Una turbovela es un dispositivo de propulsión marina de tipo rotor que genera empuje a partir de la energía eólica gracias a un fenómeno físico conocido como efecto Magnus.

Una turbovela funciona basándose en un proceso físico que ocurre cuando un fluido o gas fluye alrededor de un cuerpo cilíndrico o redondo giratorio, conocido como efecto Magnus. El fenómeno debe su nombre al científico prusiano Heinrich Magnus, quien lo describió en 1853.

Imaginemos una bola o cilindro que gira en un flujo de gas o líquido lavándolos. En este caso, el cuerpo cilíndrico debe girar a lo largo de su eje longitudinal. Durante este proceso surge una fuerza cuyo vector es perpendicular a la dirección del flujo. ¿Por qué está pasando esto? En el lado del cuerpo donde coinciden la dirección de rotación y el vector de flujo, la velocidad del aire o del medio líquido aumenta y la presión, de acuerdo con la ley de Bernoulli, disminuye. En el lado opuesto del cuerpo, donde los vectores de rotación y flujo son multidireccionales, la velocidad del medio disminuye, como si se desacelerara, y la presión aumenta. La diferencia de presión que surge en lados opuestos de un cuerpo en rotación genera una fuerza transversal. En aerodinámica, se conoce como la fuerza de sustentación que mantiene en vuelo una nave más pesada que el aire. En el caso de las velas de rotor, se trata de una fuerza con un vector perpendicular a la dirección del viento que actúa sobre una vela de rotor montada verticalmente en la cubierta y que gira a lo largo del eje longitudinal.

Velas giratorias Flettner

El fenómeno físico descrito fue utilizado por el ingeniero alemán Anton Flettner al crear un nuevo tipo de motor marino. Su vela de rotor parecía torres de energía eólica cilíndricas giratorias. En 1922, el inventor recibió una patente para su dispositivo, y en 1924, el primer barco giratorio de la historia, la goleta reconvertida Bukau, salió del cepo.
Las turbovelas Bukau estaban propulsadas por motores eléctricos. En el lado donde la superficie del rotor giraba hacia el viento, de acuerdo con el efecto Magnus, se creó un área de mayor presión, y en el lado opuesto, una menor. Como resultado, surgió un empuje que movió el barco, sujeto a la presencia de viento lateral. Flettner colocó placas planas encima de los cilindros del rotor para una mejor orientación del flujo de aire alrededor del cilindro. Esto hizo posible duplicar la fuerza motriz. Posteriormente, un cilindro-rotor de metal hueco giratorio que utiliza el efecto Magnus para crear empuje lateral recibió el nombre de su creador.

En las pruebas, las turbovelas de Flettner tuvieron un rendimiento excelente. A diferencia de un velero convencional, un fuerte viento lateral sólo mejoró el rendimiento del barco experimental. Dos rotores cilíndricos permitieron equilibrar mejor el barco. Al mismo tiempo, al cambiar la dirección de rotación de los rotores, fue posible cambiar el movimiento del barco hacia adelante o hacia atrás. Por supuesto, la dirección del viento más ventajosa para crear empuje era estrictamente perpendicular al eje longitudinal del barco.

Turbovela de Cousteau

Los veleros se construyeron en el siglo XX y todavía se construyen en el XXI. Las velas modernas están hechas de materiales sintéticos más ligeros y resistentes, y el aparejo se pliega rápidamente mediante motores eléctricos, lo que libera a las personas del trabajo físico.

Sin embargo, la idea de un sistema fundamentalmente nuevo que utilizara la energía eólica para crear el empuje del barco estaba en el aire. Fue recogido por el explorador e inventor francés Jacques-Yves Cousteau. Como oceanógrafo, quedó muy impresionado por el uso del viento como fuente de energía gratuita, renovable y absolutamente respetuosa con el medio ambiente. A principios de la década de 1980, comenzó a trabajar en la creación de propulsores de este tipo para barcos modernos. Tomó como base las turbovelas de Flettner, pero modernizó significativamente el sistema, haciéndolo más complejo, pero al mismo tiempo aumentando su eficiencia.

¿Cuál es la diferencia entre una turbovela Cousteau y un sistema de propulsión Flettner? El diseño de Cousteau es un tubo metálico hueco montado verticalmente que tiene un perfil aerodinámico y funciona según el mismo principio que el ala de un avión. En sección transversal, el tubo tiene forma de gota o de huevo. En sus laterales hay rejillas de entrada de aire por donde se bombea el aire mediante un sistema de bombas. Y entonces entra en juego el efecto Magnus. La turbulencia del aire crea una diferencia de presión dentro y fuera de la vela. Se crea un vacío en un lado de la tubería y un sello en el otro. Como resultado, surge una fuerza lateral que hace que el barco se mueva. Básicamente, una turbovela es un ala aerodinámica montada verticalmente: en un lado el aire fluye más lentamente que en el otro, creando una diferencia de presión y un empuje lateral. Se utiliza un principio similar para crear sustentación en un avión. La turbovela está equipada con sensores automáticos y está montada sobre una plataforma giratoria controlada por una computadora. La máquina inteligente posiciona el rotor teniendo en cuenta el viento y ajusta la presión del aire en el sistema.

