Magnuse efekt ja turbosail

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-10 20:43

Austraalias on amatöörfüüsikud Magnuse efekti tegevuses demonstreerinud. YouTube'i hostimisse postitatud katsevideot on vaadatud üle 9 miljoni.

Magnuse efekt on füüsikaline nähtus, mis tekib siis, kui vedeliku või gaasi vool liigub ümber pöörleva keha. Kui lendav ümmargune keha selle ümber pöörleb, hakkavad läheduses olevad õhukihid ringlema. Selle tulemusena muudab keha lennu ajal liikumissuunda.

Amatöörfüüsikud valisid katseks 126,5 meetri kõrguse tammi ja tavalise korvpalli. Algul visati pall lihtsalt maha, see lendas tammiga paralleelselt ja maandus märgitud punktis. Teisel korral visati pall maha, kerides kergelt ümber oma telje. Lendav pall lendas mööda ebatavalist trajektoori, demonstreerides selgelt Magnuse efekti.

Magnuse efekt selgitab, miks mõnel spordialal, näiteks jalgpallis, lendab pall kummalist trajektoori mööda. Kõige markantsemat näidet "ebanormaalsest" pallilennust võis näha pärast jalgpallur Roberto Carlose karistuslööki 3. juunil 1997 Brasiilia ja Prantsusmaa rahvuskoondiste mängus.

Laev on turbopurjede all

Kuulsa dokumentaalsarja "The Cousteau meeskonna veealune odüsseia" filmis suur prantsuse okeanograaf 1960.–1970. aastatel. Seejärel ehitati Cousteau põhilaev ümber Briti miinijahtijast Calypso. Kuid ühes järgnevas filmis - "Maailma taasavastus" - ilmus teine laev, jaht "Alcyone".

Seda vaadates tekkis paljudel vaatajatel endal küsimus: mis on need kummalised jahile paigaldatud torud?.. Võib-olla on need katelde või jõusüsteemide torud? Kujutage ette oma hämmastust, kui avastate, et need on PURJED … turbopurjed …

Cousteau fond omandas jahi "Alkion" 1985. aastal ja seda laeva ei peetud mitte niivõrd uurimislaevaks, kuivõrd baasiks turbopurjede – algse laeva jõusüsteemi – efektiivsuse uurimisel. Ja kui 11 aastat hiljem uppus legendaarne "Calypso", asus ekspeditsiooni peamise alusena tema asemele "Alkiona" (muide, tänapäeval tõsteti "Calypso" üles ja see on poolrüüstatud olekus. Concarneau sadam).

Tegelikult leiutas turbopurje Cousteau. Nagu ka akvalangivarustus, veealune taldrik ja palju muid seadmeid mere sügavuste ja ookeanide pinnaga tutvumiseks. Idee sündis 1980. aastate alguses ja oli luua veelinnule kõige keskkonnasõbralikum, kuid samas mugavam ja kaasaegsem jõuseade. Tuuleenergia kasutamine tundus olevat kõige lootustandvam uurimisvaldkond. Kuid siin on halb õnn: inimkond leiutas purje mitu tuhat aastat tagasi ja mis saaks olla lihtsam ja loogilisem?

Muidugi mõistsid Cousteau ja tema ettevõte, et eranditult purjejõul töötavat laeva on võimatu ehitada. Täpsemalt võib-olla, aga selle sõiduomadused jäävad väga kesiseks ning sõltuvad ilma ja tuule suuna kapriisidest. Seetõttu oli algselt kavandatud, et uus "puri" saab olema ainult abijõud, mida saab kasutada tavaliste diiselmootorite abistamiseks. Samas vähendaks turbosil oluliselt diislikütuse kulu ning tugeva tuulega võib sellest saada aluse ainsaks tõukejõuks. Ja uurimisrühma pilk pöördus minevikku - kuulsa lennukikonstruktori, saksa inseneri Anton Flettneri leiutise poole, kes andis olulise panuse laevaehitusse.

Flettneri rootor ja Magnuse efekt

16. septembril 1922 sai Anton Flettner Saksa patendi nn pöörlevale laevale. Ja 1924. aasta oktoobris lahkus Kieli laevaehitusfirma Friedrich Krupp varudest eksperimentaalne pöörlev laev Buckau. Tõsi, kuunarit ei ehitatud nullist: enne Flettneri rootorite paigaldamist oli see tavaline purjelaev.

