Magnusov učinek in turbojadro

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-10 22:26

V Avstraliji so amaterski fiziki dokazali Magnusov učinek v akciji. Posnetek eksperimenta, objavljen na gostovanju v YouTubu, je prejel več kot 9 milijonov ogledov.

Magnusov učinek je fizični pojav, ki se pojavi, ko tok tekočine ali plina teče okoli vrtečega se telesa. Ko se okroglo telo vrti okoli njega, začnejo krožiti bližnje plasti zraka. Posledično telo med letom spremeni smer gibanja.

Za poskus so fiziki amaterji izbrali 126,5 metra visok jez in navadno košarkarsko žogo. Sprva je bila žoga preprosto vržena dol, letela je vzporedno z jezom in pristala na označeni točki. Drugič je žoga padla in se je rahlo pomikala okoli svoje osi. Leteča žoga je letela po nenavadni poti, kar je jasno pokazalo Magnusov učinek.

Magnusov učinek pojasnjuje, zakaj v nekaterih športih, kot je nogomet, žoga leti po čudni poti. Najbolj presenetljiv primer "nenormalnega" letenja žoge je bilo mogoče videti po prostem strelu nogometaša Roberta Carlosa na tekmi 3. junija 1997 med reprezentancama Brazilije in Francije.

Ladja je pod turbo jadri

Znamenito dokumentarno serijo "Podvodna odiseja ekipe Cousteau" je v šestdesetih in sedemdesetih letih prejšnjega stoletja posnel veliki francoski oceanograf. Glavna ladja Cousteauja je bila nato predelana iz britanskega minolovca "Calypso". Toda v enem od naslednjih filmov - "Ponovno odkritje sveta" - se je pojavila še ena ladja, jahta "Alcyone".

Ob pogledu na to so se številni gledalci zastavili vprašanje: kakšne so te čudne cevi, nameščene na jahti?.. Morda so to cevi kotlov ali pogonskih sistemov? Predstavljajte si svoje začudenje, če ugotovite, da so to JADRA … turbojadra …

Sklad Cousteau je leta 1985 pridobil jahto "Alkion" in ta ladja ni veljala toliko za raziskovalno ladjo, ampak kot bazo za preučevanje učinkovitosti turbojader - izvirnega ladijskega pogonskega sistema. In ko je 11 let pozneje legendarni "Calypso" potonil, je "Alkiona" prevzela njeno mesto kot glavno plovilo odprave (mimogrede, danes je bil "Calypso" dvignjen in je v napol oropanem stanju v pristanišče Concarneau).

Pravzaprav je turbojadro izumil Cousteau. Pa tudi potapljaška oprema, podvodni krožnik in številne druge naprave za raziskovanje morskih globin in gladine oceanov. Ideja se je rodila v zgodnjih osemdesetih letih in je bila ustvariti okolju najbolj prijazen, a hkrati priročen in sodoben pogonski sistem za vodne ptice. Zdelo se je, da je uporaba vetrne energije najbolj obetavno področje raziskav. Toda tu je smola: človeštvo je izumilo jadro pred nekaj tisoč leti in kaj bi lahko bilo preprostejše in bolj logično?

Seveda sta Cousteau in njegovo podjetje razumela, da je nemogoče zgraditi ladjo, ki bi jo poganjala izključno jadra. Natančneje, morda, vendar bo njegova vozna zmogljivost zelo povprečna in odvisna od vremenskih in smeri vetra. Zato je bilo prvotno načrtovano, da bo novo "jadro" le pomožna sila, uporabna za pomoč običajnim dizelskim motorjem. Turbojadro bi ob tem občutno zmanjšalo porabo dizelskega goriva, ob močnem vetru pa bi lahko postalo edini pogon plovila. In pogled raziskovalne skupine se je obrnil v preteklost - k izumu nemškega inženirja Antona Flettnerja, slavnega konstruktorja letal, ki je pomembno prispeval k ladjedelništvu.

Flettnerjev rotor in Magnusov učinek

16. septembra 1922 je Anton Flettner prejel nemški patent za tako imenovano rotacijsko posodo. In oktobra 1924 je eksperimentalna rotacijski ladja Buckau zapustila zaloge ladjedelniškega podjetja Friedrich Krupp v Kielu. Res je, da škuna ni bila zgrajena iz nič: pred namestitvijo Flettnerjevih rotorjev je bila navadna jadrnica.

