Magnus effekt och turbosegel

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-10 22:33

I Australien har amatörfysiker visat Magnus-effekten i aktion. Experimentvideon, publicerad på YouTube-värd, har fått över 9 miljoner visningar.

Magnuseffekten är ett fysiskt fenomen som uppstår när en ström av vätska eller gas strömmar runt en roterande kropp. När en flygande rund kropp roterar runt den börjar närliggande luftlager cirkulera. Som ett resultat, under flygning, ändrar kroppen sin rörelseriktning.

För experimentet valde amatörfysiker en damm 126,5 meter hög och en vanlig basketboll. Först kastades bollen helt enkelt ner, den flög parallellt med dammen och landade på den markerade punkten. Andra gången släpptes bollen och rullade lite runt sin axel. Den flygande bollen flög längs en ovanlig bana, vilket tydligt visar Magnus-effekten.

Magnus-effekten förklarar varför bollen i vissa sporter, som fotboll, flyger i en konstig bana. Det mest slående exemplet på den "onormala" bollflykten kunde ses efter en frispark av fotbollsspelaren Roberto Carlos under matchen den 3 juni 1997 mellan Brasiliens och Frankrikes landslag.

Fartyget är under turbosegel

Den berömda dokumentärserien "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" spelades in av den store franske oceanografen på 1960-1970-talet. Huvudskeppet i Cousteau omvandlades sedan från den brittiska minsveparen "Calypso". Men i en av de efterföljande filmerna - "Rediscovery of the World" - dök ett annat skepp upp, yachten "Alcyone".

När de tittade på det ställde många tittare sig själva frågan: vilka är dessa konstiga rör installerade på yachten?.. Kanske är de rör av pannor eller framdrivningssystem? Föreställ dig din förvåning om du får reda på att det här är SEGEL … turbosegel …

Cousteau-fonden förvärvade yachten "Alkion" 1985, och detta fartyg betraktades inte så mycket som ett forskningsfartyg, utan som en bas för att studera effektiviteten hos turbosegel - det ursprungliga fartygets framdrivningssystem. Och när, 11 år senare, den legendariska "Calypso" sjönk, tog "Alkiona" hennes plats som expeditionens huvudfartyg (förresten, idag höjdes "Calypso" och är i ett halvplundrat tillstånd i hamnen i Concarneau).

Egentligen uppfanns turboseglet av Cousteau. Förutom dykutrustning, ett undervattensfat och många andra enheter för att utforska havets djup och havens yta. Tanken föddes i början av 1980-talet och var att skapa det mest miljövänliga, men samtidigt bekväma och moderna framdrivningssystemet för en sjöfågel. Användningen av vindkraft verkade vara det mest lovande forskningsområdet. Men här är oturen: mänskligheten uppfann ett segel för flera tusen år sedan, och vad kan vara enklare och mer logiskt?

Naturligtvis förstod Cousteau och hans företag att det var omöjligt att bygga ett fartyg som enbart drivs med segel. Mer exakt kanske, men dess körprestanda kommer att vara mycket medelmåttig och beroende av vädrets och vindriktningens nycker. Därför var det ursprungligen planerat att det nya "seglet" bara ska vara en hjälpkraft, tillämplig för att hjälpa konventionella dieselmotorer. Samtidigt skulle ett turbosegel avsevärt minska dieselbränsleförbrukningen, och i hård vind kan det bli fartygets enda framdrivning. Och forskargruppens utseende vände sig till det förflutna - till uppfinningen av den tyske ingenjören Anton Flettner, den berömda flygplansdesignern, som gjorde ett betydande bidrag till skeppsbyggnaden.

Flettners rotor och Magnus-effekten

Den 16 september 1922 fick Anton Flettner ett tyskt patent på det så kallade roterande kärlet. Och i oktober 1924 lämnade det experimentella roterande fartyget Buckau varvsföretaget Friedrich Krupps lager i Kiel. Det är sant att skonaren inte byggdes från grunden: före installationen av Flettners rotorer var det ett vanligt segelfartyg.