Cousteau probó por primera vez un prototipo de su turbovela en 1981 en el catamarán Moulin à Vent mientras navegaba por el Océano Atlántico. Durante el viaje, el catamarán estuvo acompañado por un barco de expedición más grande por seguridad. La turbovela experimental proporcionó empuje, pero menos que las velas y los motores tradicionales. Además, al final del viaje, debido a la fatiga del metal, las costuras de soldadura estallaron bajo la presión del viento y la estructura cayó al agua. Sin embargo, la idea en sí se confirmó y Cousteau y sus colegas se centraron en desarrollar un recipiente giratorio más grande, el Halsion. Fue botado en 1985. Las turbovelas que lleva son un complemento a la combinación de dos motores diésel y varias hélices y permiten ahorrar un tercio del consumo de combustible. Incluso 20 años después de la muerte de su creador, Alsion sigue en movimiento y sigue siendo el buque insignia de la flotilla de Cousteau.

Turbosail versus alas de lona

Incluso en comparación con las mejores velas modernas, un turbovela-rotor proporciona 4 veces el coeficiente de empuje. A diferencia de un velero, un fuerte viento lateral no sólo no es peligroso para un barco giratorio, sino que es más beneficioso para su avance. Se mueve bien incluso con viento en contra en un ángulo de 250. Al mismo tiempo, un barco con velas tradicionales "ama" sobre todo el viento de cola.

Conclusiones y perspectivas

Ahora se han instalado réplicas exactas de las velas de Flettner como propulsores auxiliares en el carguero alemán E-Ship-1. Y su modelo mejorado se utiliza en el yate Alsion, propiedad de la Fundación Jacques-Yves Cousteau.
Así, actualmente existen dos tipos de sistemas de propulsión para el sistema Turbosail. Una vela de rotor convencional, inventada por Flettner a principios del siglo XX, y su versión modernizada por Jacques-Yves Cousteau. En el primer modelo, la fuerza neta surge del exterior de los cilindros giratorios; en la segunda versión, más compleja, las bombas eléctricas crean una diferencia de presión de aire dentro de un tubo hueco.

La primera turbovela es capaz de propulsar el barco sólo con viento cruzado. Es por esta razón que las turbovelas de Flettner no se han generalizado en la construcción naval mundial. Característica de diseño Las turbovelas de Cousteau permiten obtener fuerza motriz independientemente de la dirección del viento. Un barco equipado con este tipo de propulsores puede incluso navegar contra el viento, lo que supone una ventaja innegable frente a las velas convencionales y a las velas de rotor. Pero a pesar de estas ventajas, el sistema Cousteau tampoco se puso en producción.

Esto no quiere decir que no se estén haciendo estos días intentos de hacer realidad la idea de Flettner. Hay varios proyectos de aficionados. En 2010, se construyó el tercer barco de la historia, después del Bukau y el Alsion, con velas de rotor: un camión alemán de clase Ro-Lo de 130 metros. El sistema de propulsión del barco consta de dos pares de rotores giratorios y un par de motores diésel en caso de calma y para crear tracción adicional. Las velas de rotor desempeñan el papel de motores auxiliares: para un barco con un desplazamiento de 10,5 mil toneladas, cuatro torres de energía eólica en cubierta no son suficientes. Sin embargo, estos dispositivos pueden ahorrar hasta un 40% de combustible en cada vuelo.
Pero el sistema Cousteau quedó injustamente relegado al olvido, aunque se demostró la viabilidad económica del proyecto. Hoy en día, el Alsion es el único barco completo con este tipo de propulsión. No parece claro por qué el sistema no se utiliza con fines comerciales, en particular en buques de carga, ya que permite ahorrar hasta un 30% de combustible diésel, es decir, dinero.

P. MANTASHYAN.

Seguimos publicando la versión de revista del artículo de P. N. Mantashyan “Vortexes: from the molecula to the Galaxy” (ver “Ciencia y vida No.”). Hablaremos de tornados y tornados: formaciones naturales de enorme poder destructivo, cuyo mecanismo de aparición aún no está del todo claro.

Ciencia y vida // Ilustraciones

Ciencia y vida // Ilustraciones

Un dibujo de un libro del físico estadounidense Benjamin Franklin, que explica el mecanismo de los tornados.

El rover Spirit descubrió que en la fina atmósfera de Marte se producen tornados y los fotografió. Foto del sitio web de la NASA.

Los tornados y tornados gigantes que se producen en las llanuras del sur de Estados Unidos y China son un fenómeno formidable y muy peligroso.

Ciencia y vida // Ilustraciones

Un tornado puede alcanzar un kilómetro de altura y apoya su vértice en una nube de tormenta.

Un tornado en el mar levanta y arrastra decenas de toneladas de agua junto con vida marina y puede romper y hundir un barco pequeño. En la era de los veleros, intentaban destruir un tornado disparándole con cañones.

