Magnusa efekts un turbolaiva

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-10 21:50

Austrālijā fiziķi amatieri ir pierādījuši Magnusa efektu darbībā. Eksperimenta video, kas ievietots vietnē YouTube, ir saņēmis vairāk nekā 9 miljonus skatījumu.

Magnusa efekts ir fiziska parādība, kas rodas, kad šķidruma vai gāzes straume plūst ap rotējošu ķermeni. Kad ap to griežas lidojošs apaļš ķermenis, apkārtējie gaisa slāņi sāk cirkulēt. Tā rezultātā lidojuma laikā ķermenis maina kustības virzienu.

Eksperimentam fiziķi amatieri izvēlējās 126,5 metrus augstu aizsprostu un parastu basketbola bumbu. Sākumā bumba tika vienkārši nomesta lejā, tā lidoja paralēli aizsprostam un piezemējās iezīmētajā punktā. Otrajā reizē bumba tika nomesta, nedaudz ritinot ap savu asi. Lidojošā bumba lidoja pa neparastu trajektoriju, uzskatāmi demonstrējot Magnusa efektu.

Magnusa efekts izskaidro, kāpēc dažos sporta veidos, piemēram, futbolā, bumba lido pa dīvainu trajektoriju. Spilgtāko piemēru "nenormālajam" bumbas lidojumam varēja redzēt pēc futbolista Roberto Karlosa brīvsitiena 1997. gada 3. jūnija spēlē starp Brazīlijas un Francijas izlasēm.

Kuģis ir zem turbo burām

Slaveno dokumentālo seriālu "Kusto komandas zemūdens odiseja" uzņēma izcilais franču okeanogrāfs 20. gadsimta 60. – 70. gados. Pēc tam Cousteau galvenais kuģis tika pārveidots no britu mīnu meklētāja "Calypso". Bet vienā no nākamajām filmām - "Pasaules jaunatklāšana" - parādījās vēl viens kuģis, jahta "Alcyone".

Skatoties uz to, daudzi skatītāji sev uzdeva jautājumu: kas ir šīs dīvainās caurules, kas uzstādītas uz jahtas?.. Varbūt tās ir katlu vai dzinēju sistēmu caurules? Iedomājieties savu izbrīnu, ja uzzināsiet, ka tās ir BURAS … turboburas …

Kusto fonds jahtu "Alkion" iegādājās 1985.gadā, un šis kuģis tika uzskatīts ne tik daudz kā pētniecības kuģis, bet gan par bāzi turbolaivu – oriģinālās kuģa piedziņas sistēmas – efektivitātes izpētei. Un, kad 11 gadus vēlāk leģendārais "Kalipso" nogrima, "Alkiona" ieņēma viņas vietu kā ekspedīcijas galveno kuģi (starp citu, šodien "Calypso" tika pacelts un atrodas daļēji izlaupītā stāvoklī. Konkarneo osta).

Patiesībā turbolaivu izgudroja Kusto. Kā arī akvalangu piederumi, zemūdens apakštase un daudzas citas ierīces jūras dzīļu un okeānu virsmas izpētei. Ideja radās 80. gadu sākumā un bija radīt videi draudzīgāko, bet tajā pašā laikā ērtāko un modernāko ūdensputnu piedziņas sistēmu. Vēja enerģijas izmantošana šķita visdaudzsološākā pētniecības joma. Bet šeit ir nelaime: cilvēce izgudroja buru pirms vairākiem tūkstošiem gadu, un kas var būt vienkāršāks un loģiskāks?

Protams, Kusto un viņa kompānija saprata, ka nav iespējams uzbūvēt kuģi, ko darbina tikai buras. Precīzāk, varbūt, bet tā braukšanas veiktspēja būs ļoti viduvēja un atkarīga no laikapstākļiem un vēja virziena. Tāpēc sākotnēji tika plānots, ka jaunā "bura" būs tikai palīgspēks, kas izmantojams, lai palīdzētu parastajiem dīzeļdzinējiem. Tajā pašā laikā turbolaiva ievērojami samazinātu dīzeļdegvielas patēriņu, un stiprā vējā tas varētu kļūt par vienīgo kuģa dzinējspēku. Un pētnieku komandas skatiens pievērsās pagātnei - vācu inženiera Antona Flettnera, slavenā gaisa kuģu konstruktora, izgudrojumam, kurš sniedza nozīmīgu ieguldījumu kuģu būvē.

