Magnus effekt og turboseil

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2024-01-10 22:06

I Australia har amatørfysikere demonstrert Magnus-effekten i aksjon. Eksperimentvideoen, lagt ut på YouTube-hosting, har fått over 9 millioner visninger.

Magnus-effekten er et fysisk fenomen som oppstår når en strøm av væske eller gass strømmer rundt et roterende legeme. Når en flygende rund kropp roterer rundt den, begynner nærliggende luftlag å sirkulere. Som et resultat, under flukt, endrer kroppen sin bevegelsesretning.

For eksperimentet valgte amatørfysikere en demning på 126,5 meter og en vanlig basketball. Først ble ballen rett og slett kastet ned, den fløy parallelt med demningen og landet på det merkede punktet. Den andre gangen ble ballen droppet og rullet litt rundt aksen. Den flygende ballen fløy langs en uvanlig bane, og demonstrerte tydelig Magnus-effekten.

Magnus-effekten forklarer hvorfor ballen i noen idretter, for eksempel fotball, flyr i en merkelig bane. Det mest slående eksemplet på den "unormale" ballflukten kunne sees etter et frispark av fotballspiller Roberto Carlos under kampen 3. juni 1997 mellom landslagene i Brasil og Frankrike.

Skipet er under turboseil

Den berømte dokumentarserien "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" ble skutt av den store franske oseanografen på 1960-70-tallet. Hovedskipet til Cousteau ble deretter omgjort fra den britiske minesveiperen "Calypso". Men i en av de påfølgende filmene - "Rediscovery of the World" - dukket et annet skip opp, yachten "Alcyone".

Når de så på det, stilte mange seere seg selv spørsmålet: hva er disse merkelige rørene installert på yachten?.. Kanskje de er rør fra kjeler eller fremdriftssystemer? Tenk deg forbauselse hvis du finner ut at dette er SEIL … turboseil …

Cousteau-fondet kjøpte yachten "Alkion" i 1985, og dette skipet ble ikke så mye ansett som et forskningsskip, men som en base for å studere effektiviteten til turboseil - det originale skipsfremdriftssystemet. Og da, 11 år senere, den legendariske "Calypso" sank, tok "Alkiona" hennes plass som hovedfartøyet til ekspedisjonen (forresten, i dag ble "Calypso" hevet og er i en semi-plyndret tilstand i havnen i Concarneau).

Egentlig ble turboseilet oppfunnet av Cousteau. I tillegg til dykkeutstyr, en undervannsskål og mange andre enheter for å utforske havdypet og havoverflaten. Ideen ble født tidlig på 1980-tallet og var å lage det mest miljøvennlige, men samtidig praktiske og moderne fremdriftssystemet for en vannfugl. Bruken av vindkraft så ut til å være det mest lovende forskningsområdet. Men her er uflaksen: menneskeheten oppfant et seil for flere tusen år siden, og hva kan være enklere og mer logisk?

Selvfølgelig forsto Cousteau og hans selskap at det var umulig å bygge et skip utelukkende drevet av seil. Mer presist, kanskje, men kjøreytelsen vil være veldig middelmådig og avhengig av lunkene i været og vindretningen. Derfor var det opprinnelig planlagt at det nye "seilet" bare skal være en hjelpestyrke, aktuelt for å hjelpe konvensjonelle dieselmotorer. Samtidig vil et turboseil redusere dieselforbruket betydelig, og i sterk vind kan det bli fartøyets eneste fremdrift. Og utseendet til forskerteamet vendte seg til fortiden - til oppfinnelsen av den tyske ingeniøren Anton Flettner, den berømte flydesigneren, som ga et betydelig bidrag til skipsbygging.

Flettners rotor og Magnus-effekten

16. september 1922 fikk Anton Flettner tysk patent på det såkalte roterende fartøyet. Og i oktober 1924 forlot det eksperimentelle rotasjonsskipet Buckau lagrene til skipsbyggerfirmaet Friedrich Krupp i Kiel. Riktignok ble ikke skonnerten bygget fra bunnen av: før installasjonen av Flettners rotorer var det et vanlig seilfartøy.

