Всичко е много просто, но само А. Флетнър "не мина", въпреки че ефектът на Магнус е известен от повече от половин век.

Той започва да прилага плана през 1923 г. на езеро близо до Берлин. Всъщност Флетнър направи доста просто нещо. Той монтира хартиен цилиндър-ротор на около метър височина и 15 см в диаметър на дълга метър тестова лодка и адаптира часовников механизъм, за да го върти. И лодката отплува.

Капитаните на ветроходни кораби се присмиваха на цилиндрите на А. Флетнер, с които той искаше да замени платната. Изобретателят успява да заинтересува богатите покровители на изкуството със своето изобретение. През 1924 г. вместо три мачти на 54-метровата шхуна "Букау" са монтирани два роторни цилиндъра. Тези цилиндри бяха задвижвани от дизелов генератор с мощност 45 к.с.

Роторите на Bucau бяха задвижвани от електрически двигатели. Всъщност нямаше разлика от класическите експерименти на Магнус в дизайна. От страната, където роторът се въртеше срещу вятъра, беше създадена зона с повишено налягане, от противоположната страна - зона с ниско налягане. Получената сила е тази, която задвижва кораба. Освен това тази сила е била около 50 пъти по-голяма от силата на налягането на вятъра върху неподвижен ротор!

Това отвори големи перспективи за Flettner. Освен всичко друго, площта на ротора и неговата маса бяха няколко пъти по-малки от площта на ветроходното оборудване, което би дало еднаква движеща сила. Роторът беше много по-лесен за управление и беше доста евтин за производство. Отгоре Flettner покри роторите с плоскости - това увеличи движещата сила с около два пъти поради правилната ориентация на въздушните потоци спрямо ротора. Оптималната височина и диаметър на ротора за "Букау" е изчислена чрез издухване на модел на бъдещия кораб в аеродинамичен тунел.

Роторът на Flettner се оказа отличен. За разлика от обикновения ветроходен кораб, ротационен кораб практически не се страхуваше от лошо време и силни странични ветрове, той можеше лесно да плава с редуващи се халки под ъгъл от 25º спрямо насрещния вятър (за нормално платно границата е около 45º). Два цилиндрични ротора (височина 13,1 m, диаметър 1,5 m) направиха възможно перфектното балансиране на плавателния съд - той се оказа по-стабилен от платноходката, която беше Bukau преди преструктурирането.

Тестовете бяха проведени при тихо време и при буря и с умишлено претоварване - и не бяха установени сериозни недостатъци. Най-изгодно за движението на съда беше посоката на вятъра точно перпендикулярна на оста на съда, а посоката на движение (напред или назад) се определяше от посоката на въртене на роторите.

В средата на февруари 1925 г. шхуната Buckau, оборудвана с ротори на Flettner вместо платна, тръгва от Данциг (сега Гданск) за Шотландия. Времето беше лошо и повечето платноходки не посмяха да напуснат пристанищата. В Северно море Buckau трябваше да се справя сериозно със силни ветрове и големи вълни, но шхуната се наклони на борда по-малко от другите платноходки, които срещаха.

По време на това пътуване не беше необходимо да се вика на палубата на членовете на екипажа, за да сменят платната в зависимост от силата или посоката на вятъра. Достатъчен беше един навигатор на часовника, който, без да напуска рулевата рубка, можеше да контролира дейността на роторите. Преди това екипажът на тримачтова шхуна се състоеше от най-малко 20 моряци, след превръщането му в ротационен кораб бяха достатъчни 10 души.

През същата година корабостроителницата полага основите на втория ротационен кораб - могъщият товарен лайнер "Барбара", задвижван от три 17-метрови ротора. В същото време един малък двигател с мощност само 35 к.с. беше достатъчен за всеки ротор. (при максимална скорост на въртене на всеки ротор 160 rpm)! Тягата на ротора беше еквивалентна на тази на витло, задвижвано от витло, съчетано с конвенционален корабен дизелов двигател с мощност около 1000 к.с. На кораба обаче се предлагаше и дизелов двигател: в допълнение към роторите той задвижваше витло (което остава единственото задвижващо устройство в случай на тихо време).

Обещаващи експерименти накараха корабната компания Rob. M. Sloman от Хамбург да построи кораба Barbara през 1926 г. Предварително беше планирано да се оборудват турбоветрила - ротори на Flettner. На плавателен съд с дължина 90 m и ширина 13 m са монтирани три ротора с височина около 17 m.