Flettners idé var att använda den så kallade Magnuseffekten, vars essens är följande: när en luftström (eller vätskeström) strömmar runt en roterande kropp genereras en kraft som är vinkelrät mot flödesriktningen och verkar på kroppen. Faktum är att ett roterande föremål skapar en virvelrörelse runt sig själv. På sidan av föremålet, där virvelns riktning sammanfaller med riktningen för flödet av vätska eller gas, ökar mediets hastighet, och på motsatt sida minskar den. Skillnaden i tryck och skapar en skjuvkraft riktad från den sida där rotationsriktningen och flödesriktningen är motsatt till den sida där de sammanfaller.

Denna effekt upptäcktes 1852 av Berlin-fysikern Heinrich Magnus.

Magnus effekt

Den tyske flygingenjören och uppfinnaren Anton Flettner (1885-1961) gick till navigeringens historia som en man som försökte ersätta segel. Han hade en chans att resa länge på ett segelfartyg över Atlanten och Indiska oceanen. Många segel sattes på masterna på segelfartyg från den tiden. Segelutrustning var dyr, komplex och aerodynamiskt inte särskilt effektiv. Ständiga faror lurade sjömän som även under storm fick segla på 40-50 meters höjd.

Under resan fick den unge ingenjören idén att byta ut seglen, som kräver mer ansträngning, med en enklare men effektiv anordning, vars främsta framdrivning också skulle vara vinden. När han begrundade detta, påminde han sig aerodynamiska experiment utförda av hans landsmansfysiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). De fann att när en cylinder roterar i ett luftflöde uppstår en tvärkraft med en riktning som beror på cylinderns rotationsriktning (Magnus-effekten).

Ett av hans klassiska experiment såg ut så här:”En mässingscylinder kunde rotera mellan två punkter; cylinderns snabba rotation gavs, som i en topp, av en lina.

Den roterande cylindern placerades i en ram, som i sin tur lätt kunde roteras. En stark luftstråle skickades till detta system med hjälp av en liten centrifugalpump. Cylindern avvek i en riktning vinkelrät mot luftströmmen och mot cylinderaxeln, dessutom i den riktning från vilken rotationsriktningarna och strålen var desamma "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner trodde genast att seglen kunde ersättas av roterande cylindrar installerade på fartyget.

Det visar sig att där cylinderns yta rör sig mot luftströmmen minskar vindhastigheten och trycket ökar. På andra sidan av cylindern är det motsatta - hastigheten på luftflödet ökar och trycket minskar. Denna skillnad i tryck från olika sidor av cylindern är den drivande kraften som får kärlet att röra sig. Detta är den grundläggande principen för drift av roterande utrustning, som använder vindens kraft för att flytta fartyget. Allt är väldigt enkelt, men bara A. Flettner "gick inte förbi", även om Magnuseffekten har varit känd i mer än ett halvt sekel.

Han började genomföra planen 1923 på en sjö nära Berlin. Egentligen gjorde Flettner en ganska enkel sak. Han installerade en papperscylinder-rotor cirka en meter hög och 15 cm i diameter på en meterlång testbåt och anpassade en klockmekanism för att rotera den. Och båten seglade iväg.

Kaptenerna på segelfartyg hånade A. Flettners cylindrar, med vilka han ville byta ut seglen. Uppfinnaren lyckades intressera rika konstbeskyddare med sin uppfinning. I stället för tre master installerades 1924 två rotorcylindrar på den 54 meter långa skonaren "Buckau". Dessa cylindrar drevs av en 45 hk dieselgenerator.

Bucaus rotorer drevs av elmotorer. Egentligen var det ingen skillnad från Magnus klassiska experiment i designen. På den sida där rotorn roterade mot vinden skapades ett område med ökat tryck, på motsatt sida ett lågtrycksområde. Den resulterande kraften är vad som drev fram skeppet. Dessutom var denna kraft cirka 50 gånger större än kraften från vindtrycket på en stationär rotor!