Flettners idé var å bruke den såkalte Magnus-effekten, hvis essens er som følger: når en luftstrøm (eller væske) strømmer rundt et roterende legeme, genereres en kraft som er vinkelrett på strømningsretningen og virker på kroppen. Faktum er at et roterende objekt skaper en virvelbevegelse rundt seg selv. På siden av objektet, hvor retningen til virvelen faller sammen med retningen for strømmen av væske eller gass, øker hastigheten til mediet, og på motsatt side avtar den. Forskjellen i trykk og skaper en skjærkraft rettet fra siden hvor rotasjonsretningen og strømningsretningen er motsatt til siden hvor de sammenfaller.

Denne effekten ble oppdaget i 1852 av Berlin-fysikeren Heinrich Magnus.

Magnus effekt

Den tyske luftfartsingeniøren og oppfinneren Anton Flettner (1885-1961) gikk ned i navigasjonshistorien som en mann som prøvde å erstatte seil. Han hadde en sjanse til å reise lenge på et seilskip over Atlanterhavet og det indiske hav. Mange seil ble satt på mastene til seilskip fra den tiden. Seilutstyr var dyrt, komplekst og aerodynamisk lite effektivt. Stadige farer lurte sjømenn som selv under storm måtte seile i 40-50 meters høyde.

Under reisen fikk den unge ingeniøren ideen om å erstatte seilene, som krever mer innsats, med et enklere, men effektivt apparat, hvis hovedfremdrift også ville være vinden. Han tenkte på dette og husket aerodynamiske eksperimenter utført av hans landsmann fysiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). De fant at når en sylinder roterer i en luftstrøm, oppstår det en tverrkraft med en retning avhengig av sylinderens rotasjonsretning (Magnus-effekten).

Et av hans klassiske eksperimenter så slik ut: «En messingsylinder kunne rotere mellom to punkter; den raske rotasjonen av sylinderen ble gitt, som i en topp, av en snor.

Den roterende sylinderen ble plassert i en ramme, som i sin tur lett kunne roteres. En sterk luftstråle ble sendt til dette systemet ved hjelp av en liten sentrifugalpumpe. Sylinderen avvek i en retning vinkelrett på luftstrømmen og på sylinderaksen, dessuten i den retningen rotasjonsretningene og strålen var de samme fra "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner mente umiddelbart at seilene kunne erstattes av roterende sylindre installert på skipet.

Det viser seg at der overflaten på sylinderen beveger seg mot luftstrømmen, avtar vindhastigheten og trykket øker. På den andre siden av sylinderen er det motsatt - hastigheten på luftstrømmen øker, og trykket synker. Denne forskjellen i trykk fra forskjellige sider av sylinderen er drivkraften som får fartøyet til å bevege seg. Dette er det grunnleggende prinsippet for drift av roterende utstyr, som bruker vindens kraft til å bevege fartøyet. Alt er veldig enkelt, men bare A. Flettner "gikk ikke forbi", selv om Magnus-effekten har vært kjent i mer enn et halvt århundre.

Han begynte å implementere planen i 1923 på en innsjø nær Berlin. Faktisk gjorde Flettner en ganske enkel ting. Han installerte en papirsylinder-rotor omtrent en meter i høyden og 15 cm i diameter på en meter lang testbåt, og tilpasset en klokkemekanisme for å rotere den. Og båten seilte bort.

Kapteinene på seilskuter hånet A. Flettners sylindere, som han ville bytte ut seilene med. Oppfinneren klarte å interessere velstående kunstbeskyttere med oppfinnelsen. I 1924, i stedet for tre master, ble det installert to rotorsylindere på den 54 meter lange skonnerten "Buckau". Disse sylindrene ble drevet av en 45 hk dieselgenerator.

Bucaus rotorer ble drevet av elektriske motorer. Egentlig var det ingen forskjell fra de klassiske eksperimentene til Magnus i designet. På siden der rotoren roterte mot vinden, ble det skapt et område med økt trykk, på motsatt side et lavtrykksområde. Den resulterende kraften er det som drev skipet. Dessuten var denne kraften omtrent 50 ganger større enn kraften til vindtrykket på en stasjonær rotor!