Flettneri idee oli kasutada nn Magnuse efekti, mille olemus on järgmine: kui õhu (või vedeliku) vool liigub ümber pöörleva keha, tekib jõud, mis on voolu suunaga risti ja mõjub sellele. keha. Fakt on see, et pöörlev objekt tekitab enda ümber keerise. Objekti küljel, kus keerise suund langeb kokku vedeliku või gaasi voolu suunaga, suureneb keskkonna kiirus, vastaspoolel aga väheneb. Rõhu erinevus ja tekitab nihkejõu, mis on suunatud küljelt, kus pöörlemissuund ja voolu suund on vastupidised küljele, kus need langevad kokku.

Selle efekti avastas 1852. aastal Berliini füüsik Heinrich Magnus.

Magnuse efekt

Saksa lennuinsener ja leiutaja Anton Flettner (1885-1961) läks navigatsiooni ajalukku mehena, kes üritas purjesid välja vahetada. Tal oli võimalus purjelaeval pikka aega reisida üle Atlandi ookeani ja India ookeani. Tolle ajastu purjelaevade mastidesse seati palju purjesid. Purjetamisvarustus oli kallis, keeruline ja aerodünaamiliselt vähetõhus. Pidevad ohud varitsesid meremehi, kes isegi tormi ajal pidid purjetama 40-50 meetri kõrgusel.

Reisi ajal tekkis noorel inseneril mõte suuremat pingutust nõudvad purjed asendada lihtsama, kuid tõhusa seadmega, mille peamiseks tõukejõuks oleks samuti tuul. Selle üle mõtiskledes meenutas ta kaasmaalasest füüsiku Heinrich Gustav Magnuse (1802-1870) aerodünaamilisi katseid. Nad leidsid, et kui silinder pöörleb õhuvoolus, tekib ristsuunaline jõud, mille suund sõltub silindri pöörlemissuunast (Magnuse efekt).

Üks tema klassikalistest katsetest nägi välja selline: „Messingsilinder võis pöörlema kahe punkti vahel; silindri kiire pöörlemine anti, nagu ülaosas, nöör.

Pöörlev silinder asetati raami sisse, mida oli omakorda lihtne pöörata. Väikese tsentrifugaalpumba abil saadeti sellesse süsteemi tugev õhujuga. Silinder kaldus välja suunas, mis oli risti õhuvoolu ja silindri teljega, pealegi suunas, kust pöörlemissuunad ja joa olid samad "(L. Prandtl" Magnuse efekt ja tuulelaev ", 1925).

A. Flettner arvas kohe, et purjed võiks asendada laevale paigaldatud pöörlevate silindritega.

Selgub, et seal, kus silindri pind liigub vastu õhuvoolu, tuule kiirus väheneb ja rõhk tõuseb. Teisel pool silindrit on vastupidi - õhuvoolu kiirus suureneb ja rõhk väheneb. See rõhkude erinevus silindri eri külgedel on liikumapanev jõud, mis paneb anuma liikuma. See on pöördseadmete tööpõhimõte, mis kasutab aluse liigutamiseks tuule jõudu. Kõik on väga lihtne, kuid ainult A. Flettner "ei läinud mööda", kuigi Magnuse efekt on tuntud juba üle poole sajandi.

Ta asus plaani ellu viima 1923. aastal Berliini lähedal järvel. Tegelikult tegi Flettner üsna lihtsa asja. Ta paigaldas meetripikkusele katsepaadile umbes meetri kõrguse ja 15 cm läbimõõduga pabersilindri-rootori ning kohandas selle pöörlemiseks kellamehhanismi. Ja paat sõitis minema.

Purjelaevade kaptenid irvitasid A. Flettneri silindrite üle, millega ta tahtis purjesid asendada. Leiutajal õnnestus oma leiutisega huvitada jõukaid kunstimetseene. 1924. aastal paigaldati 54-meetrisele kuunarile "Buckau" kolme masti asemel kaks rootori silindrit. Nende silindrite jõuallikaks oli 45 hj diiselgeneraator.

Bucau rootoreid kasutasid elektrimootorid. Tegelikult ei olnud kujunduses erinevust Magnuse klassikaliste katsetustega. Sellele küljele, kus rootor pöörles vastu tuult, tekkis kõrgendatud rõhuga ala, vastasküljele madalrõhuala. Sellest tulenev jõud on see, mis laeva liikuma pani. Pealegi oli see jõud umbes 50 korda suurem kui tuulesurve jõud statsionaarsele rootorile!

