Kesan Magnus dan turbosail

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-10 21:59

Di Australia, ahli fizik amatur telah menunjukkan kesan Magnus dalam tindakan. Video percubaan, yang disiarkan di pengehosan YouTube, telah menerima lebih 9 juta tontonan.

Kesan Magnus ialah fenomena fizikal yang berlaku apabila aliran cecair atau gas mengalir di sekeliling badan berputar. Apabila badan bulat terbang berputar di sekelilingnya, lapisan udara berdekatan mula beredar. Akibatnya, dalam penerbangan, badan mengubah arah pergerakannya.

Untuk eksperimen, ahli fizik amatur memilih empangan setinggi 126.5 meter dan bola keranjang biasa. Pada mulanya, bola itu hanya dibaling ke bawah, ia terbang selari dengan empangan dan mendarat di titik yang ditanda. Kali kedua, bola itu dijatuhkan, sedikit menatal di sekitar paksinya. Bola terbang itu terbang mengikut trajektori yang luar biasa, jelas menunjukkan kesan Magnus.

Kesan Magnus menerangkan mengapa dalam sesetengah sukan, seperti bola sepak, bola terbang dalam trajektori yang pelik. Contoh yang paling menarik tentang penerbangan "tidak normal" bola dapat dilihat selepas sepakan percuma oleh pemain bola sepak Roberto Carlos semasa perlawanan 3 Jun 1997 antara pasukan kebangsaan Brazil dan Perancis.

Kapal itu berada di bawah layar turbo

Siri dokumentari terkenal "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" telah dirakam oleh ahli oseanografi Perancis yang hebat pada tahun 1960-an - 1970-an. Kapal utama Cousteau kemudiannya ditukar daripada kapal penyapu ranjau British "Calypso". Tetapi dalam salah satu filem berikutnya - "Penemuan Semula Dunia" - kapal lain muncul, kapal layar "Alcyone".

Melihatnya, ramai penonton bertanya kepada diri mereka sendiri: apakah paip aneh yang dipasang di kapal layar?.. Mungkin ia adalah paip dandang atau sistem pendorong? Bayangkan kehairanan anda jika anda mengetahui bahawa ini adalah SAILS … turbosails …

Dana Cousteau memperoleh kapal layar "Alkion" pada tahun 1985, dan kapal ini tidak dianggap sebagai kapal penyelidikan, tetapi sebagai asas untuk mengkaji kecekapan turbosail - sistem pendorong kapal asal. Dan apabila, 11 tahun kemudian, "Calypso" legenda tenggelam, "Alkiona" mengambil tempatnya sebagai kapal utama ekspedisi (by the way, hari ini "Calypso" telah dinaikkan dan berada dalam keadaan separuh dijarah di pelabuhan Concarneau).

Sebenarnya, turbosail itu dicipta oleh Cousteau. Serta peralatan skuba, piring bawah air dan banyak peranti lain untuk menerokai kedalaman laut dan permukaan lautan. Idea ini dilahirkan pada awal 1980-an dan adalah untuk mencipta sistem pendorong yang paling mesra alam, tetapi pada masa yang sama mudah dan moden untuk unggas air. Penggunaan tenaga angin nampaknya merupakan bidang penyelidikan yang paling menjanjikan. Tetapi inilah nasib malang: manusia mencipta layar beberapa ribu tahun yang lalu, dan apakah yang lebih mudah dan lebih logik?

Sudah tentu, Cousteau dan syarikatnya memahami bahawa adalah mustahil untuk membina kapal yang dikuasakan secara eksklusif oleh layar. Lebih tepat lagi, mungkin, tetapi prestasi pemanduannya akan menjadi sangat biasa-biasa sahaja dan bergantung kepada kepelbagaian cuaca dan arah angin. Oleh itu, pada asalnya dirancang bahawa "layar" baru hanya akan menjadi kuasa tambahan, terpakai untuk membantu enjin diesel konvensional. Pada masa yang sama, turbosail akan mengurangkan penggunaan bahan api diesel dengan ketara, dan dalam angin kencang ia boleh menjadi satu-satunya pendorong kapal. Dan rupa pasukan penyelidik beralih ke masa lalu - kepada ciptaan jurutera Jerman Anton Flettner, pereka pesawat terkenal, yang membuat sumbangan besar kepada pembinaan kapal.