Detta öppnade stora möjligheter för Flettner. Bland annat var rotorytan och dess massa flera gånger mindre än segelriggens yta, vilket skulle ha gett lika drivkraft. Rotorn var mycket lättare att kontrollera, och den var ganska billig att tillverka. Ovanifrån täckte Flettner rotorerna med plattplan - detta ökade drivkraften med ungefär två gånger på grund av den korrekta orienteringen av luftflödena i förhållande till rotorn. Den optimala höjden och diametern på rotorn för "Bukau" beräknades genom att blåsa en modell av det framtida fartyget i en vindtunnel.

Flettners rotor visade sig vara utmärkt. Till skillnad från ett vanligt segelfartyg var ett roterande fartyg praktiskt taget inte rädd för dåligt väder och starka sidovindar, det kunde lätt segla med omväxlande tag i en vinkel på 25º mot motvinden (för ett vanligt segel är gränsen cirka 45º). Två cylindriska rotorer (höjd 13,1 m, diameter 1,5 m) gjorde det möjligt att perfekt balansera fartyget - det visade sig vara mer stabilt än segelbåten som Bukau var innan omstruktureringen.

Testerna utfördes i lugnt väder, och i storm och med avsiktlig överbelastning - och inga allvarliga brister identifierades. Det mest fördelaktiga för fartygets rörelse var vindens riktning exakt vinkelrät mot fartygets axel, och rörelseriktningen (framåt eller bakåt) bestämdes av rotorernas rotationsriktning.

I mitten av februari 1925 lämnade skonaren Buckau, utrustad med Flettners rotorer istället för segel, Danzig (nuvarande Gdansk) till Skottland. Vädret var dåligt och de flesta segelbåtarna vågade inte lämna hamnarna. I Nordsjön fick Buckau hantera hårda vindar och stora vågor på allvar, men skonaren krängde ombord mindre än vad andra segelbåtar stötte på.

Under denna resa var det inte nödvändigt att anropa besättningsmedlemmarnas däck för att byta segel beroende på vindens styrka eller riktning. Det räckte med en navigatör på klockan, som utan att lämna styrhytten kunde kontrollera rotorernas aktivitet. Tidigare bestod besättningen på en tremastad skonare av minst 20 sjömän, efter dess ombyggnad till ett roterande fartyg räckte 10 personer.

Samma år lade varvet grunden för det andra roterande fartyget - det mäktiga lastfartyget "Barbara", som drivs av tre 17-meters rotorer. Samtidigt räckte en liten motor med en kapacitet på endast 35 hk för varje rotor. (vid maximalt varvtal för varje rotor 160 rpm)! Rotorns dragkraft var likvärdig med en propellerdriven propeller kopplad till en konventionell fartygsdieselmotor med en kapacitet på cirka 1000 hk. En dieselmotor fanns dock också på fartyget: förutom rotorerna satte den igång en propeller (som förblev den enda framdrivningsanordningen vid lugnt väder).

Lovande experiment fick rederiet Rob. M. Sloman från Hamburg att bygga fartyget Barbara 1926. Det var på förhand planerat att utrusta turbosegel - Flettners rotorer. På ett fartyg 90 m långt och 13 m brett monterades tre rotorer med en höjd av ca 17 m.

Barbara har framgångsrikt transporterat frukt från Italien till Hamburg under en tid, som planerat. Cirka 30–40 % av färdtiden seglade fartyget på grund av vindens kraft. Med en vind på 4-6 poäng utvecklade "Barbara" en fart på 13 knop.

Det var planerat att testa det roterande fartyget på längre resor i Atlanten.

Men i slutet av 1920-talet slog den stora depressionen till. 1929 övergav charterbolaget den ytterligare uthyrningen av Barbara och såldes. Den nya ägaren tog bort rotorerna och monterade om fartyget enligt det traditionella schemat. Ändå tappade rotorn till skruvpropellrarna i kombination med ett konventionellt dieselkraftverk på grund av sitt beroende av vinden och vissa begränsningar i kraft och hastighet. Flettner vände sig till mer avancerad forskning, och Baden-Baden sjönk så småningom under en storm i Karibien 1931. Och de glömde roterande segel länge …

Början av roterande kärl, verkar det som, var ganska framgångsrik, men de fick inte utveckling och glömdes bort under lång tid. Varför? Först kastade "fadern" till roterande fartyg A. Flettner in i skapandet av helikoptrar och upphörde att vara intresserad av sjötransport. För det andra, trots alla sina fördelar, har roterande fartyg förblivit segelfartyg med sina inneboende nackdelar, vars främsta är beroendet av vinden.