Fletnera rotors un Magnusa efekts

1922. gada 16. septembrī Antons Fletners saņēma Vācijas patentu tā sauktajam rotējošajam traukam. Un 1924. gada oktobrī eksperimentālais rotējošais kuģis Buckau atstāja kuģu būves uzņēmuma Friedrich Krupp krājumus Ķīlē. Tiesa, šoneris netika būvēts no nulles: pirms Flettnera rotoru uzstādīšanas tas bija parasts buru kuģis.

Fletnera ideja bija izmantot tā saukto Magnusa efektu, kura būtība ir šāda: gaisa (vai šķidruma) straumei plūstot ap rotējošu ķermeni, rodas spēks, kas ir perpendikulārs plūsmas virzienam un iedarbojas uz ķermenis. Fakts ir tāds, ka rotējošs objekts rada virpuļu kustību ap sevi. Objekta pusē, kur virpuļa virziens sakrīt ar šķidruma vai gāzes plūsmas virzienu, barotnes ātrums palielinās, bet pretējā pusē tas samazinās. Spiediena starpība un rada bīdes spēku, kas vērsts no tās puses, kur griešanās virziens un plūsmas virziens ir pretējs tai pusei, kur tie sakrīt.

Šo efektu 1852. gadā atklāja Berlīnes fiziķis Heinrihs Magnuss.

Magnusa efekts

Vācu aeronavigācijas inženieris un izgudrotājs Antons Flettners (1885-1961) iegāja navigācijas vēsturē kā cilvēks, kurš mēģināja nomainīt buras. Viņam bija iespēja ilgu laiku ceļot ar buru kuģi pāri Atlantijas un Indijas okeānam. Daudzas buras tika uzstādītas tā laikmeta buru kuģu mastos. Burāšanas aprīkojums bija dārgs, sarežģīts un aerodinamiski ne pārāk efektīvs. Pastāvīgas briesmas gaidīja jūrnieki, kuriem pat vētras laikā bija jākuģo 40-50 metru augstumā.

Brauciena laikā jaunajam inženierim radās doma buras, kas prasa lielāku piepūli, nomainīt pret vienkāršāku, bet iedarbīgāku ierīci, kuras galvenais dzinējspēks arī būtu vējš. To apdomājot, viņš atcerējās aerodinamiskos eksperimentus, ko veica viņa tautietis fiziķis Heinrihs Gustavs Magnuss (1802-1870). Viņi atklāja, ka tad, kad cilindrs griežas gaisa plūsmā, rodas šķērsspēks ar virzienu, kas ir atkarīgs no cilindra griešanās virziena (Magnus efekts).

Viens no viņa klasiskajiem eksperimentiem izskatījās šādi: “Misiņa cilindrs varēja griezties starp diviem punktiem; cilindra straujo rotāciju, tāpat kā augšpusē, nodrošināja aukla.

Rotējošais cilindrs tika ievietots rāmī, kuru, savukārt, varēja viegli pagriezt. Spēcīga gaisa strūkla tika nosūtīta uz šo sistēmu, izmantojot nelielu centrbēdzes sūkni. Cilindrs novirzījās virzienā, kas ir perpendikulārs gaisa straumei un cilindra asij, turklāt virzienā, no kura griešanās virzieni un strūkla bija vienādi "(L. Prandtl" Magnusa efekts un vēja kuģis ", 1925.).

A. Fletners uzreiz domāja, ka buras varētu aizstāt ar rotējošiem cilindriem, kas uzstādīti uz kuģa.

Izrādās, ka tur, kur cilindra virsma virzās pret gaisa plūsmu, vēja ātrums samazinās un spiediens palielinās. Cilindra otrā pusē ir otrādi - gaisa plūsmas ātrums palielinās, un spiediens samazinās. Šī spiediena atšķirība no dažādām cilindra pusēm ir dzinējspēks, kas liek kuģiem kustēties. Tas ir rotācijas iekārtu darbības pamatprincips, kas izmanto vēja spēku, lai pārvietotu kuģi. Viss ir ļoti vienkārši, bet tikai A. Fletners "nepagāja garām", lai gan Magnusa efekts ir zināms jau vairāk nekā pusgadsimtu.