La imagen muestra claramente que el tornado gira, formando una espiral con el aire, el polvo y el agua de lluvia.

La ciudad de Kansas City, convertida en ruinas por un potente tornado.

Fuerzas que actúan sobre un tifón en el flujo de los vientos alisios.

Ley de Ampere.

Fuerzas de Coriolis sobre un plato giratorio.

Efecto Magnus en la mesa y en el aire.

El movimiento del aire en forma de vórtice se observa no solo en los tifones. Hay vórtices más grandes que un tifón: son ciclones y anticiclones, los vórtices de aire más grandes del planeta. Sus tamaños superan significativamente el tamaño de los tifones y pueden alcanzar más de mil kilómetros de diámetro. En cierto sentido, estos son vórtices antípodas: tienen casi todo al revés. Los ciclones de los hemisferios norte y sur giran en la misma dirección que los tifones de estos hemisferios y los anticiclones giran en la dirección opuesta. Un ciclón trae consigo inclemencias del tiempo acompañadas de precipitaciones, mientras que un anticiclón, por el contrario, trae consigo un tiempo despejado y soleado. El esquema de formación de un ciclón es bastante simple: todo comienza con la interacción de frentes atmosféricos fríos y cálidos. En este caso, parte del frente atmosférico cálido penetra en el interior del frío en forma de una especie de “lengua” atmosférica, por lo que el aire cálido, más ligero, comienza a ascender, y al mismo tiempo se producen dos procesos. En primer lugar, las moléculas de vapor de agua, bajo la influencia del campo magnético de la Tierra, comienzan a girar e involucran todo el aire ascendente en el movimiento de rotación, formando un remolino de aire gigante (ver “Ciencia y vida” No.). En segundo lugar, el aire cálido de arriba se enfría y el vapor de agua que contiene se condensa en nubes, que caen en forma de precipitación en forma de lluvia, granizo o nieve. Un ciclón de este tipo puede arruinar el tiempo durante un período de varios días a dos o tres semanas. Su “actividad vital” se sustenta en la llegada de nuevas porciones de aire cálido y húmedo y su interacción con el frente de aire frío.

Los anticiclones están asociados al descenso de masas de aire, que al mismo tiempo se calientan adiabáticamente, es decir, sin intercambio de calor con el medio ambiente, su humedad relativa desciende, lo que provoca la evaporación de las nubes existentes. Al mismo tiempo, debido a la interacción de las moléculas de agua con el campo magnético de la Tierra, se produce una rotación anticiclónica del aire: en el hemisferio norte, en el sentido de las agujas del reloj, en el hemisferio sur, en el sentido contrario a las agujas del reloj. Los anticiclones traen consigo un tiempo estable durante un período que va desde varios días hasta dos o tres semanas.

Aparentemente, los mecanismos de formación de ciclones, anticiclones y tifones son idénticos, y la intensidad energética específica (energía por unidad de masa) de los tifones es mucho mayor que la de los ciclones y anticiclones, solo debido a más alta temperatura Masas de aire calentadas por la radiación solar.

Tornados

De todos los vórtices que se forman en la naturaleza, los más misteriosos son los tornados, de hecho, forman parte de una nube de tormenta. Al principio, en la primera etapa de un tornado, la rotación sólo es visible en la parte inferior de la nube de tormenta. Luego, parte de esta nube cuelga en forma de un embudo gigante, que se hace cada vez más largo y finalmente llega a la superficie de la tierra o del agua. Aparece un tronco gigante, colgado de una nube, que consta de una cavidad interna y paredes. La altura de un tornado varía desde cientos de metros hasta un kilómetro y suele ser igual a la distancia desde la base de la nube hasta la superficie de la tierra. Un rasgo característico de la cavidad interna es la presión reducida del aire en ella. Esta característica de un tornado lleva al hecho de que la cavidad del tornado sirve como una especie de bomba que puede aspirar una gran cantidad de agua del mar o lago, junto con animales y plantas, transportarlos a distancias considerables y arrojarlos. ellos caen junto con la lluvia. Un tornado es capaz de transportar cargas bastante grandes: automóviles, carros, barcos pequeños, edificios pequeños y, a veces, incluso personas en ellos. Un tornado tiene un poder destructivo gigantesco. Cuando entra en contacto con edificios, puentes, líneas eléctricas y otras infraestructuras, causa una enorme destrucción.