Dette åpnet store muligheter for Flettner. Blant annet var rotorarealet og massen flere ganger mindre enn arealet til seileriggen, noe som ville gitt like stor drivkraft. Rotoren var mye lettere å kontrollere, og den var ganske billig å produsere. Ovenfra dekket Flettner rotorene med plateplan - dette økte drivkraften med omtrent to ganger på grunn av riktig orientering av luftstrømmene i forhold til rotoren. Den optimale høyden og diameteren til rotoren for "Bukau" ble beregnet ved å blåse en modell av det fremtidige skipet i en vindtunnel.

Flettners rotor viste seg å være utmerket. I motsetning til et vanlig seilfartøy var et roterende skip praktisk talt ikke redd for dårlig vær og sterk sidevind, det kunne lett seile med vekslende stag i en vinkel på 25º mot motvinden (for et vanlig seil er grensen ca. 45º). To sylindriske rotorer (høyde 13,1 m, diameter 1,5 m) gjorde det mulig å balansere fartøyet perfekt - det viste seg å være mer stabilt enn seilbåten som Bukau var før omstruktureringen.

Testene ble utført i vindstille vær, og i storm, og med bevisst overbelastning – og ingen alvorlige mangler ble identifisert. Den mest fordelaktige for fartøyets bevegelse var vindretningen nøyaktig vinkelrett på fartøyets akse, og bevegelsesretningen (forover eller bakover) ble bestemt av rotorretningen til rotorene.

I midten av februar 1925 forlot skonnerten Buckau, utstyrt med Flettners rotorer i stedet for seil, Danzig (nå Gdansk) til Skottland. Været var dårlig og de fleste seilbåtene turte ikke å forlate havnene. I Nordsjøen måtte Buckauen for alvor forholde seg til sterk vind og store bølger, men skuta krenget ombord mindre enn andre seilbåter møtte.

Under denne seilasen var det ikke nødvendig å tilkalle dekket til besetningsmedlemmene for å skifte seil avhengig av vindens styrke eller retning. Det var nok med én navigatør på klokken, som uten å forlate styrehuset kunne kontrollere rotorenes aktivitet. Tidligere bestod mannskapet på en tremastet skonnert av minst 20 sjømenn, etter ombyggingen til et roterende skip var 10 personer nok.

Samme år la verftet grunnlaget for det andre roterende skipet - det mektige lasteskipet "Barbara", drevet av tre 17-meters rotorer. Samtidig var én liten motor med en kapasitet på kun 35 hk nok til hver rotor. (ved maksimal rotasjonshastighet for hver rotor 160 rpm)! Rotorkraften tilsvarte den til en propelldrevet propell kombinert med en konvensjonell skipsdieselmotor med en kapasitet på rundt 1000 hk. En dieselmotor var imidlertid også tilgjengelig på skipet: i tillegg til rotorene satte den i gang en propell (som forble den eneste fremdriftsanordningen i tilfelle rolig vær).

Lovende eksperimenter fikk rederiet Rob. M. Sloman fra Hamburg til å bygge skipet Barbara i 1926. Det var på forhånd planlagt å utstyre turboseil - Flettners rotorer. På et fartøy 90 m langt og 13 m bredt var det montert tre rotorer med en høyde på ca 17 m.

Barbara har lykkes med å frakte frukt fra Italia til Hamburg i noen tid, som planlagt. Omtrent 30–40 % av reisetiden fartøyet seilte på grunn av vindens kraft. Med en vind på 4-6 poeng utviklet "Barbara" en fart på 13 knop.

Det var planlagt å teste rotasjonsfartøyet på lengre seilaser i Atlanterhavet.

Men på slutten av 1920-tallet slo den store depresjonen til. I 1929 forlot charterselskapet videre leie av Barbara og ble solgt. Den nye eieren fjernet rotorene og monterte skipet på nytt etter den tradisjonelle ordningen. Likevel tapte rotoren for skruepropellene i kombinasjon med et konvensjonelt dieselkraftverk på grunn av sin avhengighet av vinden og visse begrensninger i kraft og hastighet. Flettner vendte seg til mer avansert forskning, og Baden-Baden sank til slutt under en storm i Karibia i 1931. Og de glemte roterende seil i lang tid …

Begynnelsen av roterende fartøyer, ser det ut til, var ganske vellykket, men de fikk ikke utvikling og ble glemt i lang tid. Hvorfor? For det første kastet "faren" til roterende fartøy A. Flettner seg inn i etableringen av helikoptre og sluttet å være interessert i sjøtransport. For det andre, til tross for alle fordelene deres, har roterende fartøy forblitt seilskip med sine iboende ulemper, hvorav den viktigste er avhengighet av vinden.