Flettners rotorer var återigen intresserade av 80-talet av 1900-talet, när forskare började föreslå olika åtgärder för att mildra klimatuppvärmningen, minska föroreningar och mer rationell användning av bränsle. En av de första som återkallade dem var den franske upptäcktsresanden Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). För att testa turbosegelsystemets funktion och minska bränsleförbrukningen omvandlades den tvåmastade katamaranen "Alcyone" (Alcyone är dotter till vindarnas gud Aeolus) till ett roterande fartyg. Efter att ha gett sig ut på en sjöresa 1985, reste han till Kanada och Amerika, kretsade runt Kap Horn, gick förbi Australien och Indonesien, Madagaskar och Sydafrika. Han överfördes till Kaspiska havet, där han seglade i tre månader och gjorde olika undersökningar. Alcyone använder fortfarande två olika framdrivningssystem – två dieselmotorer och två turbosegel.

Turbosegel Cousteau

Segelbåtar byggdes under hela 1900-talet. I moderna fartyg av denna typ viks segelbeväpning med hjälp av elmotorer, nya material gör det möjligt att avsevärt lätta strukturen. Men en segelbåt är en segelbåt, och tanken på att använda vindenergi på ett radikalt nytt sätt har funnits i luften sedan Flettners dagar. Och hon plockades upp av den outtröttliga äventyraren och upptäcktsresanden Jacques-Yves Cousteau.

Den 23 december 1986, efter att Alcyone som nämns i början av artikeln lanserades, fick Cousteau och hans kollegor Lucien Malavar och Bertrand Charier gemensamt patent nr US4630997 för "en anordning som skapar kraft genom användning av en rörlig vätska eller gas." Den allmänna beskrivningen lyder som följer: "Enheten är placerad i en miljö som rör sig i en viss riktning; i detta fall uppstår en kraft som verkar i en riktning vinkelrät mot den första. Enheten undviker användningen av massiva segel, där drivkraften är proportionell mot segelytan." Vad är skillnaden mellan Cousteaus turbosegel och Flettners roterande segel?

I tvärsnitt är ett turbosegel något som en långsträckt droppe rundad från den vassa änden. På sidorna av "droppen" finns luftintagsgaller, genom ett av vilka (beroende på behovet av att röra sig framåt eller bakåt) sugs luft ut. För det mest effektiva vindsuget installeras en liten fläkt som drivs av en elmotor i luftintaget på turboseglet.

Den ökar artificiellt hastigheten för luftrörelsen från seglets läsida och suger in luftströmmen i ögonblicket för dess separation från turboseglets plan. Detta skapar ett vakuum på ena sidan av turboseglet samtidigt som det förhindrar bildandet av turbulenta virvlar. Och då verkar Magnus-effekten: sällsynthet på ena sidan, som ett resultat - en tvärgående kraft som kan sätta skeppet i rörelse. Egentligen är ett turbosegel en vertikalt placerad flygplansvinge, åtminstone principen för att skapa en framdrivningskraft liknar principen att skapa en lyftning av ett flygplan. För att säkerställa att turboseglet alltid vrids mot vinden i den mest fördelaktiga riktningen är det försett med speciella sensorer och installerat på en skivspelare. Cousteaus patent innebär förresten att luft kan sugas ut från insidan av ett turbosegel, inte bara av en fläkt, utan också, till exempel, av en luftpump - sålunda stängde Cousteau porten för efterföljande "uppfinnare".

Faktiskt, för första gången, testade Cousteau en prototyp av turbosegel på Moulin à Vent-katamaranen 1981. Katamaranens största framgångsrika segling var en resa från Tanger (Marocko) till New York under övervakning av ett större expeditionsfartyg.