Los tornados tienen una intensidad energética específica máxima, que es proporcional al cuadrado de la velocidad de los flujos de aire del vórtice. Según la clasificación meteorológica, cuando la velocidad del viento en un vórtice cerrado no supera los 17 m/s, se llama depresión tropical, pero si la velocidad del viento no supera los 33 m/s, entonces es tormenta tropical, y si la velocidad del viento es de 34 m/s o más, entonces esto ya es un tifón. En tifones potentes, la velocidad del viento puede superar los 60 m/s. En un tornado, según varios autores, la velocidad del aire puede alcanzar de 100 a 200 m/s (algunos autores señalan que en un tornado la velocidad del aire es supersónica, superior a 340 m/s). Las mediciones directas de la velocidad de las corrientes de aire en los tornados son prácticamente imposibles con el nivel actual de desarrollo tecnológico. Todos los dispositivos diseñados para registrar los parámetros de un tornado son rotos sin piedad por ellos en el primer contacto. La velocidad de los flujos en los tornados se juzga por signos indirectos, principalmente por la destrucción que producen o por el peso de las cargas que transportan. Además, característica distintiva tornado clásico: la presencia de una nube de tormenta desarrollada, una especie de batería eléctrica que aumenta la intensidad energética específica del tornado. Para comprender el mecanismo de aparición y desarrollo de un tornado, consideremos primero la estructura de una nube de tormenta.

NUBE DE TORMENTA

En una nube de tormenta típica, la parte superior está cargada positivamente y la base está cargada negativamente. Es decir, un condensador eléctrico gigante de muchos kilómetros de tamaño flota en el aire, sostenido por corrientes ascendentes. La presencia de un condensador de este tipo conduce al hecho de que en la superficie de la tierra o del agua sobre la que se encuentra la nube, aparece su rastro eléctrico: una carga eléctrica inducida que tiene un signo opuesto al signo de la carga de la base de la nube, es decir, la superficie terrestre estará cargada positivamente.

Por cierto, el experimento sobre la creación de una carga eléctrica inducida se puede realizar en casa. Coloca pequeños trozos de papel sobre la superficie de la mesa, peina el cabello seco con un peine de plástico y acerca el peine a los trozos de papel espolvoreados. Todos ellos, levantando la vista de la mesa, correrán hacia el peine y se pegarán a él. El resultado de este sencillo experimento se puede explicar de forma muy sencilla. El peine recibió una carga eléctrica como resultado de la fricción con el cabello, y en el trozo de papel induce una carga de signo opuesto, que atrae los trozos de papel hacia el peine en total conformidad con la ley de Coulomb.

Cerca de la base de una nube de tormenta desarrollada, hay un poderoso flujo ascendente de aire saturado de humedad. Además de las moléculas de agua dipolo, que comienzan a girar en el campo magnético de la Tierra, transmitiendo impulso a las moléculas de aire neutras y haciéndolas girar, hay iones positivos y electrones libres en el flujo ascendente. Pueden formarse como resultado de la influencia de la radiación solar sobre las moléculas, del fondo radiactivo natural de la zona y, en el caso de una nube de tormenta, debido a la energía del campo eléctrico entre la base de la nube de tormenta y el suelo ( ¡Recuerde la carga eléctrica inducida!). Por cierto, debido a la carga positiva inducida en la superficie de la tierra, la cantidad de iones positivos en el flujo de aire ascendente excede significativamente la cantidad de iones negativos. Todas estas partículas cargadas, bajo la influencia del flujo de aire ascendente, se precipitan hacia la base de la nube de tormenta. Sin embargo, las velocidades verticales de las partículas positivas y negativas en un campo eléctrico son diferentes. La intensidad del campo se puede estimar por la diferencia de potencial entre la base de la nube y la superficie de la Tierra; según las mediciones de los investigadores, es de varias decenas de millones de voltios, lo que, con una altura de la base de la nube de tormenta de De uno a dos kilómetros, se obtiene una intensidad de campo eléctrico de decenas de miles de voltios por metro. Este campo acelerará los iones positivos y retardará los iones y electrones negativos. Por lo tanto, por unidad de tiempo, pasarán más cargas positivas a través de la sección transversal del flujo ascendente que negativas. En otras palabras, surgirá una corriente eléctrica entre la superficie terrestre y la base de la nube, aunque sería más correcto hablar de una gran cantidad de corrientes elementales que conectan la superficie terrestre con la base de la nube. Todas estas corrientes son paralelas y fluyen en la misma dirección.

Está claro que, según la ley de Ampere, interactuarán entre sí, es decir, se atraerán. Por el curso de física se sabe que la fuerza de atracción mutua por unidad de longitud de dos conductores con corrientes eléctricas que fluyen en la misma dirección es directamente proporcional al producto de las fuerzas de estas corrientes e inversamente proporcional a la distancia entre los conductores.

La atracción entre dos conductores eléctricos se debe a las fuerzas de Lorentz. Los electrones que se mueven dentro de cada conductor están influenciados por el campo magnético creado por la corriente eléctrica en el conductor adyacente. Sobre ellos actúa la fuerza de Lorentz, dirigida a lo largo de una línea recta que conecta los centros de los conductores. Pero para que surja la fuerza de atracción mutua, la presencia de conductores es completamente innecesaria: las corrientes mismas son suficientes. Por ejemplo, dos partículas en reposo que tienen la misma carga eléctrica se repelen según la ley de Coulomb, pero las mismas partículas que se mueven en la misma dirección son atraídas hasta que las fuerzas de atracción y repulsión se equilibran. Es fácil ver que la distancia entre partículas en la posición de equilibrio depende únicamente de su velocidad.