Flettners rotorer var igjen interessert i 80-tallet av det tjuende århundre, da forskere begynte å foreslå ulike tiltak for å dempe klimaoppvarming, redusere forurensning og mer rasjonell bruk av drivstoff. En av de første som husket dem var den franske oppdageren Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). For å teste driften av turboseilsystemet og redusere drivstofforbruket, ble den to-mastede katamaranen "Alcyone" (Alcyone er datteren til vindens gud Aeolus) omgjort til et roterende fartøy. Etter å ha lagt ut på en sjøreise i 1985, reiste han til Canada og Amerika, sirklet Kapp Horn, gikk utenom Australia og Indonesia, Madagaskar og Sør-Afrika. Han ble overført til Det kaspiske hav, hvor han seilte i tre måneder og gjorde forskjellige undersøkelser. Alcyone bruker fortsatt to forskjellige fremdriftssystemer – to dieselmotorer og to turboseil.

Turboseil Cousteau

Seilbåter ble bygget gjennom hele 1900-tallet. I moderne skip av denne typen brettes seilvåpen ved hjelp av elektriske motorer, nye materialer gjør det mulig å lette strukturen betydelig. Men en seilbåt er en seilbåt, og ideen om å bruke vindenergi på en radikalt ny måte har ligget i luften siden Flettners dager. Og hun ble plukket opp av den utrettelige eventyreren og oppdageren Jacques-Yves Cousteau.

Den 23. desember 1986, etter at Alcyone nevnt i begynnelsen av artikkelen ble lansert, mottok Cousteau og hans kolleger Lucien Malavar og Bertrand Charier felles patent nr. US4630997 for "en enhet som skaper kraft gjennom bruk av en flytende væske eller gass." Den generelle beskrivelsen lyder som følger: «Enheten er plassert i et miljø som beveger seg i en bestemt retning; i dette tilfellet oppstår en kraft som virker i en retning vinkelrett på den første. Enheten unngår bruk av massive seil, der drivkraften er proporsjonal med seilarealet." Hva er forskjellen mellom Cousteaus turboseil og Flettners roterende seil?

I tverrsnitt er et turboseil noe som en langstrakt dråpe avrundet fra den skarpe enden. På sidene av "dråpen" er det luftinntaksgitter, hvorav det ene (avhengig av behovet for å bevege seg fremover eller bakover) suges ut luft. For det mest effektive vindsuget er en liten vifte drevet av en elektrisk motor installert i luftinntaket på turboseilet.

Den øker kunstig hastigheten på luftbevegelsen fra lesiden av seilet, og suger inn luftstrømmen i øyeblikket den separeres fra turboseilets plan. Dette skaper et vakuum på den ene siden av turboseilet samtidig som det forhindrer dannelsen av turbulente virvler. Og så virker Magnus-effekten: sjeldnere på den ene siden, som et resultat - en tverrkraft som er i stand til å sette skipet i bevegelse. Egentlig er et turboseil en vertikalt plassert flyvinge, i det minste er prinsippet for å skape en fremdriftskraft likt prinsippet om å skape en løft av et fly. For å sikre at turboseilet alltid dreies mot vinden i den mest fordelaktige retningen, er det utstyrt med spesielle sensorer og er installert på en dreieskive. Cousteaus patent innebærer forresten at luft kan suges ut fra innsiden av et turboseil, ikke bare av en vifte, men også for eksempel av en luftpumpe - dermed stengte Cousteau porten for påfølgende "oppfinnere".

Faktisk, for første gang, testet Cousteau en prototype turboseil på Moulin à Vent-katamaranen i 1981. Den største vellykkede seilingen av katamaranen var en tur fra Tangier (Marokko) til New York under tilsyn av et større ekspedisjonsskip.