Барбара успешно транспортира плодове от Италия до Хамбург от известно време, както беше планирано. Приблизително 30–40% от времето за пътуване корабът е плавал поради силата на вятъра. При вятър от 4-6 бала "Барбара" развива скорост от 13 възела.

Беше планирано да се тества ротационният кораб при по-дълги пътувания в Атлантическия океан.

Но в края на 20-те години на миналия век удари Голямата депресия. През 1929 г. чартърната компания се отказва от по-нататъшния лизинг на Барбара и е продадена. Новият собственик свали роторите и преоборудва кораба по традиционната схема. И все пак роторът загуби от винтовите витла в комбинация с конвенционална дизелова електроцентрала поради зависимостта си от вятъра и определени ограничения в мощността и скоростта. Флетнър се обърна към по-напреднали изследвания и Баден-Баден в крайна сметка потъна по време на буря в Карибите през 1931 г. И те забравиха за въртящите се платна за дълго време …

Началото на ротационните съдове, изглежда, беше доста успешно, но те не получиха развитие и бяха забравени за дълго време. Защо? Първо, "бащата" на ротационните кораби А. Флетнер се потопи в създаването на хеликоптери и престана да се интересува от морския транспорт. На второ място, въпреки всичките си предимства, ротационните плавателни съдове са останали ветроходни кораби с присъщите им недостатъци, основният от които е зависимостта от вятъра.

Роторите на Flettner отново се интересуват от 80-те години на ХХ век, когато учените започват да предлагат различни мерки за смекчаване на затоплянето на климата, намаляване на замърсяването и по-рационално използване на горивото. Един от първите, които си спомнят за тях, е френският изследовател Жак-Ив Кусто (1910–1997). За да се изпробва работата на турбоветрилната система и да се намали разходът на гориво, двумачтовият катамаран "Алкионе" (Алкионе е дъщеря на бога на ветровете Еол) беше преустроен в ротационен съд. След като тръгва на морско пътуване през 1985 г., той пътува до Канада и Америка, обикаля нос Хорн, заобикаля Австралия и Индонезия, Мадагаскар и Южна Африка. Той е прехвърлен в Каспийско море, където плава три месеца, правейки различни изследвания. Alcyone все още използва две различни системи за задвижване – два дизелови двигателя и две турбоветрила.

Турбо платно Кусто

Платноходките са строени през целия 20-ти век. В съвременните кораби от този тип ветроходното въоръжение се сгъва с помощта на електрически двигатели, новите материали позволяват значително облекчаване на конструкцията. Но платноходката си е платноходка и идеята за използване на вятърната енергия по коренно нов начин витае във въздуха от дните на Flettner. И тя е взета от неуморния авантюрист и изследовател Жак-Ив Кусто.

На 23 декември 1986 г., след като Alcyone, споменат в началото на статията, беше пуснат, Кусто и неговите колеги Люсиен Малавар и Бертран Шарие получиха общ патент № US4630997 за „устройство, което създава сила чрез използване на движеща се течност или газ " Общото описание гласи следното: „Уредът е поставен в среда, движеща се в определена посока; в този случай възниква сила, която действа в посока, перпендикулярна на първата. Устройството избягва използването на масивни платна, при които движещата сила е пропорционална на площта на платното." Каква е разликата между турбоплатното на Кусто и ротационното платно на Флетнер?

В напречно сечение турбоветрило е нещо като удължена капка, заоблена от острия край. Отстрани на "капката" има решетки за всмукване на въздух, през една от които (в зависимост от необходимостта от движение напред или назад) се изсмуква въздух. За най-ефективно засмукване на вятъра, малък вентилатор, задвижван от електродвигател, е монтиран във въздухозаборника на турбо платното.

Той изкуствено увеличава скоростта на движение на въздуха от подветрената страна на платното, всмуквайки въздушния поток в момента на отделянето му от равнината на турбо-платното. Това създава вакуум от едната страна на турбоветрилото, като същевременно предотвратява образуването на турбулентни вихри. И тогава действа ефектът на Магнус: разреждане от едната страна, като резултат - напречна сила, способна да приведе кораба в движение. Всъщност турбоветрило е вертикално разположено крило на самолета, поне принципът на създаване на задвижваща сила е подобен на принципа на създаване на подемна сила на самолет. За да се гарантира, че турбоплатът винаги е обърнат към вятъра в най-изгодната посока, той е оборудван със специални сензори и е монтиран на въртящ се плот. Между другото, патентът на Кусто предполага, че въздухът може да бъде изсмукан от вътрешността на турбо платно не само от вентилатор, но и например от въздушна помпа - по този начин Кусто затвори портата за следващите „изобретатели“.