Rotor Flettner dan kesan Magnus

Pada 16 September 1922, Anton Flettner menerima paten Jerman untuk apa yang dipanggil kapal berputar. Dan pada Oktober 1924, kapal putar eksperimen Buckau meninggalkan stok syarikat pembinaan kapal Friedrich Krupp di Kiel. Benar, sekunar itu tidak dibina dari awal: sebelum pemasangan rotor Flettner, ia adalah kapal layar biasa.

Idea Flettner adalah untuk menggunakan apa yang dipanggil kesan Magnus, intipatinya adalah seperti berikut: apabila aliran udara (atau cecair) mengalir di sekeliling badan berputar, daya dihasilkan yang berserenjang dengan arah aliran dan bertindak pada badan. Hakikatnya ialah objek berputar mencipta gerakan pusaran di sekelilingnya. Di sisi objek, di mana arah vorteks bertepatan dengan arah aliran cecair atau gas, halaju medium meningkat, dan pada bahagian yang bertentangan, ia berkurangan. Perbezaan tekanan dan mewujudkan daya ricih diarahkan dari sisi di mana arah putaran dan arah aliran adalah bertentangan dengan sisi di mana ia bertepatan.

Kesan ini ditemui pada tahun 1852 oleh ahli fizik Berlin Heinrich Magnus.

Kesan Magnus

Jurutera dan pencipta aeronautik Jerman Anton Flettner (1885-1961) turun dalam sejarah pelayaran sebagai seorang lelaki yang cuba menggantikan layar. Dia berpeluang mengembara lama dengan kapal layar merentasi lautan Atlantik dan Hindi. Banyak layar dipasang pada tiang kapal layar pada zaman itu. Peralatan pelayaran mahal, kompleks, dan secara aerodinamik tidak begitu cekap. Bahaya berterusan mengintai pelayar yang, walaupun semasa ribut, terpaksa belayar pada ketinggian 40-50 meter.

Semasa pelayaran, jurutera muda itu mempunyai idea untuk menggantikan layar, yang memerlukan lebih banyak usaha, dengan peranti yang lebih mudah tetapi berkesan, pendorong utamanya juga akan menjadi angin. Memikirkan perkara ini, dia teringat eksperimen aerodinamik yang dijalankan oleh ahli fizik rakan senegaranya Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Mereka mendapati bahawa apabila silinder berputar dalam aliran udara, daya melintang timbul dengan arah bergantung kepada arah putaran silinder (kesan Magnus).

Salah satu eksperimen klasiknya kelihatan seperti ini: “Silinder loyang boleh berputar antara dua titik; putaran pantas silinder telah diberikan, seperti di bahagian atas, oleh kord.

Silinder berputar diletakkan di dalam bingkai, yang seterusnya, dengan mudah boleh diputar. Pancutan udara yang kuat telah dihantar ke sistem ini menggunakan pam emparan kecil. Silinder menyimpang ke arah yang berserenjang dengan aliran udara dan ke paksi silinder, lebih-lebih lagi, dalam arah dari mana arah putaran dan jet adalah sama "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner segera berfikir bahawa layar boleh digantikan dengan silinder berputar yang dipasang pada kapal.

Ternyata di mana permukaan silinder bergerak melawan aliran udara, kelajuan angin berkurangan dan tekanan meningkat. Di sisi lain silinder, sebaliknya adalah benar - kelajuan aliran udara meningkat, dan tekanan berkurangan. Perbezaan tekanan dari sisi berbeza silinder ini adalah daya penggerak yang membuat kapal bergerak. Ini adalah prinsip asas pengendalian peralatan berputar, yang menggunakan daya angin untuk menggerakkan kapal. Segala-galanya sangat mudah, tetapi hanya A. Flettner "tidak berlalu", walaupun kesan Magnus telah diketahui selama lebih dari setengah abad.