Och i april 1985, i hamnen i La Rochelle, sjösattes Alcyone, det första fullfjädrade fartyget utrustat med turbosegel. Nu är hon fortfarande i farten och är idag flaggskeppet (och faktiskt det enda stora fartyget) för Cousteau-flottiljen. Turboseglen på den är inte den enda som flyttar, men de hjälper den vanliga kopplingen av två dieslar och

flera skruvar (vilket för övrigt minskar bränsleförbrukningen med ungefär en tredjedel). Om den store oceanografen hade levt, skulle han förmodligen ha byggt flera liknande skepp, men entusiasmen hos hans medarbetare efter Cousteau avgång minskade märkbart.

Strax före sin död 1997 arbetade Cousteau aktivt med projektet med fartyget "Calypso II" med ett turbosegel, men lyckades inte slutföra det. Enligt de senaste uppgifterna, vintern 2011, låg "Alkiona" i hamnen i Caen och väntade på en ny expedition.

Och igen Flettner

Idag görs försök att återuppliva Flettners idé och göra roterande segel mainstream. Till exempel började det berömda Hamburg-företaget Blohm + Voss, efter oljekrisen 1973, aktiv utveckling av en roterande tanker, men 1986 täckte ekonomiska faktorer detta projekt. Sedan fanns det en hel serie amatördesigner.

2007 byggde studenter vid universitetet i Flensburg en katamaran som drivs av ett roterande segel (Uni-cat Flensburg).

2010 dök det tredje fartyget någonsin med roterande segel upp - den tunga lastbilen E-Ship 1, som byggdes på order av Enercon, en av de största tillverkarna av vindkraftverk i världen. Den 6 juli 2010 sjösattes fartyget för första gången och gjorde en kort resa från Emden till Bremerhaven. Och redan i augusti åkte han på sin första arbetsresa till Irland med en last på nio vindkraftverk. Fartyget är utrustat med fyra Flettner-rotorer och, naturligtvis, ett traditionellt framdrivningssystem vid lugn och för extra kraft. Fortfarande fungerar roterande segel bara som hjälppropellrar: för en 130-meters lastbil är deras kraft inte tillräcklig för att utveckla rätt hastighet. Motorerna är nio Mitsubishi kraftverk och rotorerna drivs av en Siemens ångturbin som använder energi från avgaser. Roterande segel ger 30 till 40 % bränslebesparing vid 16 knop.

Men Cousteaus turbosegel förblir fortfarande i viss glömska: "Alcyone" är idag det enda fullstora fartyget med denna typ av framdrivning. Erfarenheterna från tyska skeppsbyggare kommer att visa om det är meningsfullt att vidareutveckla temat segel som verkar på Magnus-effekten. Det viktigaste är att hitta ett affärscase för detta och bevisa dess effektivitet. Och där, ser du, kommer all världssjöfart att gå till den princip som en begåvad tysk vetenskapsman beskrev för mer än 150 år sedan.

Den 2 augusti 2010 sjösatte världens största tillverkare av vindkraftverk Enercon ett 130 meter stort roterande fartyg, 22 m brett, som senare fick namnet "E-Ship 1", på Lindenau-varvet i Kiel. Sedan testades den framgångsrikt i Nord- och Medelhavet och transporterar för närvarande vindkraftverk från Tyskland, där de tillverkas, till andra europeiska länder. Den utvecklar en hastighet på 17 knop (32 km / h), transporterar samtidigt mer än 9 tusen ton last, dess besättning är 15 personer.

Singapore-baserade rederiet Wind Again, en teknik för minskning av bränsle och utsläpp, erbjuder specialdesignade Flettner-rotorer (vikbara) för tankfartyg och lastfartyg. De kommer att minska bränsleförbrukningen med 30-40% och kommer att betala sig inom 3-5 år.

Det finska marinteknikföretaget Wartsila planerar redan att anpassa turbosegel på kryssningsfärjor. Detta på grund av det finska färjerederiet Viking Lines önskan att minska bränsleförbrukningen och miljöföroreningarna.

Användningen av Flettner-rotorer på fritidsbåtar studeras av universitetet i Flensburg (Tyskland). Stigande oljepriser och oroväckande klimatuppvärmning verkar vara gynnsamma förutsättningar för återlämning av vindkraftverk.