See avas Flettnerile suurepärased väljavaated. Muuhulgas olid rootori pindala ja selle mass mitu korda väiksemad kui purjeplatvormi pindala, mis oleks andnud võrdse liikumapaneva jõu. Rootorit oli palju lihtsam juhtida ja selle tootmine oli üsna odav. Ülevalt kattis Flettner rootorid plaattasapindadega – see suurendas liikumapanevat jõudu umbes kaks korda tänu õhuvoolude õigele orientatsioonile rootori suhtes. "Bukau" rootori optimaalne kõrgus ja läbimõõt arvutati tuuletunnelis tulevase laeva mudeli puhumisega.

Flettneri rootor osutus suurepäraseks. Erinevalt tavalisest purjelaevast ei kartnud pöörlev laev praktiliselt halba ilma ja tugevat külgtuult, see sai kergesti sõita vahelduvate tiibadega vastutuule suhtes 25º nurga all (tavalise purje puhul on piir umbes 45º). Kaks silindrilist rootorit (kõrgus 13,1 m, läbimõõt 1,5 m) võimaldasid laeva ideaalselt tasakaalustada - see osutus stabiilsemaks kui purjekas, millega Bukau enne ümberkorraldamist oli.

Katsed viidi läbi tuulevaikse ilmaga ja tormis ning tahtliku ülekoormusega – tõsiseid puudusi ei tuvastatud. Laeva liikumiseks oli kõige soodsam tuule suund täpselt risti laeva teljega ning liikumissuund (edasi või tagasi) määrati rootorite pöörlemissuuna järgi.

1925. aasta veebruari keskel lahkus kuunar Buckau, mis oli purjede asemel Flettneri rootoritega varustatud, Danzigist (praegu Gdansk) Šotimaale. Ilm oli kehv ja enamus purjekaid ei julgenud sadamatest väljuda. Põhjamerel pidi Buckau tõsiselt tegelema tugeva tuule ja suurte lainetega, kuid kuunar kreenis pardal vähem kui teised purjekad.

Sellel reisil ei olnud vaja meeskonnaliikmete tekile kutsuda, et sõltuvalt tuule tugevusest või suunast purje vahetada. Piisas ühest kella navigaatorist, kes roolikambrist lahkumata suutis rootorite tegevust kontrollida. Varem koosnes kolmemastilise kuunari meeskond vähemalt 20 madrusest, pärast pöörlevaks laevaks muutmist piisas 10 inimesest.

Samal aastal pani laevatehas aluse teisele pöörlevale laevale – võimsale kaubaliinilaevale Barbara, mida liigutasid kolm 17-meetrist rootorit. Samas piisas iga rootori jaoks ühest väikesest mootorist, mille võimsus on vaid 35 hj. (iga rootori maksimaalsel pöörlemiskiirusel 160 p/min)! Rootori tõukejõud oli võrdne propelleriga käitatava propelleri tõukejõuga, mis oli ühendatud tavapärase laeva diiselmootoriga, mille võimsus on umbes 1000 hj. Laeval oli aga saadaval ka diiselmootor: see pani lisaks rootoritele käima sõukruvi (mis jäi tuulevaikse ilma korral ainsaks jõuseadmeks).

Paljutõotavad katsed ajendasid Hamburgi laevafirmat Rob. M. Sloman 1926. aastal ehitama laeva Barbara. Eelnevalt oli kavas varustada turbopurjed - Flettneri rootorid. 90 m pikkusele ja 13 m laiusele laevale paigaldati kolm umbes 17 m kõrgust rootorit.

Barbara on plaanipäraselt juba mõnda aega edukalt puuvilju Itaaliast Hamburgi vedanud. Umbes 30–40% reisiajast sõitis laev tuule jõu tõttu. 4-6 punkti tuulega arendas "Barbara" kiirust 13 sõlme.

Pöördlaeva kavatseti katsetada pikematel reisidel Atlandi ookeanil.

Kuid 1920. aastate lõpus tabas Suur Depressioon. 1929. aastal loobus tšarterfirma Barbara edasisest rendilepingust ja müüdi. Uus omanik eemaldas rootorid ja paigaldas laeva traditsioonilise skeemi järgi. Sellegipoolest kaotas rootor koos tavapärase diiseljõujaamaga kruvipropellerite ees tuulest sõltumise ning teatud võimsuse ja kiiruse piirangute tõttu. Flettner pöördus täiustatud uurimistöö poole ja Baden-Baden uppus lõpuks 1931. aasta tormi ajal Kariibi mere piirkonnas. Ja nad unustasid pöörlevad purjed pikka aega …

Tundub, et pöörlevate laevade algus oli üsna edukas, kuid neid ei arendatud ja need unustati pikka aega. Miks? Esiteks sukeldus pöörlevate laevade "isa" A. Flettner helikopterite loomisesse ja lakkas huvist meretranspordi vastu. Teiseks on pöördlaevad, hoolimata kõigist oma eelistest, jäänud purjelaevadeks koos neile omaste puudustega, millest peamine on sõltuvus tuulest.