Всъщност за първи път Кусто тества прототип на турбоветрило на катамарана Moulin à Vent през 1981 г. Най-голямото успешно плаване на катамарана беше пътуването от Танжер (Мароко) до Ню Йорк под наблюдението на по-голям експедиционен кораб.

А през април 1985 г. в пристанището на Ла Рошел беше пуснат на вода Alcyone, първият пълноценен кораб, оборудван с турбоветрила. Сега тя все още е в движение и днес е флагманът (и всъщност единственият голям кораб) на флотилията на Кусто. Турбо платната на него не са единственият двигател, но спомагат за обичайното скачване на два дизела и

няколко винта (което, между другото, намалява разхода на гориво с около една трета). Ако великият океанограф беше жив, той вероятно щеше да построи още няколко подобни кораба, но ентусиазмът на неговите сътрудници след заминаването на Кусто забележимо намаля.

Малко преди смъртта си през 1997 г. Кусто работи активно по проекта на кораба "Калипсо II" с турбоветрило, но не успява да го завърши. По последни данни през зимата на 2011 г. "Алкиона" е била в пристанището на Каен и е в очакване на нова експедиция.

И отново Флетнър

Днес се правят опити за възраждане на идеята на Flettner и превръщането на въртящите се платна в мейнстрийм. Например известната хамбургска компания Blohm + Voss след петролната криза от 1973 г. започва активно разработване на ротационен танкер, но до 1986 г. икономическите фактори прикриват този проект. Тогава имаше цяла поредица от любителски дизайни.

През 2007 г. студенти от университета във Фленсбург построиха катамаран, задвижван от въртящо се платно (Uni-cat Flensburg).

През 2010 г. се появи третият по рода си кораб с ротационни платна - тежкотоварният камион E-Ship 1, който е построен по поръчка на Enercon, един от най-големите производители на вятърни турбини в света. На 6 юли 2010 г. корабът е пуснат на вода и прави кратко пътуване от Емден до Бремерхафен. И още през август той замина за първото си работно пътуване до Ирландия с товар от девет вятърни турбини. Корабът е оборудван с четири ротора Flettner и, разбира се, традиционна задвижваща система в случай на спокойствие и за допълнителна мощност. И все пак въртящите се платна служат само като спомагателни витла: за 130-метров камион мощността им не е достатъчна, за да развие правилната скорост. Двигателите са девет електроцентрали на Mitsubishi, а роторите се задвижват от парна турбина на Siemens, която използва енергия от отработени газове. Ротационните платна осигуряват от 30 до 40% икономия на гориво при 16 възела.

Но турбоветрило на Кусто все още остава в известна забвение: "Alcyone" днес е единственият пълноразмерен кораб с такъв тип задвижване. Опитът на германските корабостроители ще покаже дали има смисъл да се доразвие темата за платната, работещи на ефекта на Магнус. Основното нещо е да се намери бизнес обосновка за това и да се докаже неговата ефективност. И там, видите ли, цялото световно корабоплаване ще премине към принципа, описан от един талантлив немски учен преди повече от 150 години.

На 2 август 2010 г. най-големият производител на вятърни електроцентрали в света Enercon пусна на вода 130-метров ротационен кораб, широк 22 m, който по-късно беше наречен „E-Ship 1“, в корабостроителницата Lindenau в Кил. След това беше успешно тестван в Северно и Средиземно море, а в момента транспортира вятърни генератори от Германия, където се произвеждат, до други европейски страни. Развива скорост от 17 възела (32 км/ч), превозва едновременно повече от 9 хиляди тона товари, екипажът му е 15 души.

Базираната в Сингапур корабна компания Wind Again, технология за намаляване на горивото и емисиите, предлага специално проектирани ротори Flettner (сгъваеми) за танкери и товарни кораби. Те ще намалят разхода на гориво с 30-40% и ще се изплатят за 3-5 години.

Финландската компания за морско инженерство Wartsila вече планира да адаптира турбоветрила на круизни фериботи. Това се дължи на желанието на финландския фериботен оператор Viking Line да намали разхода на гориво и замърсяването на околната среда.

Използването на ротори Flettner в развлекателни плавателни съдове се изучава от университета във Фленсбург (Германия). Повишаването на цените на петрола и тревожното затопляне на климата изглежда са благоприятни условия за връщането на вятърните турбини.