Debido a la atracción mutua de las corrientes eléctricas, las partículas cargadas se precipitan hacia el centro de la nube de tormenta, interactuando con moléculas eléctricamente neutras a lo largo del camino y también moviéndolas hacia el centro de la nube de tormenta. El área de la sección transversal del flujo ascendente disminuirá varias veces y, dado que el flujo gira, de acuerdo con la ley de conservación del momento angular, su velocidad angular aumentará. Al flujo ascendente le sucederá lo mismo que a una patinadora artística que, girando sobre el hielo con los brazos extendidos, los presiona contra su cuerpo, provocando que su velocidad de rotación aumente bruscamente (un ejemplo de libro de texto de física que podemos ver en ¡TELEVISOR!). Un aumento tan brusco en la velocidad de rotación del aire en un tornado con una disminución simultánea de su diámetro conducirá a un aumento correspondiente en la velocidad lineal del viento, que, como se mencionó anteriormente, puede incluso exceder la velocidad del sonido.

Es la presencia de una nube de tormenta, cuyo campo eléctrico separa por signos las partículas cargadas, lo que lleva al hecho de que las velocidades de las corrientes de aire en un tornado superan las velocidades de las corrientes de aire en un tifón. En sentido figurado, una nube de tormenta actúa como una especie de "lente eléctrica", en cuyo foco se concentra la energía de un flujo ascendente de aire húmedo, lo que conduce a la formación de un tornado.

PEQUEÑOS VORTEXES

También hay vórtices cuyo mecanismo de formación no está relacionado en modo alguno con la rotación de una molécula de agua dipolo en un campo magnético. Los más comunes son los remolinos de polvo. Se forman en zonas desérticas, esteparias y montañosas. En tamaño, son inferiores a los tornados clásicos, su altura es de unos 100-150 metros y su diámetro es de varios metros. Para la formación de remolinos de polvo, una condición necesaria es una llanura desértica y bien calentada. Una vez formado, dicho vórtice existe durante un tiempo bastante corto, de 10 a 20 minutos, y todo este tiempo se mueve bajo la influencia del viento. A pesar de que el aire del desierto prácticamente no contiene humedad, su movimiento de rotación está garantizado por la interacción de cargas elementales con el campo magnético de la Tierra. Sobre una llanura fuertemente calentada por el sol, surge una poderosa corriente de aire ascendente, algunas de cuyas moléculas, bajo la influencia de la radiación solar y especialmente de su parte ultravioleta, se ionizan. Los fotones de la radiación solar eliminan electrones de las capas electrónicas externas de los átomos de aire, formando pares de iones positivos y electrones libres. Debido a que los electrones y los iones positivos tienen masas significativamente diferentes con cargas iguales, su contribución a la creación del momento angular del vórtice es diferente y la dirección de rotación del vórtice de polvo está determinada por la dirección de rotación de los iones positivos. . Una columna giratoria de aire seco de este tipo, a medida que se mueve, levanta polvo, arena y pequeños guijarros de la superficie del desierto, que en sí mismos no desempeñan ningún papel en el mecanismo de formación de remolinos de polvo, pero sirven como una especie de indicador de rotación del aire.

En la literatura también se describen los vórtices de aire, un fenómeno natural bastante raro. Aparecen durante las horas calurosas del día en las orillas de ríos o lagos. La vida de estos vórtices es corta; aparecen inesperadamente y desaparecen con la misma rapidez. Al parecer, a su creación contribuyen tanto las moléculas de agua como los iones que se forman en el aire cálido y húmedo debido a la radiación solar.

Mucho más peligrosos son los vórtices de agua, cuyo mecanismo de formación es similar. Se conserva la descripción: “En julio de 1949, en el estado de Washington, en un día cálido y soleado bajo un cielo despejado, apareció una alta columna de agua pulverizada en la superficie del lago. Existió sólo unos minutos, pero tenía un poder de elevación significativo. Al acercarse a la orilla del río, levantó una lancha a motor bastante pesada de unos cuatro metros de largo, la llevó varias decenas de metros y, al golpear el suelo, la rompió en pedazos. Los vórtices de agua son más comunes allí donde la superficie del agua está fuertemente calentada por el sol, en zonas tropicales y subtropicales".

Durante los grandes incendios pueden producirse corrientes de aire arremolinadas. Estos casos están descritos en la literatura; presentamos uno de ellos. “En 1840, se talaron bosques para convertirlos en campos en los Estados Unidos. En un gran claro se arrojó una gran cantidad de maleza, ramas y árboles. Fueron prendidos fuego. Después de un tiempo, las llamas de los distintos incendios se juntaron formando una columna de fuego, ancha abajo y puntiaguda arriba, de 50 a 60 metros de altura. Aún más arriba, el fuego dio paso al humo que se elevaba hacia el cielo. El torbellino de fuego y humo giraba a una velocidad asombrosa. La majestuosa y aterradora vista fue acompañada por un fuerte ruido, que recuerda a un trueno. La fuerza del torbellino fue tan grande que levantó grandes árboles en el aire y los arrojó a un lado”.