Flettneri rootoreid huvitasid taas 20. sajandi 80. aastad, mil teadlased hakkasid pakkuma erinevaid meetmeid kliima soojenemise leevendamiseks, saaste vähendamiseks ja kütuse ratsionaalsemaks kasutamiseks. Üks esimesi, kes neid meenutas, oli prantsuse maadeavastaja Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Turbopurjesüsteemi töö testimiseks ja kütusekulu vähendamiseks muudeti kahemastiline katamaraan "Alcyone" (Alcyone on tuulejumala Aeoluse tütar) pöörlevaks laevaks. Olles asunud 1985. aastal merereisile, reisis ta Kanadasse ja Ameerikasse, tiirutas Horni neemele, möödus Austraaliast ja Indoneesiast, Madagaskarist ja Lõuna-Aafrikast. Ta viidi üle Kaspia merele, kus ta purjetas kolm kuud, tehes erinevaid uuringuid. Alcyone kasutab endiselt kahte erinevat jõusüsteemi – kahte diiselmootorit ja kahte turbopurje.

Turbopuri Cousteau

Purjekaid ehitati kogu 20. sajandi jooksul. Kaasaegsetes seda tüüpi laevades volditakse purjerelvastust elektrimootorite abil, uued materjalid võimaldavad konstruktsiooni oluliselt kergendada. Kuid purjekas on purjekas ja idee kasutada tuuleenergiat radikaalselt uuel viisil on õhus olnud juba Flettneri aegadest. Ja ta võttis üles väsimatu seikleja ja maadeavastaja Jacques-Yves Cousteau.

23. detsembril 1986, pärast artikli alguses mainitud Alcyone käivitamist, said Cousteau ja tema kolleegid Lucien Malavar ja Bertrand Charier ühise patendi nr US4630997 seadmele, mis loob jõudu liikuva vedeliku või gaasi kasutamisega.. Üldkirjeldus kõlab järgmiselt: „Seade on paigutatud teatud suunas liikuvasse keskkonda; sel juhul tekib jõud, mis mõjub esimesega risti olevas suunas. Seade väldib massiivsete purjede kasutamist, mille liikumapanev jõud on proportsionaalne purje pindalaga. Mis vahe on Cousteau turbopurjel ja Flettneri pöörleval purjel?

Ristlõikes on turbosil midagi teravast otsast ümardatud pikliku tilga taolist. "Pilga" külgedel on õhuvõtuvõred, millest ühe kaudu (olenevalt edasi-tagasi liikumise vajadusest) imetakse õhk välja. Kõige tõhusama tuuleimemise tagamiseks on turbopurje õhuvõtuavasse paigaldatud väike elektrimootori jõul töötav ventilaator.

See suurendab kunstlikult õhu liikumise kiirust purje tuulealusest küljest, imedes õhuvoolu sisse selle eraldumise hetkel turbopurje tasapinnast. See tekitab vaakumi turbopurje ühele küljele, vältides samal ajal turbulentsete keeriste teket. Ja siis toimib Magnuse efekt: ühel küljel on harvendamine, selle tulemusena - põikisuunaline jõud, mis suudab laeva liikuma panna. Tegelikult on turbopuri vertikaalselt paigutatud lennukitiib, vähemalt tõukejõu tekitamise põhimõte sarnaneb lennuki tõstejõu loomise põhimõttega. Tagamaks, et turbopuri pööratakse alati kõige soodsamas suunas tuule poole, on see varustatud spetsiaalsete anduritega ja paigaldatud pöördlauale. Muide, Cousteau patent viitab sellele, et turbopurje sisemusest saab õhku välja imeda mitte ainult ventilaatori, vaid ka näiteks õhupumba abil – seega sulges Cousteau värava järgmistele “leiutajatele”.

Tegelikult katsetas Cousteau esimest korda 1981. aastal Moulin à Vent katamaraanil turbopurje prototüüpi. Katamaraani suurim õnnestunud purjetamine oli reis Tangerist (Maroko) New Yorki suurema ekspeditsioonilaeva juhendamisel.