Og i april 1985, i havnen i La Rochelle, ble Alcyone, det første fullverdige skipet utstyrt med turboseil, sjøsatt. Nå er hun fortsatt på farten og er i dag flaggskipet (og faktisk det eneste store skipet) til Cousteau-flotiljen. Turboseilene på den er ikke de eneste som beveger seg, men de hjelper den vanlige koblingen av to dieseler og

flere skruer (som for øvrig reduserer drivstofforbruket med omtrent en tredjedel). Hvis den store oseanografen var i live, ville han sannsynligvis ha bygget flere lignende skip, men entusiasmen til hans medarbeidere etter avgangen til Cousteau ble merkbart redusert.

Rett før hans død i 1997 jobbet Cousteau aktivt med prosjektet til skipet "Calypso II" med turboseil, men klarte ikke å fullføre det. I følge de siste dataene, vinteren 2011, var "Alkiona" i havnen i Caen og ventet på en ny ekspedisjon.

Og igjen Flettner

I dag forsøkes det å gjenopplive Flettners idé og gjøre roterende seil mainstream. For eksempel begynte det berømte Hamburg-selskapet Blohm + Voss, etter oljekrisen i 1973, aktiv utvikling av et roterende tankskip, men i 1986 dekket økonomiske faktorer over dette prosjektet. Så var det en hel serie med amatørdesign.

I 2007 bygde studenter ved Universitetet i Flensburg en katamaran drevet av et roterende seil (Uni-cat Flensburg).

I 2010 dukket det tredje skipet med roterende seil opp - den tunge lastebilen E-Ship 1, som ble bygget etter ordre fra Enercon, en av de største produsentene av vindturbiner i verden. 6. juli 2010 ble skipet først sjøsatt og foretok en kort reise fra Emden til Bremerhaven. Og allerede i august dro han på sin første arbeidstur til Irland med en last på ni vindturbiner. Fartøyet er utstyrt med fire Flettner-rotorer og selvfølgelig et tradisjonelt fremdriftssystem i tilfelle ro og for ekstra kraft. Fortsatt tjener roterende seil bare som hjelpepropeller: for en 130 meter lang lastebil er ikke kraften nok til å utvikle riktig hastighet. Motorene er ni Mitsubishi kraftverk, og rotorene drives av en Siemens dampturbin som bruker energi fra eksosgasser. Roterende seil gir 30 til 40 % drivstoffbesparelse ved 16 knop.

Men Cousteaus turboseil forblir fortsatt i en viss glemsel: «Alcyone» er i dag det eneste fullstørrelsesskipet med denne typen fremdrift. Erfaringene til tyske skipsbyggere vil vise om det er fornuftig å videreutvikle temaet seil som opererer på Magnus-effekten. Det viktigste er å finne en business case for dette og bevise effektiviteten. Og der, skjønner du, vil all verdensfart gå over til prinsippet som en talentfull tysk vitenskapsmann beskrev for mer enn 150 år siden.

Den 2. august 2010 lanserte verdens største produsent av vindkraftverk Enercon et 130 meter stort roterende fartøy, 22 m bredt, som senere ble kalt «E-Ship 1» ved Lindenau-verftet i Kiel. Deretter ble den testet med suksess i Nord- og Middelhavet, og transporterer for tiden vindgeneratorer fra Tyskland, hvor de produseres, til andre europeiske land. Den utvikler en hastighet på 17 knop (32 km / t), transporterer samtidig mer enn 9 tusen tonn last, mannskapet er 15 personer.

Det Singapore-baserte rederiet Wind Again, en drivstoff- og utslippsreduksjonsteknologi, tilbyr spesialdesignede Flettner-rotorer (foldbare) for tank- og lasteskip. De vil redusere drivstofforbruket med 30-40% og vil betale seg i løpet av 3-5 år.

Det finske marineingeniørselskapet Wartsila planlegger allerede å tilpasse turboseil på cruiseferger. Dette skyldes det finske fergeselskapet Viking Lines ønske om å redusere drivstofforbruk og miljøforurensning.

Bruken av Flettner-rotorer på fritidsfartøy studeres av Universitetet i Flensburg (Tyskland). Økende oljepriser og alarmerende klimaoppvarming ser ut til å være gunstige betingelser for retur av vindturbiner.