Consideremos el proceso de formación de un tornado de fuego. Cuando la madera se quema, se libera calor, que se convierte parcialmente en energía cinética del flujo ascendente de aire caliente. Sin embargo, durante la combustión ocurre otro proceso: la ionización del aire y los productos de combustión.

combustible. Y aunque en general el aire calentado y los productos de combustión de combustible son eléctricamente neutros, en la llama se forman iones cargados positivamente y electrones libres. El movimiento del aire ionizado en el campo magnético de la Tierra conducirá inevitablemente a la formación de un tornado de fuego.

Me gustaría señalar que el movimiento del aire en vórtices se produce no solo durante los grandes incendios. En su libro “Tornados”, D.V. Nalivkin hace las siguientes preguntas: “Ya hemos hablado más de una vez sobre los misterios asociados con los vórtices de pequeña dimensión, ¿tratamos de entender por qué giran todos los vórtices? También surgen otras preguntas. Por qué, cuando se quema la paja, el aire caliente no se eleva en línea recta, sino en espiral y comienza a girar. El aire caliente se comporta de la misma manera en el desierto. ¿Por qué no sube sin polvo? Lo mismo ocurre con el agua pulverizada y las salpicaduras cuando el aire caliente corre sobre la superficie del agua”.

Hay vórtices que surgen durante las erupciones volcánicas, por ejemplo, se observaron sobre el Vesubio; En la literatura, se les llama vórtices de ceniza: en el movimiento del vórtice participan las nubes de ceniza que hacen erupción un volcán. El mecanismo de formación de tales vórtices es, en términos generales, similar al mecanismo de formación de tornados de fuego.

Veamos ahora qué fuerzas actúan sobre los tifones en la turbulenta atmósfera de nuestra Tierra.

FUERZA CORIOLIS

Un cuerpo que se mueve en un sistema de referencia giratorio, por ejemplo, sobre la superficie de un disco o bola en rotación, está sujeto a una fuerza de inercia llamada fuerza de Coriolis. Esta fuerza está determinada por el producto vectorial (la numeración de fórmulas comienza en la primera parte del artículo)

FK =2M[ VΩ], (20)

Dónde METRO- masa corporal; V es el vector de velocidad del cuerpo; Ω - vector de velocidad angular de rotación del sistema de referencia, en el caso globo- la velocidad angular de rotación de la Tierra, y [VΩ] - su producto vectorial, que en forma escalar se ve así:

Fl = 2M | V | | Ω | sen α, donde α es el ángulo entre los vectores.

La velocidad de un cuerpo que se mueve sobre la superficie del globo se puede descomponer en dos componentes. Uno de ellos se encuentra en un plano tangente a la pelota en el punto donde se encuentra el cuerpo, es decir, la componente horizontal de la velocidad: la segunda componente vertical es perpendicular a este plano. La fuerza de Coriolis que actúa sobre un cuerpo es proporcional al seno de la latitud geográfica de su ubicación. Un cuerpo que se mueve a lo largo de un meridiano en cualquier dirección del hemisferio norte está sujeto a la fuerza de Coriolis dirigida hacia la derecha en su movimiento. Es esta fuerza la que hace que las orillas derechas de los ríos del hemisferio norte desaparezcan, independientemente de si fluyen hacia el norte o hacia el sur. En el hemisferio sur, la misma fuerza se dirige hacia la izquierda en movimiento y los ríos que fluyen en dirección meridional arrasan las orillas izquierdas. En geografía, este fenómeno se llama ley de Beer. Cuando el lecho del río no coincide con la dirección meridional, la fuerza de Coriolis será menor en el coseno del ángulo entre la dirección del flujo del río y el meridiano.

Casi todos los estudios dedicados a la formación de tifones, tornados, ciclones y todo tipo de vórtices, así como a su posterior movimiento, indican que es la fuerza de Coriolis la que sirve como causa fundamental de su aparición y que marca la trayectoria de su movimiento a lo largo de la superficie de la Tierra. Sin embargo, si la fuerza de Coriolis estuviera involucrada en la creación de tornados, tifones y ciclones, entonces en el hemisferio norte tendrían una rotación a la derecha, en el sentido de las agujas del reloj, y en el hemisferio sur, una rotación a la izquierda, es decir, en el sentido contrario a las agujas del reloj. Pero los tifones, tornados y ciclones en el hemisferio norte giran hacia la izquierda, en sentido antihorario, y en el hemisferio sur, hacia la derecha, en el sentido de las agujas del reloj. Esto no corresponde en absoluto a la dirección de influencia de la fuerza de Coriolis; además, es directamente opuesta a ella. Como ya se mencionó, la magnitud de la fuerza de Coriolis es proporcional al seno de latitud geográfica y, por tanto, es máxima en los polos y ausente en el ecuador. En consecuencia, si esto contribuyera a la creación de vórtices de diferentes escalas, aparecerían con mayor frecuencia en latitudes polares, lo que contradice completamente los datos disponibles.