Ja 1985. aasta aprillis lasti La Rochelle'i sadamas vette Alcyone, esimene täisväärtuslik turbopurjedega varustatud laev. Nüüd on ta endiselt liikvel ja täna on Cousteau flotilli lipulaev (ja tegelikult ainus suur laev). Sellel olevad turbopurjed ei ole ainuke liikur, vaid aitavad tavapärast kahe diisli sidumist ja

mitu kruvi (mis, muide, vähendab kütusekulu umbes kolmandiku võrra). Kui suur okeanograaf oleks elus, oleks ta tõenäoliselt ehitanud veel mitu sarnast laeva, kuid tema kaaslaste entusiasm pärast Cousteau lahkumist vähenes märgatavalt.

Vahetult enne oma surma 1997. aastal töötas Cousteau aktiivselt turbopurjega laeva "Calypso II" projekti kallal, kuid ei jõudnud seda lõpuni viia. Viimastel andmetel oli "Alkiona" 2011. aasta talvel Caeni sadamas ja ootas uut ekspeditsiooni.

Ja jälle Flettner

Tänapäeval üritatakse Flettneri ideed taaselustada ja muuta pöörlevad purjed peavooluks. Näiteks kuulus Hamburgi firma Blohm + Voss alustas pärast 1973. aasta naftakriisi aktiivset pöörlevat tankeri arendamist, kuid 1986. aastaks katsid selle projekti majanduslikud tegurid. Siis oli terve rida amatöörkujundusi.

2007. aastal ehitasid Flensburgi ülikooli tudengid katamaraani, mille jõul töötati pöörlev purje (Uni-cat Flensburg).

2010. aastal ilmus kõigi aegade kolmas pöördpurjedega laev - raskeveok E-Ship 1, mis ehitati maailma ühe suurima tuuleturbiinide tootja Enerconi tellimusel. 6. juulil 2010 lasti laev esmakordselt vette ja tegi lühikese reisi Emdenist Bremerhavenisse. Ja juba augustis läks ta oma esimesele tööreisile Iirimaale üheksa tuuliku koormaga. Laev on varustatud nelja Flettneri rootoriga ja loomulikult ka traditsioonilise jõuseadmega rahu puhuks ja lisajõu saamiseks. Pöördpurjed on siiski ainult abipropellerid: 130-meetrise veoki jaoks ei piisa nende võimsusest õige kiiruse arendamiseks. Mootoriteks on üheksa Mitsubishi elektrijaama ning rootorite jõuallikaks on Siemensi auruturbiin, mis kasutab heitgaasidest saadavat energiat. Pöördpurjed võimaldavad 30–40% kütusesäästu kiirusel 16 sõlme.

Kuid Cousteau turbopuri on endiselt unustusehõlmas: "Alcyone" on täna ainus seda tüüpi tõukejõuga täissuuruses laev. Kas Magnuse efektil tegutsevate purjede temaatikat on mõtet edasi arendada, näitab Saksa laevaehitajate kogemus. Peaasi on leida selleks äriline põhjendus ja tõestada selle tõhusust. Ja seal, näete, liigub kogu maailma laevandus põhimõttele, mida üks andekas saksa teadlane kirjeldas rohkem kui 150 aastat tagasi.

2. augustil 2010 lasi maailma suurim tuuleelektrijaamade tootja Enercon Kielis Lindenau laevatehases vette 130-meetrise, 22 m laiuse pöördlaeva, mis sai hiljem nimeks “E-Ship 1”. Seejärel katsetati seda edukalt Põhja- ja Vahemeres ning praegu veab tuulegeneraatoreid Saksamaalt, kus neid toodetakse, teistesse Euroopa riikidesse. See arendab kiirust 17 sõlme (32 km / h), veab samaaegselt üle 9 tuhande tonni lasti, selle meeskond on 15 inimest.

Singapuris asuv laevafirma Wind Again, kütuse- ja heitkoguste vähendamise tehnoloogia, pakub tankeritele ja kaubalaevadele spetsiaalselt disainitud Flettneri rootoreid (kokkupandavad). Need vähendavad kütusekulu 30-40% ja tasuvad end ära 3-5 aastaga.

Soome laevaehitusfirma Wartsila plaanib juba praegu kohandada ristlusparvlaevadele turbopurjeid. Selle põhjuseks on Soome parvlaevaoperaatori Viking Line soov vähendada kütusekulu ja keskkonnareostust.

Flettneri rootorite kasutamist lõbusõidulaevadel uurib Flensburgi ülikool (Saksamaa). Tõusvad naftahinnad ja murettekitav kliima soojenemine näivad olevat soodsad tingimused tuulikute naasmiseks.