Viņš plānu sāka īstenot 1923. gadā uz ezera netālu no Berlīnes. Patiesībā Fletners izdarīja diezgan vienkāršu lietu. Uz metru garas izmēģinājuma laivas viņš uzstādīja papīra cilindru-rotoru apmēram metru augstumā un 15 cm diametrā un pielāgoja pulksteņa mehānismu tā griešanai. Un laiva aizbrauca.

Buru kuģu kapteiņi ņirgājās par A. Fletnera cilindriem, ar kuriem viņš gribēja nomainīt buras. Izgudrotājam ar savu izgudrojumu izdevās ieinteresēt turīgus mākslas mecenātus. 1924. gadā 54 metrus garajam šonerim "Buckau" trīs mastu vietā tika uzstādīti divi rotora cilindri. Šos cilindrus darbināja 45 ZS dīzeļģenerators.

Bucau rotorus darbināja elektromotori. Patiesībā dizainā nebija nekādas atšķirības no klasiskajiem Magnusa eksperimentiem. Tajā pusē, kur rotors griezās pret vēju, tika izveidota paaugstināta spiediena zona, pretējā pusē zema spiediena zona. Iegūtais spēks ir tas, kas virzīja kuģi. Turklāt šis spēks bija apmēram 50 reizes lielāks nekā vēja spiediena spēks uz stacionāru rotoru!

Tas Flettneram pavēra lielas izredzes. Cita starpā rotora laukums un tā masa bija vairākas reizes mazāka par burāšanas iekārtas laukumu, kas būtu devis vienādu dzinējspēku. Rotoru bija daudz vieglāk vadīt, un tā ražošana bija diezgan lēta. No augšas Flettner pārklāja rotorus ar plākšņu plaknēm - tas palielināja piedziņas spēku apmēram divas reizes, jo gaisa plūsmas bija pareizi orientētas attiecībā pret rotoru. Optimālais rotora augstums un diametrs "Bukau" aprēķināts, vēja tunelī iepūšot topošā kuģa modeli.

Flettnera rotors izrādījās lielisks. Atšķirībā no parasta buru kuģa, rotējošais kuģis praktiski nebaidījās no sliktiem laikapstākļiem un spēcīgiem sānu vējiem, tas varēja viegli kuģot ar mainīgām līknēm 25º leņķī pret pretvēju (parastai burai ierobežojums ir aptuveni 45º). Divi cilindriski rotori (augstums 13,1 m, diametrs 1,5 m) ļāva lieliski līdzsvarot kuģi - tas izrādījās stabilāks nekā buru laiva, kas Bukau bija pirms pārstrukturēšanas.

Pārbaudes tika veiktas mierīgā laikā un vētrā un ar apzinātu pārslodzi - un nopietni trūkumi netika konstatēti. Kuģa kustībai visizdevīgākais bija vēja virziens tieši perpendikulāri kuģa asij, un kustības virzienu (uz priekšu vai atpakaļ) noteica rotoru griešanās virziens.

1925. gada februāra vidū šoneris Buckau, kas buru vietā bija aprīkots ar Fletnera rotoriem, devās no Dancigas (tagad Gdaņska) uz Skotiju. Laikapstākļi bija slikti, un lielākā daļa buru laivu neuzdrošinājās izbraukt no ostām. Ziemeļjūrā Buckau bija nopietni jācīnās ar spēcīgu vēju un lieliem viļņiem, taču šoneris sasvērās uz klāja mazāk nekā citi sastaptie buru laivas.

Šī brauciena laikā nebija nepieciešams izsaukt apkalpes locekļu klāju, lai mainītu buras atkarībā no vēja stipruma vai virziena. Pietika ar vienu pulksteņa navigatoru, kurš, neizejot no stūres mājas, varēja kontrolēt rotoru darbību. Iepriekš trīsmastu šonera apkalpē bija vismaz 20 jūrnieki, pēc tā pārveidošanas par rotācijas kuģi pietika ar 10 cilvēkiem.