Flettnerjeva ideja je bila uporabiti tako imenovani Magnusov učinek, katerega bistvo je naslednje: ko zračni (ali tekoči) tok teče okoli vrtečega se telesa, nastane sila, ki je pravokotna na smer toka in deluje na telo. Dejstvo je, da vrteči se predmet okoli sebe ustvarja vrtinčno gibanje. Na strani predmeta, kjer smer vrtinca sovpada s smerjo toka tekočine ali plina, se hitrost medija poveča, na nasprotni strani pa zmanjša. Razlika v tlaku in ustvarja strižno silo, usmerjeno s strani, kjer sta smer vrtenja in smer toka nasprotni strani, kjer sovpadata.

Ta učinek je leta 1852 odkril berlinski fizik Heinrich Magnus.

Magnusov učinek

Nemški letalski inženir in izumitelj Anton Flettner (1885-1961) se je v zgodovino plovbe zapisal kot človek, ki je poskušal zamenjati jadra. Imel je priložnost, da je dolgo potoval na jadrnici čez Atlantski in Indijski ocean. Številna jadra so bila postavljena na jamborje jadrnic tiste dobe. Oprema za jadranje je bila draga, zapletena in aerodinamično ne zelo učinkovita. Nenehne nevarnosti so prežile mornarje, ki so morali tudi med neurjem pluti na 40-50 metrov višine.

Med plovbo se je mlademu inženirju porodila ideja, da bi jadra, ki zahtevajo več truda, zamenjal z enostavnejšo, a učinkovito napravo, katere glavni pogon bi bil tudi veter. Ob tem se je spomnil na aerodinamične poskuse, ki jih je opravil njegov rojak fizik Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Ugotovili so, da ko se valj vrti v zračnem toku, nastane prečna sila s smerjo, ki je odvisna od smeri vrtenja cilindra (Magnusov učinek).

Eden od njegovih klasičnih poskusov je izgledal takole: »Medeninasti cilinder bi se lahko vrtel med dvema točkama; hitro vrtenje cilindra je bilo, kot pri vrhu, posredovano z vrvico.

Vrtljivi cilinder je bil nameščen v okvirju, ki ga je bilo mogoče enostavno vrteti. V ta sistem je bil s pomočjo majhne centrifugalne črpalke poslan močan curek zraka. Valj je odstopal v smeri, pravokotni na zračni tok in na os cilindra, poleg tega pa v smeri, iz katere sta bili smeri vrtenja in curka enaki "(L. Prandtl" Magnusov učinek in ladja vetra", 1925).

A. Flettner je takoj pomislil, da bi lahko jadra zamenjali z vrtljivimi cilindri, nameščenimi na ladji.

Izkazalo se je, da se tam, kjer se površina cilindra premika proti zračnemu toku, hitrost vetra zmanjša in tlak poveča. Na drugi strani jeklenke je ravno nasprotno - hitrost zračnega toka se poveča, tlak pa se zmanjša. Ta razlika v tlaku z različnih strani cilindra je gonilna sila, zaradi katere se plovilo premika. To je osnovni princip delovanja rotacijske opreme, ki uporablja silo vetra za premikanje plovila. Vse je zelo preprosto, a le A. Flettner "ni šel mimo", čeprav je Magnusov učinek znan že več kot pol stoletja.

Načrt je začel izvajati leta 1923 na jezeru blizu Berlina. Pravzaprav je Flettner naredil precej preprosto stvar. Na meter dolg testni čoln je namestil papirnati valj-rotor približno meter v višino in 15 cm v premeru ter prilagodil urni mehanizem za njegovo vrtenje. In čoln je odplul.

Kapetani jadrnic so se posmehovali valjem A. Flettnerja, s katerimi je hotel zamenjati jadra. Izumitelj je s svojim izumom uspel pritegniti premožne mecene umetnosti. Leta 1924 sta bila namesto treh jamborov na 54-metrsko škuno "Buckau" nameščena dva rotorska cilindra. Te cilindre je poganjal dizelski generator s 45 KM.

Rotorje Bucau so poganjali električni motorji. Pravzaprav pri oblikovanju ni bilo nobene razlike od klasičnih Magnusovih eksperimentov. Na strani, kjer se je rotor vrtel proti vetru, se je ustvarilo območje povečanega tlaka, na nasprotni strani pa območje nizkega tlaka. Nastala sila je tista, ki je poganjala ladjo. Poleg tega je bila ta sila približno 50-krat večja od sile pritiska vetra na mirujočem rotorju!