Dia mula melaksanakan rancangan itu pada tahun 1923 di sebuah tasik berhampiran Berlin. Sebenarnya, Flettner melakukan perkara yang agak mudah. Dia memasang pemutar silinder kertas kira-kira satu meter tinggi dan diameter 15 cm pada bot ujian sepanjang meter, dan menyesuaikan mekanisme jam untuk memutarkannya. Dan bot itu belayar.

Kapten kapal layar mengejek silinder A. Flettner, yang dengannya dia mahu menggantikan layar. Pencipta berjaya menarik minat pelanggan kaya seni dengan ciptaannya. Pada tahun 1924, bukannya tiga tiang, dua silinder pemutar dipasang pada sekunar 54 meter "Buckau". Silinder ini dikuasakan oleh penjana diesel 45 hp.

Rotor Bucau dikuasakan oleh motor elektrik. Sebenarnya, tiada perbezaan daripada eksperimen klasik Magnus dalam reka bentuk. Di sisi di mana pemutar berputar melawan angin, kawasan tekanan meningkat dicipta, di sisi bertentangan, kawasan tekanan rendah. Daya yang terhasil itulah yang mendorong kapal itu. Selain itu, daya ini adalah kira-kira 50 kali lebih besar daripada daya tekanan angin pada pemutar pegun!

Ini membuka prospek yang hebat untuk Flettner. Antara lain, kawasan pemutar dan jisimnya beberapa kali lebih kecil daripada luas pelantar pelayaran, yang akan memberikan daya penggerak yang sama. Rotor adalah lebih mudah untuk dikawal, dan ia agak murah untuk dihasilkan. Dari atas, Flettner menutup rotor dengan satah plat - ini meningkatkan daya penggerak kira-kira dua kali kerana orientasi aliran udara yang betul berbanding rotor. Ketinggian optimum dan diameter pemutar untuk "Bukau" dikira dengan meniup model kapal masa depan dalam terowong angin.

Rotor Flettner terbukti sangat baik. Berbeza dengan kapal layar biasa, kapal berputar boleh dikatakan tidak takut cuaca buruk dan angin sisi yang kuat, ia boleh belayar dengan mudah berselang seli pada sudut 25º ke arah angin (untuk layar biasa, hadnya adalah kira-kira 45º). Dua rotor silinder (ketinggian 13.1 m, diameter 1.5 m) memungkinkan untuk mengimbangi kapal dengan sempurna - ternyata lebih stabil daripada bot layar yang Bukau sebelum penstrukturan semula.

Ujian telah dijalankan dalam cuaca tenang, dan dalam ribut, dan dengan beban berlebihan yang disengajakan - dan tiada kekurangan serius yang dikenal pasti. Yang paling berfaedah untuk pergerakan kapal ialah arah angin betul-betul berserenjang dengan paksi kapal, dan arah pergerakan (ke hadapan atau ke belakang) ditentukan oleh arah putaran pemutar.

Pada pertengahan Februari 1925, sekunar Buckau, dilengkapi dengan rotor Flettner dan bukannya layar, meninggalkan Danzig (kini Gdansk) ke Scotland. Cuaca buruk dan kebanyakan bot layar tidak berani meninggalkan pelabuhan. Di Laut Utara, Buckau terpaksa berhadapan serius dengan angin kencang dan ombak besar, tetapi sekunar itu bertumit di atas kapal kurang daripada bot layar lain yang ditemui.

Semasa pelayaran ini, tidak perlu memanggil anak kapal untuk menukar layar bergantung kepada kekuatan atau arah angin. Seorang navigator jam tangan sudah cukup, yang, tanpa meninggalkan ruang roda, boleh mengawal aktiviti rotor. Sebelum ini, kru kapal sekunar tiga tiang terdiri daripada sekurang-kurangnya 20 kelasi, setelah ditukar menjadi kapal berputar, 10 orang sudah memadai.