Tajā pašā gadā kuģu būvētava lika pamatus otrajam rotējošajam kuģim - varenajam kravas lainerim "Barbara", ko dzen trīs 17 metrus gari rotori. Tajā pašā laikā katram rotoram pietika ar vienu nelielu motoru ar jaudu tikai 35 ZS. (pie katra rotora maksimālā griešanās ātruma 160 apgr./min)! Rotora vilce bija līdzvērtīga dzenskrūves dzenskrūvei, kas savienota ar parasto kuģa dīzeļdzinēju ar jaudu aptuveni 1000 ZS. Taču uz kuģa bija pieejams arī dīzeļdzinējs: papildus rotoriem tas iedarbināja dzenskrūvi (kas mierīga laika apstākļos palika kā vienīgā dzinējspēka iekārta).

Daudzsološi eksperimenti mudināja kuģniecības kompāniju Rob. M. Sloman no Hamburgas 1926. gadā uzbūvēt kuģi Barbara. Iepriekš bija plānots aprīkot turboburas - Fletnera rotorus. Uz 90 m gara un 13 m plata kuģa tika uzstādīti trīs rotori ar aptuveni 17 m augstumu.

Barbara, kā plānots, jau kādu laiku veiksmīgi ved augļus no Itālijas uz Hamburgu. Apmēram 30–40% no reisa laika kuģis kuģoja vēja spēka dēļ. Ar 4-6 ballu vēju "Barbara" attīstīja ātrumu 13 mezgli.

Rotācijas kuģi bija plānots izmēģināt garākos braucienos pa Atlantijas okeānu.

Taču 20. gadu beigās sākās Lielā depresija. 1929. gadā čartera kompānija atteicās no turpmākās Barbaras nomas un tika pārdota. Jaunais īpašnieks noņēma rotorus un pārkārtoja kuģi pēc tradicionālās shēmas. Tomēr rotors zaudēja skrūvju dzenskrūves kombinācijā ar parasto dīzeļa spēkstaciju, pateicoties tā atkarībai no vēja un noteiktiem jaudas un ātruma ierobežojumiem. Flettners pievērsās progresīvākiem pētījumiem, un Bādenbādene galu galā nogrima vētras laikā Karību jūras reģionā 1931. gadā. Un viņi ilgu laiku aizmirsa par rotējošām burām …

Šķiet, ka rotācijas kuģu sākums bija diezgan veiksmīgs, taču tie nesaņēma attīstību un ilgu laiku tika aizmirsti. Kāpēc? Pirmkārt, rotējošo kuģu "tēvs" A. Fletners iegrima helikopteru izveidē un pārstāja interesēties par jūras transportu. Otrkārt, neskatoties uz visām priekšrocībām, rotējošie kuģi ir palikuši buru kuģi ar tiem raksturīgajiem trūkumiem, no kuriem galvenais ir atkarība no vēja.

Flettnera rotorus atkal interesēja divdesmitā gadsimta 80. gadi, kad zinātnieki sāka piedāvāt dažādus pasākumus klimata sasilšanas mazināšanai, piesārņojuma samazināšanai un racionālākai degvielas izmantošanai. Viens no pirmajiem, kas tos atcerējās, bija franču pētnieks Žaks Īvs Kusto (1910–1997). Lai pārbaudītu turbolaivas sistēmas darbību un samazinātu degvielas patēriņu, divmastu katamarāns "Alcyone" (Alcyone ir vēju dieva Eola meita) tika pārveidots par rotējošu kuģi. 1985. gadā devies jūras ceļojumā, viņš apceļoja Kanādu un Ameriku, apbrauca Horna ragu, apbrauca Austrāliju un Indonēziju, Madagaskaru un Dienvidāfriku. Viņš tika pārvests uz Kaspijas jūru, kur viņš kuģoja trīs mēnešus, veicot dažādus pētījumus. Alcyone joprojām izmanto divas dažādas piedziņas sistēmas – divus dīzeļdzinējus un divus turboburas.