To je Flettnerju odprlo velike možnosti. Med drugim sta bila površina rotorja in njegova masa nekajkrat manjša od površine jadrnice, ki bi dala enako pogonsko silo. Rotor je bilo veliko lažje nadzorovati, izdelava pa je bila precej poceni. Od zgoraj je Flettner pokril rotorje z ravninami plošč - to je povečalo pogonsko silo za približno dvakrat zaradi pravilne orientacije zračnih tokov glede na rotor. Optimalna višina in premer rotorja za "Bukau" je bila izračunana s pihanjem modela bodoče ladje v vetrovniku.

Flettnerjev rotor se je izkazal za odlično. Za razliko od navadne jadrnice se rotacijski ladji praktično ni bala slabega vremena in močnih bočnih vetrov, zlahka je plula z izmeničnimi zavoji pod kotom 25 ° proti čelnemu vetru (za običajno jadro je meja približno 45 °). Dva valjasta rotorja (višina 13,1 m, premer 1,5 m) sta omogočila popolno uravnoteženje plovila - izkazalo se je, da je bolj stabilno kot jadrnica, ki je bila Bukau pred prestrukturiranjem.

Preizkusi so bili izvedeni v mirnem vremenu, v neurju in z namerno preobremenitvijo - in niso bile ugotovljene resne pomanjkljivosti. Za gibanje plovila je bila najbolj ugodna smer vetra točno pravokotna na os plovila, smer gibanja (naprej ali nazaj) pa je bila določena s smerjo vrtenja rotorjev.

Sredi februarja 1925 je škuna Buckau, opremljena s Flettnerjevimi rotorji namesto z jadri, odšla iz Danziga (danes Gdansk) na Škotsko. Vreme je bilo slabo in večina jadrnic si ni upala zapustiti pristanišč. V Severnem morju se je moral Buckau resno soočiti z močnimi vetrovi in velikimi valovi, vendar se je škuna vkrcala manj kot druge jadrnice.

Med tem potovanjem ni bilo treba klicati na krovu članov posadke, da bi zamenjali jadra glede na moč ali smer vetra. Dovolj je bil en navigator ure, ki je lahko, ne da bi zapustil prostor za krmiljenje, nadzoroval aktivnost rotorjev. Prej je posadko škune s tremi jambori sestavljalo najmanj 20 mornarjev, po predelavi v rotacijsko ladjo je bilo dovolj 10 ljudi.

Istega leta je ladjedelnica postavila temelje za drugo rotacijsko ladjo - mogočno tovorno ladjo "Barbara", ki jo poganjajo trije 17-metrski rotorji. Hkrati je za vsak rotor zadostoval en majhen motor z zmogljivostjo le 35 KM. (pri največji hitrosti vrtenja vsakega rotorja 160 vrt/min)! Potis rotorja je bil enak potisu propelerskega propelerja v kombinaciji s konvencionalnim ladijskim dizelskim motorjem z zmogljivostjo približno 1000 KM. Je pa bil na ladji na voljo tudi dizelski motor: poleg rotorjev je sprožil propeler (ki je v mirnem vremenu ostal edina pogonska naprava).

Obetavni poskusi so spodbudili ladjar Rob. M. Sloman iz Hamburga, da je leta 1926 zgradil ladjo Barbara. Vnaprej je bilo načrtovano opremiti turbojadra - Flettnerjeve rotorje. Na plovilo dolžine 90 m in širine 13 m so bili nameščeni trije rotorji z višino približno 17 m.

Barbara po načrtih že nekaj časa uspešno prevaža sadje iz Italije v Hamburg. Približno 30–40 % časa plovbe je plovilo plulo zaradi sile vetra. Z vetrom 4-6 točk je "Barbara" razvila hitrost 13 vozlov.

Načrtovano je bilo testiranje rotacijskega plovila na daljših plovbah v Atlantskem oceanu.

Toda v poznih dvajsetih letih prejšnjega stoletja je prizadela velika depresija. Leta 1929 je čartersko podjetje opustilo nadaljnji najem Barbare in je bilo prodano. Novi lastnik je odstranil rotorje in ladjo ponovno opremil po tradicionalni shemi. Kljub temu je rotor izgubil zaradi vijačnih propelerjev v kombinaciji s konvencionalno dizelsko elektrarno zaradi odvisnosti od vetra ter določenih omejitev moči in hitrosti. Flettner se je obrnil na naprednejše raziskave in Baden-Baden je na koncu potonil med neurjem na Karibih leta 1931. In dolgo so pozabili na vrtljiva jadra …

Zdi se, da je bil začetek rotacijskih plovil precej uspešen, vendar se niso razvili in so bili dolgo pozabljeni. zakaj? Prvič, "oče" rotacijskih plovil A. Flettner se je poglobil v ustvarjanje helikopterjev in se prenehal zanimati za pomorski promet. Drugič, kljub vsem svojim prednostim so rotacijske ladje ostale jadrnice s svojimi lastnimi pomanjkljivostmi, med katerimi je glavna odvisnost od vetra.