Pada tahun yang sama, limbungan itu meletakkan asas untuk kapal berputar kedua - kapal kargo besar "Barbara", yang digerakkan oleh tiga rotor 17 meter. Pada masa yang sama, satu motor kecil dengan kapasiti hanya 35 hp sudah cukup untuk setiap pemutar. (pada kelajuan putaran maksimum setiap rotor 160 rpm)! Tujah pemutar adalah bersamaan dengan kipas yang dipacu kipas digandingkan dengan enjin diesel kapal konvensional dengan kapasiti kira-kira 1000 hp. Walau bagaimanapun, enjin diesel juga tersedia di kapal: sebagai tambahan kepada pemutar, ia menggerakkan kipas (yang kekal sebagai satu-satunya peranti pendorong sekiranya cuaca tenang).

Eksperimen yang menjanjikan mendorong syarikat perkapalan Rob. M. Sloman dari Hamburg untuk membina kapal Barbara pada tahun 1926. Ia telah dirancang terlebih dahulu untuk melengkapkan turbosail - rotor Flettner. Pada kapal 90 m panjang dan 13 m lebar, tiga rotor dengan ketinggian kira-kira 17 m telah dipasang.

Barbara telah berjaya mengangkut buah-buahan dari Itali ke Hamburg untuk beberapa lama, seperti yang dirancang. Kira-kira 30–40% daripada masa pelayaran kapal itu sedang belayar disebabkan oleh kekuatan angin. Dengan angin 4-6 mata "Barbara" mengembangkan kelajuan 13 knot.

Ia telah dirancang untuk menguji kapal berputar pada pelayaran lebih lama di Lautan Atlantik.

Tetapi pada akhir 1920-an, Kemelesetan Besar melanda. Pada tahun 1929 syarikat piagam itu meninggalkan pajakan selanjutnya Barbara dan telah dijual. Pemilik baru mengeluarkan rotor dan memasang semula kapal mengikut skema tradisional. Namun, pemutar hilang kepada kipas skru dalam kombinasi dengan loji kuasa diesel konvensional kerana pergantungannya pada angin dan had tertentu dalam kuasa dan kelajuan. Flettner beralih kepada penyelidikan yang lebih maju, dan Baden-Baden akhirnya tenggelam semasa ribut di Caribbean pada tahun 1931. Dan mereka melupakan layar berputar untuk masa yang lama …

Permulaan kapal berputar, nampaknya, agak berjaya, tetapi mereka tidak menerima pembangunan dan dilupakan untuk masa yang lama. kenapa? Pertama, "bapa" kapal berputar A. Flettner terjun ke dalam penciptaan helikopter dan tidak lagi berminat dalam pengangkutan laut. Kedua, di sebalik semua kelebihannya, kapal berputar kekal sebagai kapal belayar dengan kelemahan yang wujud, yang utama adalah pergantungan pada angin.

Rotor Flettner sekali lagi berminat pada tahun 80-an abad kedua puluh, apabila saintis mula mencadangkan pelbagai langkah untuk mengurangkan pemanasan iklim, mengurangkan pencemaran, dan penggunaan bahan api yang lebih rasional. Salah seorang yang pertama memanggil semula mereka ialah penjelajah Perancis Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Untuk menguji operasi sistem turbosail dan mengurangkan penggunaan bahan api, katamaran dua tiang "Alcyone" (Alcyone ialah anak perempuan dewa angin Aeolus) telah ditukar menjadi kapal berputar. Setelah memulakan pelayaran laut pada tahun 1985, dia mengembara ke Kanada dan Amerika, mengelilingi Cape Horn, memintas Australia dan Indonesia, Madagascar dan Afrika Selatan. Dia dipindahkan ke Laut Kaspia, di mana dia berlayar selama tiga bulan, melakukan pelbagai penyelidikan. Alcyone masih menggunakan dua sistem pendorong yang berbeza - dua enjin diesel dan dua turbosail.