Turbo bura Kusto

Buru laivas tika būvētas visu 20. gadsimtu. Mūsdienu šāda veida kuģos buru bruņojums tiek salocīts ar elektromotoru palīdzību, jauni materiāli ļauj ievērojami atvieglot konstrukciju. Bet buru laiva ir buru laiva, un ideja par vēja enerģijas izmantošanu radikāli jaunā veidā ir bijusi gaisā kopš Fletnera laikiem. Un viņu savāca nenogurstošais piedzīvojumu meklētājs un pētnieks Žaks-Īvs Kusto.

1986. gada 23. decembrī pēc raksta sākumā minētās Alcyone palaišanas Kusto un viņa kolēģi Lūsjēns Malavars un Bertrāns Čārjē saņēma kopīgo patentu Nr. US4630997 par ierīci, kas rada spēku, izmantojot kustīgu šķidrumu vai gāzi.”. Vispārējais apraksts skan šādi: “Ierīce ir novietota vidē, kas kustas noteiktā virzienā; šajā gadījumā rodas spēks, kas darbojas virzienā, kas ir perpendikulārs pirmajam. Ierīce izvairās no masīvu buru izmantošanas, kurās dzinējspēks ir proporcionāls buras laukumam. Kāda ir atšķirība starp Kusto turboburu un Fletnera rotējošo buru?

Šķērsgriezumā turbolaiva ir kaut kas līdzīgs iegarenai pilei, kas noapaļota no asā gala. "Piliena" malās atrodas gaisa ieplūdes restes, pa vienu no kurām (atkarībā no nepieciešamības virzīties uz priekšu vai atpakaļ) tiek izsūkts gaiss. Visefektīvākai vēja nosūkšanai turbo buras gaisa ieplūdē ir uzstādīts neliels ventilators, ko darbina elektromotors.

Tas mākslīgi palielina gaisa kustības ātrumu no buras aizvēja puses, iesūcot gaisa plūsmu tās atdalīšanas brīdī no turboburas plaknes. Tas rada vakuumu vienā turbolaivas pusē, vienlaikus novēršot turbulentu virpuļu veidošanos. Un tad iedarbojas Magnusa efekts: retināšana vienā pusē, kā rezultātā - šķērsvirziena spēks, kas spēj iekustināt kuģi. Patiesībā turbolaiva ir vertikāli novietots lidmašīnas spārns, vismaz dzinējspēka radīšanas princips ir līdzīgs lidmašīnas pacēluma veidošanas principam. Lai turbolaiva vienmēr būtu pagriezta pret vēju izdevīgākajā virzienā, tā ir aprīkota ar speciāliem sensoriem un tiek uzstādīta uz pagrieziena galda. Starp citu, Kusto patents paredz, ka gaisu no turboburas iekšpuses var izsūkt ne tikai ar ventilatoru, bet arī, piemēram, ar gaisa sūkni – tādējādi Kusto aizvēra vārtus nākamajiem “izgudrotājiem”.

Patiesībā pirmo reizi Kusto izmēģināja turbolaivas prototipu uz Moulin à Vent katamarāna 1981. gadā. Lielākais veiksmīgais katamarāna burājums bija brauciens no Tanžeras (Maroka) uz Ņujorku lielāka ekspedīcijas kuģa uzraudzībā.

Un 1985. gada aprīlī Larošelas ostā tika palaists Alcyone, pirmais pilnvērtīgais kuģis, kas aprīkots ar turboburām. Tagad viņa joprojām ir kustībā un šodien ir Kusto flotiles flagmanis (un faktiski vienīgais lielais kuģis). Turbo buras uz tā nav vienīgais kustinātājs, bet tās palīdz ierastajai divu dīzeļu sakabes un

vairākas skrūves (kas, starp citu, samazina degvielas patēriņu par aptuveni trešdaļu). Ja lielais okeanogrāfs būtu dzīvs, viņš droši vien būtu uzbūvējis vēl vairākus līdzīgus kuģus, taču viņa domubiedru entuziasms pēc Kusto aiziešanas manāmi mazinājās.