Flettnerjevi rotorji so se ponovno zanimali v 80. letih dvajsetega stoletja, ko so znanstveniki začeli predlagati različne ukrepe za ublažitev segrevanja podnebja, zmanjšanje onesnaževanja in racionalnejšo rabo goriva. Eden prvih, ki se jih je spomnil, je bil francoski raziskovalec Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Da bi preizkusili delovanje turbojadralnega sistema in zmanjšali porabo goriva, je bil katamaran z dvema jamboroma "Alcyone" (Alcyone je hči boga vetrov Aeolus) preurejen v rotacijsko plovilo. Ko se je leta 1985 podal na morsko potovanje, je odpotoval v Kanado in Ameriko, obkrožil Cape Horn, obšel Avstralijo in Indonezijo, Madagaskar in Južno Afriko. Premestili so ga v Kaspijsko morje, kjer je plul tri mesece in se ukvarjal z različnimi raziskavami. Alcyone še vedno uporablja dva različna pogonska sistema – dva dizelska motorja in dve turbojadri.

Turbo jadro Cousteau

Jadrnice so gradili skozi vse 20. stoletje. V sodobnih ladjah te vrste je jadralna oborožitev zložena s pomočjo elektromotorjev, novi materiali pa omogočajo znatno olajšanje strukture. Toda jadrnica je jadrnica in ideja o uporabi vetrne energije na radikalno nov način je v zraku že od Flettnerjevih dni. In pobral jo je neutrudni pustolovec in raziskovalec Jacques-Yves Cousteau.

23. decembra 1986, potem ko je bil Alcyone, omenjen na začetku članka, so Cousteau in njegova kolega Lucien Malavar in Bertrand Charier prejeli skupni patent št. US4630997 za "napravo, ki ustvarja silo z uporabo gibljive tekočine ali plina." Splošni opis se glasi takole: »Naprava je postavljena v okolje, ki se premika v določeni smeri; v tem primeru nastane sila, ki deluje v smeri, pravokotni na prvo. Naprava se izogne uporabi masivnih jader, pri katerih je gonilna sila sorazmerna s površino jadra." Kakšna je razlika med Cousteaujevim turbojadrom in Flettnerjevim rotacijskim jadrom?

V prerezu je turbojadro nekaj podobnega podolgovate kapljice, zaobljene z ostrega konca. Na straneh "kapljice" so rešetke za dovod zraka, od katerih se (odvisno od potrebe po premikanju naprej ali nazaj) izsesa zrak. Za najbolj učinkovito sesanje vetra je v dovod zraka na turbo jadru nameščen majhen ventilator, ki ga poganja elektromotor.

Umetno poveča hitrost gibanja zraka z zavetrne strani jadra in sesa zračni tok v trenutku njegove ločitve od ravnine turbojadra. To ustvarja vakuum na eni strani turbojadra, hkrati pa preprečuje nastanek turbulentnih vrtincev. In potem deluje Magnusov učinek: redčenje na eni strani, kot rezultat - prečna sila, ki lahko spravi ladjo v gibanje. Pravzaprav je turbosail navpično postavljeno letalsko krilo, vsaj princip ustvarjanja pogonske sile je podoben principu ustvarjanja dviga letala. Za zagotovitev, da je turbojadro vedno obrnjeno proti vetru v najbolj ugodno smer, je opremljeno s posebnimi senzorji in je nameščeno na vrtljivi plošči. Mimogrede, Cousteaujev patent pomeni, da lahko zrak iz notranjosti turbo jadra izsesa ne samo ventilator, ampak tudi, na primer, zračna črpalka - tako je Cousteau zaprl vrata za naslednje "izumitelje".

Pravzaprav je Cousteau prvič preizkusil prototip turbojadra na katamaranu Moulin à Vent leta 1981. Največje uspešno jadranje katamarana je bilo potovanje iz Tangiera (Maroko) do New Yorka pod nadzorom večje ekspedicije.