Layar turbo Cousteau

Perahu layar dibina sepanjang abad ke-20. Dalam kapal moden jenis ini, persenjataan belayar dilipat dengan bantuan motor elektrik, bahan baru memungkinkan untuk meringankan struktur dengan ketara. Tetapi perahu layar adalah perahu layar, dan idea untuk menggunakan tenaga angin dengan cara yang sangat baru telah muncul sejak zaman Flettner. Dan dia dijemput oleh pengembara dan penjelajah yang tidak kenal penat lelah Jacques-Yves Cousteau.

Pada 23 Disember 1986, selepas Alcyone yang disebut pada awal artikel itu dilancarkan, Cousteau dan rakan-rakannya Lucien Malavar dan Bertrand Charier menerima paten bersama No. US4630997 untuk "peranti yang mencipta daya melalui penggunaan cecair atau gas yang bergerak.." Penerangan umum berbunyi seperti berikut: “Peranti diletakkan dalam persekitaran yang bergerak ke arah tertentu; dalam kes ini, timbul daya yang bertindak dalam arah yang berserenjang dengan yang pertama. Peranti ini mengelakkan penggunaan layar besar-besaran, di mana daya penggerak adalah berkadar dengan kawasan layar." Apakah perbezaan antara layar turbo Cousteau dan layar berputar Flettner?

Dalam keratan rentas, layar turbo adalah sesuatu seperti titisan memanjang yang dibulatkan dari hujung tajam. Di sisi "jatuh" terdapat gril pengambilan udara, melalui salah satunya (bergantung pada keperluan untuk bergerak ke hadapan atau ke belakang) udara disedut keluar. Untuk sedutan angin yang paling cekap, kipas kecil yang digerakkan oleh motor elektrik dipasang ke dalam salur udara pada layar turbo.

Ia secara buatan meningkatkan kelajuan pergerakan udara dari bahagian bawah layar, menyedut aliran udara pada saat pemisahannya dari satah layar turbo. Ini mewujudkan vakum pada satu sisi turbosail sambil menghalang pembentukan vorteks gelora. Dan kemudian kesan Magnus bertindak: rarefaction pada satu sisi, sebagai hasilnya - daya melintang yang mampu mengatur kapal bergerak. Sebenarnya, turbosail ialah sayap pesawat yang berkedudukan menegak, sekurang-kurangnya prinsip mencipta daya pendorong adalah serupa dengan prinsip mencipta lif pesawat. Untuk memastikan turbosail sentiasa diputar ke arah angin ke arah yang paling menguntungkan, ia dilengkapi dengan sensor khas dan dipasang pada meja putar. By the way, paten Cousteau membayangkan bahawa udara boleh disedut keluar dari bahagian dalam layar turbo bukan sahaja oleh kipas, tetapi juga, sebagai contoh, oleh pam udara - oleh itu Cousteau menutup pintu untuk "pencipta" berikutnya.

Sebenarnya, buat pertama kalinya, Cousteau menguji prototaip turbosail pada katamaran Moulin à Vent pada tahun 1981. Pelayaran catamaran terbesar yang berjaya adalah perjalanan dari Tangier (Maghribi) ke New York di bawah pengawasan kapal ekspedisi yang lebih besar.

Dan pada April 1985, di pelabuhan La Rochelle, Alcyone, kapal penuh pertama yang dilengkapi dengan turbosail, dilancarkan. Sekarang dia masih bergerak dan hari ini adalah kapal utama (dan, sebenarnya, satu-satunya kapal besar) flotilla Cousteau. Layar turbo di atasnya bukan satu-satunya penggerak, tetapi ia membantu gandingan biasa dua diesel dan

beberapa skru (yang, dengan cara itu, mengurangkan penggunaan bahan api kira-kira satu pertiga). Sekiranya ahli oseanografi yang hebat itu masih hidup, dia mungkin akan membina beberapa lagi kapal yang serupa, tetapi keghairahan rakan-rakannya selepas pemergian Cousteau nyata berkurangan.

Tidak lama sebelum kematiannya pada tahun 1997, Cousteau secara aktif mengusahakan projek kapal "Calypso II" dengan turbosail, tetapi tidak berjaya menyelesaikannya. Menurut data terkini, pada musim sejuk 2011, "Alkiona" berada di pelabuhan Caen dan sedang menunggu ekspedisi baharu.