Por lo tanto, el análisis anterior demuestra de manera convincente que la fuerza de Coriolis no tiene nada que ver con el proceso de formación de tifones, tornados, ciclones y todo tipo de vórtices, cuyos mecanismos de formación se discutieron en capítulos anteriores.

Se cree que es la fuerza de Coriolis la que determina sus trayectorias, especialmente porque en el hemisferio norte los tifones, como formaciones meteorológicas, durante su movimiento se desvían hacia la derecha, y en el hemisferio sur, hacia la izquierda, lo que corresponde a la dirección de Acción de la fuerza de Coriolis en estos hemisferios. Parecería que se ha encontrado la razón de la desviación de las trayectorias de los tifones: esta es la fuerza de Coriolis, pero no nos apresuremos a sacar conclusiones. Como se mencionó anteriormente, cuando un tifón se mueve a lo largo de la superficie de la Tierra, actuará sobre él, como un solo objeto, una fuerza de Coriolis igual a:

F к = 2MVΩ sen θ cos α, (21)

donde θ es la latitud geográfica del tifón; α es el ángulo entre el vector de velocidad del tifón en su conjunto y el meridiano.

Descubrir la verdadera razón desviaciones de las trayectorias de los tifones, intentemos determinar la magnitud de la fuerza de Coriolis que actúa sobre el tifón y compararla con otra fuerza, como veremos ahora, más real.

EL PODER DE MAGNUS

Un tifón movido por los vientos alisios se verá afectado por una fuerza que, hasta donde sabe el autor, aún no ha sido considerada por ningún investigador en este contexto. Esta es la fuerza de interacción del tifón, como un solo objeto, con el flujo de aire que mueve este tifón. Si miras la imagen que representa las trayectorias de los tifones, quedará claro que se mueven de este a oeste bajo la influencia de vientos tropicales que soplan constantemente, los vientos alisios, que se forman como resultado de la rotación del globo. Al mismo tiempo, los vientos alisios no sólo arrastran el tifón de este a oeste. Lo más importante es que un tifón ubicado en los vientos alisios se ve afectado por una fuerza causada por la interacción de los flujos de aire del propio tifón con el flujo de aire de los vientos alisios.

El efecto de la aparición de una fuerza transversal que actúa sobre un cuerpo que gira en un flujo de líquido o gas que incide sobre él fue descubierto por el científico alemán G. Magnus en 1852. Se manifiesta en el hecho de que si un cilindro circular giratorio fluye alrededor de un flujo irrotacional (laminar) perpendicular a su eje, entonces en esa parte del cilindro donde la velocidad lineal de su superficie es opuesta a la velocidad del flujo que se aproxima, un Aparece una zona de alta presión. Y en el lado opuesto, donde la dirección de la velocidad lineal de la superficie coincide con la velocidad del flujo que se aproxima, hay una zona de baja presión. La diferencia de presión en lados opuestos del cilindro da lugar a la fuerza Magnus.

Los inventores han intentado aprovechar el poder de Magnus. Se diseñó, patentó y construyó un barco en el que, en lugar de velas, se instalaron cilindros verticales girados por motores. La eficiencia de estas “velas” cilíndricas giratorias en algunos casos incluso superó la eficiencia de las velas convencionales. El efecto Magnus también lo utilizan los futbolistas que saben que si al golpear la pelota le dan un movimiento de rotación, su trayectoria de vuelo se volverá curvilínea. Con tal patada, que se llama "hoja seca", puedes enviar el balón a la portería del oponente casi desde la esquina del campo de fútbol, ​​ubicada en línea con la portería. Los jugadores de voleibol, tenis y ping-pong también hacen girar la pelota cuando la golpean. En todos los casos, el movimiento de una bola curva a lo largo de una trayectoria compleja crea muchos problemas al oponente.

Sin embargo, volvamos al tifón movido por los vientos alisios.

Los vientos alisios, corrientes de aire estables (que soplan constantemente durante más de diez meses al año) en las latitudes tropicales de los océanos, cubren el 11 por ciento de su superficie en el hemisferio norte y hasta el 20 por ciento en el hemisferio sur. La dirección principal de los vientos alisios es de este a oeste, pero a una altitud de 1 a 2 kilómetros se complementan con vientos meridionales que soplan hacia el ecuador. Como resultado, en el hemisferio norte los vientos alisios se mueven hacia el suroeste y en el hemisferio sur.

Al noroeste. Los vientos alisios llegaron a ser conocidos por los europeos después de la primera expedición de Colón (1492-1493), cuando sus participantes quedaron asombrados por la estabilidad de los fuertes vientos del noreste que transportaban carabelas desde la costa de España a través de las regiones tropicales del Atlántico.