In aprila 1985 je bila v pristanišču La Rochelle splavljena Alcyone, prva polnopravna ladja, opremljena s turbojadri. Zdaj je še vedno v gibanju in je danes vodilna (in pravzaprav edina velika ladja) flotile Cousteau. Turbo jadra na njem niso edini poganjalec, ampak pomagajo pri običajnem spoju dveh dizlov in

več vijakov (kar mimogrede zmanjša porabo goriva za približno tretjino). Če bi bil veliki oceanograf živ, bi verjetno zgradil še nekaj podobnih ladij, a se je navdušenje njegovih sodelavcev po odhodu Cousteauja opazno zmanjšalo.

Malo pred smrtjo leta 1997 je Cousteau aktivno delal na projektu ladje "Calypso II" s turbojadrom, vendar ga ni uspel dokončati. Po zadnjih podatkih je bila pozimi 2011 "Alkiona" v pristanišču Caen in čakala na novo odpravo.

In spet Flettner

Danes se poskuša oživiti Flettnerjevo idejo in uveljaviti rotacijska jadra. Na primer, slavno hamburško podjetje Blohm + Voss je po naftni krizi leta 1973 začelo z aktivnim razvojem rotacijskega tankerja, vendar so do leta 1986 gospodarski dejavniki prikrili ta projekt. Potem je bila cela serija amaterskih modelov.

Leta 2007 so študenti na Univerzi v Flensburgu zgradili katamaran, ki ga poganja rotacijsko jadro (Uni-cat Flensburg).

Leta 2010 se je pojavila tretja ladja z rotacijskimi jadri - težki tovornjak E-Ship 1, ki je bil zgrajen po naročilu Enercona, enega največjih proizvajalcev vetrnih turbin na svetu. 6. julija 2010 je bila ladja prvič spuščena in opravila kratko plovbo od Emdena do Bremerhavna. In že avgusta se je odpravil na prvo delovno potovanje na Irsko z obremenitvijo devetih vetrnih turbin. Plovilo je opremljeno s štirimi Flettnerjevimi rotorji in seveda s tradicionalnim pogonskim sistemom v primeru zatišja in za dodatno moč. Še vedno pa vrtljiva jadra služijo le kot pomožni propelerji: za 130-metrski tovornjak njihova moč ni dovolj za razvoj ustrezne hitrosti. Motorjev je devet elektrarn Mitsubishi, rotorje pa poganja Siemensova parna turbina, ki uporablja energijo iz izpušnih plinov. Rotacijska jadra zagotavljajo od 30 do 40 % prihranka goriva pri 16 vozlih.

A Cousteaujevo turbojadro še vedno ostaja v neki pozabi: »Alcyone« je danes edina ladja polne velikosti s tovrstnim pogonom. Izkušnje nemških ladjedelnikov bodo pokazale, ali je smiselno nadalje razvijati temo jader, ki delujejo na Magnusov učinek. Glavna stvar je najti poslovni primer za to in dokazati njegovo učinkovitost. In tam se bo ves svetovni ladijski promet premaknil na načelo, ki ga je pred več kot 150 leti opisal nadarjeni nemški znanstvenik.

2. avgusta 2010 je največji svetovni proizvajalec vetrnih elektrarn Enercon v ladjedelnici Lindenau v Kielu spustil 130-metrsko rotacijsko plovilo, široko 22 m, ki so ga kasneje poimenovali »E-Ship 1«. Nato je bil uspešno preizkušen v Severnem in Sredozemskem morju, trenutno pa prevaža vetrne generatorje iz Nemčije, kjer se proizvajajo, v druge evropske države. Razvija hitrost 17 vozlov (32 km / h), hkrati prevaža več kot 9 tisoč ton tovora, njegova posadka je 15 ljudi.

Singapurska ladjarska družba Wind Again, tehnologija za zmanjšanje goriva in emisij, ponuja posebej zasnovane Flettnerjeve rotorje (zložljive) za tankerje in tovorne ladje. Zmanjšali bodo porabo goriva za 30-40% in se bodo izplačali v 3-5 letih.

Finsko podjetje za pomorsko inženirstvo Wartsila že načrtuje prilagoditev turbojadra na križarjenjih trajektih. To je posledica želje finskega trajektnega operaterja Viking Line po zmanjšanju porabe goriva in onesnaževanja okolja.

Univerza v Flensburgu (Nemčija) preučuje uporabo Flettnerjevih rotorjev na rekreacijskih plovilih. Zdi se, da so naraščajoče cene nafte in zaskrbljujoče segrevanje podnebja ugodni pogoji za vrnitev vetrnih turbin.