Dan sekali lagi Flettner

Hari ini, percubaan sedang dibuat untuk menghidupkan semula idea Flettner dan menjadikan layar berputar sebagai arus perdana. Sebagai contoh, syarikat Hamburg terkenal Blohm + Voss, selepas krisis minyak 1973, memulakan pembangunan aktif kapal tangki berputar, tetapi menjelang 1986, faktor ekonomi menutup projek ini. Kemudian terdapat satu siri reka bentuk amatur.

Pada tahun 2007, pelajar di Universiti Flensburg membina katamaran yang dikuasakan oleh layar berputar (Uni-cat Flensburg).

Pada tahun 2010, kapal ketiga dengan layar berputar muncul - trak berat E-Ship 1, yang dibina atas perintah Enercon, salah satu pengeluar turbin angin terbesar di dunia. Pada 6 Julai 2010, kapal itu mula-mula dilancarkan dan membuat pelayaran singkat dari Emden ke Bremerhaven. Dan pada bulan Ogos, dia melakukan lawatan kerja pertamanya ke Ireland dengan memuatkan sembilan turbin angin. Kapal itu dilengkapi dengan empat rotor Flettner dan, sudah tentu, sistem pendorong tradisional sekiranya tenang dan untuk kuasa tambahan. Namun, layar berputar hanya berfungsi sebagai kipas tambahan: untuk trak 130 meter, kuasanya tidak mencukupi untuk membangunkan kelajuan yang sepatutnya. Enjinnya ialah sembilan loji kuasa Mitsubishi, dan pemutar dikuasakan oleh turbin stim Siemens yang menggunakan tenaga daripada gas ekzos. Layar berputar menyediakan 30 hingga 40% penjimatan bahan api pada 16 knot.

Tetapi layar turbo Cousteau masih terlupa: "Alcyone" hari ini adalah satu-satunya kapal bersaiz penuh dengan jenis pendorongan ini. Pengalaman pembuat kapal Jerman akan menunjukkan sama ada masuk akal untuk mengembangkan lagi tema layar yang beroperasi pada kesan Magnus. Perkara utama ialah mencari kes perniagaan untuk ini dan membuktikan keberkesanannya. Dan di sana, anda lihat, semua perkapalan dunia akan beralih kepada prinsip yang diterangkan oleh saintis Jerman berbakat lebih daripada 150 tahun yang lalu.

Pada 2 Ogos 2010, pengeluar loji kuasa angin terbesar dunia Enercon melancarkan kapal berputar 130 meter, lebar 22 m, yang kemudiannya dinamakan "E-Ship 1", di limbungan Lindenau di Kiel. Kemudian ia berjaya diuji di Laut Utara dan Mediterranean, dan kini sedang mengangkut penjana angin dari Jerman, di mana ia dihasilkan, ke negara Eropah yang lain. Ia mengembangkan kelajuan 17 knot (32 km / j), pada masa yang sama mengangkut lebih daripada 9 ribu tan kargo, anak kapalnya ialah 15 orang.

Syarikat perkapalan yang berpangkalan di Singapura, Wind Again, teknologi pengurangan bahan api dan pelepasan, menawarkan rotor Flettner (boleh dilipat) yang direka khas untuk kapal tangki dan kapal kargo. Mereka akan mengurangkan penggunaan bahan api sebanyak 30-40% dan akan dibayar dalam 3-5 tahun.

Syarikat kejuruteraan marin Finland Wartsila sudah merancang untuk menyesuaikan turbosails pada feri pelayaran. Ini berikutan hasrat pengendali feri Finland Viking Line untuk mengurangkan penggunaan bahan api dan pencemaran alam sekitar.

Penggunaan rotor Flettner pada kapal keseronokan sedang dikaji oleh Universiti Flensburg (Jerman). Kenaikan harga minyak dan pemanasan iklim yang membimbangkan nampaknya merupakan keadaan yang baik untuk pemulangan turbin angin.