Īsi pirms savas nāves 1997.gadā Kusto aktīvi strādāja pie kuģa "Calypso II" ar turbolaivu projekta, taču nepaguva to pabeigt. Pēc pēdējiem datiem, 2011.gada ziemā "Alkiona" atradās Kānas ostā un gaidīja jaunu ekspedīciju.

Un atkal Fletners

Mūsdienās tiek mēģināts atdzīvināt Fletnera ideju un padarīt rotācijas buras par galveno. Piemēram, slavenā Hamburgas kompānija Blohm + Voss pēc 1973. gada naftas krīzes sāka aktīvu rotācijas tankkuģa izstrādi, bet līdz 1986. gadam ekonomiskie faktori šo projektu piesedza. Tad bija vesela virkne amatieru dizainu.

2007. gadā Flensburgas universitātes studenti uzbūvēja katamarānu, ko darbina rotējoša bura (Uni-cat Flensburg).

2010. gadā parādījās trešais kuģis ar rotējošām burām - smagais kravas automobilis E-Ship 1, kas tika uzbūvēts pēc Enercon, viena no lielākajiem vēja turbīnu ražotājiem pasaulē, pasūtījuma. 2010. gada 6. jūlijā kuģis pirmo reizi tika nolaists ūdenī un veica nelielu reisu no Emdenas uz Brēmerhafenu. Un jau augustā viņš ar deviņu vēja turbīnu kravu devās savā pirmajā darba braucienā uz Īriju. Kuģis ir aprīkots ar četriem Flettner rotoriem un, protams, tradicionālo piedziņas sistēmu miera gadījumā un papildu jaudai. Tomēr rotācijas buras kalpo tikai kā palīgpropelleri: 130 metru kravas automašīnai to jauda nav pietiekama, lai attīstītu pareizu ātrumu. Dzinēji ir deviņas Mitsubishi spēkstacijas, un rotorus darbina Siemens tvaika turbīna, kas izmanto enerģiju no izplūdes gāzēm. Rotācijas buras nodrošina 30 līdz 40% degvielas ietaupījumu pie 16 mezgliem.

Taču Kusto turbolaiva joprojām ir aizmirstībā: "Alcyone" šodien ir vienīgais pilna izmēra kuģis ar šāda veida piedziņu. Vācu kuģu būvētāju pieredze rādīs, vai ir jēga tālāk attīstīt uz Magnusa efekta darbojošos buru tēmu. Galvenais ir atrast šim biznesa pamatojumu un pierādīt tā efektivitāti. Un tur, redz, visa pasaules kuģniecība pāries uz to principu, kādu talantīgs vācu zinātnieks aprakstīja pirms vairāk nekā 150 gadiem.

2010. gada 2. augustā Lindenau kuģu būvētavā Ķīlē pasaulē lielākais vēja elektrostaciju ražotājs Enercon palaida ūdenī 130 metrus garu, 22 m platu rotējošu kuģi, kas vēlāk tika nosaukts par "E-Ship 1". Pēc tam tas tika veiksmīgi izmēģināts Ziemeļjūrā un Vidusjūrā, un šobrīd vēja ģeneratorus transportē no Vācijas, kur tie tiek ražoti, uz citām Eiropas valstīm. Tas attīsta ātrumu 17 mezgli (32 km/h), vienlaikus pārvadā vairāk nekā 9 tūkstošus tonnu kravas, tā apkalpe ir 15 cilvēki.

Singapūrā bāzētā kuģniecības kompānija Wind Again, degvielas un izmešu samazināšanas tehnoloģija, piedāvā īpaši izstrādātus Flettner rotorus (saliekamus) tankkuģiem un kravas kuģiem. Tie samazinās degvielas patēriņu par 30-40% un atmaksāsies 3-5 gadu laikā.

Somijas kuģniecības inženieru kompānija Wartsila jau plāno pielāgot turbolaivas kruīza prāmjiem. Tas saistīts ar Somijas prāmju operatora Viking Line vēlmi samazināt degvielas patēriņu un vides piesārņojumu.

Flettner rotoru izmantošanu izpriecu kuģiem pēta Flensburgas Universitāte (Vācija). Šķiet, ka pieaugošās naftas cenas un satraucošā klimata sasilšana ir labvēlīgi apstākļi vēja turbīnu atgriešanai.