La gigantesca masa del tifón se puede considerar como un cilindro que gira en la corriente de aire del viento alisio. Como ya se mencionó, en el hemisferio sur giran en el sentido de las agujas del reloj y en el hemisferio norte, en el sentido contrario a las agujas del reloj. Por lo tanto, debido a la interacción con el poderoso flujo de los vientos alisios, los tifones en el hemisferio norte y sur se desvían del ecuador, hacia el norte y el sur, respectivamente. Esta naturaleza de su movimiento está bien confirmada por las observaciones de los meteorólogos.

(El final sigue.)

LEY DE AMPERE

En 1920, la física francesa Anre Marie Ampère descubrió experimentalmente un nuevo fenómeno: la interacción de dos conductores con una corriente. Resultó que dos conductores paralelos se atraen o repelen dependiendo de la dirección de la corriente en ellos. Los conductores tienden a acercarse si las corrientes fluyen en la misma dirección (paralelos) y a alejarse entre sí si las corrientes fluyen en direcciones opuestas (antiparalelos). Ampere pudo explicar correctamente este fenómeno: se produce la interacción de campos magnéticos de corrientes, que está determinada por la "regla de gimlet". Si el gimlet se enrosca en la dirección de la corriente I, el movimiento de su mango indicará la dirección de las líneas del campo magnético H.

Dos partículas cargadas que vuelan en paralelo también forman una corriente eléctrica. Por tanto, sus trayectorias convergerán o divergirán dependiendo del signo de la carga de las partículas y de la dirección de su movimiento.

La interacción de los conductores debe tenerse en cuenta al diseñar bobinas eléctricas de alta corriente (solenoides): las corrientes paralelas que fluyen a través de sus espiras crean grandes fuerzas que comprimen la bobina. Se conocen casos en los que un pararrayos hecho de un tubo, después de un rayo, se convirtió en un cilindro: fue comprimido por los campos magnéticos de la corriente de descarga del rayo con una fuerza de cientos de kiloamperios.

Basándose en la ley de Ampere, se estableció la unidad estándar de corriente en el SI: el amperio (A). La norma estatal "Unidades de cantidades físicas" define:

“Un amperio es igual a la intensidad de la corriente que, al pasar a través de dos conductores rectilíneos paralelos de longitud infinita y área de sección transversal insignificante, ubicados en el vacío a una distancia de 1 m entre sí, causaría una fuerza de interacción igual a 2 en una sección del conductor de 1 m de largo . 10 -7 N.”

Detalles para los curiosos

FUERZAS DE MAGNUS Y CORIOLIS

Comparemos el efecto de las fuerzas de Magnus y Coriolis sobre el tifón, imaginándolo en una primera aproximación en forma de un cilindro de aire giratorio impulsado por los vientos alisios. Sobre dicho cilindro actúa una fuerza de Magnus igual a:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

donde D es el diámetro del tifón; ρ - densidad del aire de los vientos alisios; H es su altura; V n > - velocidad del aire en los vientos alisios; V t - velocidad lineal del aire en un tifón. Mediante transformaciones simples obtenemos

Fm = R 2 HρωV n, - (23)

donde R es el radio del tifón; ω es la velocidad angular de rotación del tifón.

Suponiendo como primera aproximación que la densidad del aire del viento alisio es igual a la densidad del aire en el tifón, obtenemos

M t = R 2 Hρ, - (24)

donde M t es la masa del tifón.

Entonces (19) se puede escribir como

F m = M t ωV p - (25)

o F m = M t V p V t / R. (26)

Dividiendo la expresión de la fuerza de Magnus por la expresión (17) de la fuerza de Coriolis, obtenemos

F m /F k = M t V p V t /2RMV p Ω senθ cosα (27)

o F m /F k = V t /2RΩ senθ cosα (28)

Teniendo en cuenta que, según la clasificación internacional, se considera tifón a un ciclón tropical en el que la velocidad del viento supera los 34 m/s, tomaremos esta cifra más pequeña en nuestros cálculos. Dado que la latitud geográfica más favorable para la formación de tifones es 16 o, tomaremos θ = 16 o y, dado que inmediatamente después de su formación los tifones se mueven casi a lo largo de trayectorias latitudinales, tomaremos α = 80 o. Consideremos que el radio de un tifón de tamaño mediano es de 150 kilómetros. Sustituyendo todos los datos en la fórmula, obtenemos

F m / F k = 205. (29)

En otras palabras, ¡la fuerza de Magnus es doscientas veces mayor que la fuerza de Coriolis! Por tanto, está claro que la fuerza de Coriolis no tiene nada que ver no sólo con el proceso de creación de un tifón, sino también con el cambio de su trayectoria.

Un tifón en los vientos alisios se verá afectado por dos fuerzas: la fuerza de Magnus antes mencionada y la fuerza de la presión aerodinámica de los vientos alisios sobre el tifón, que se puede encontrar a partir de una ecuación simple.

F d = KRHρV 2 p, - (30)

donde K es el coeficiente de resistencia aerodinámica del tifón.

Es fácil ver que el movimiento del tifón se deberá a la acción de la fuerza resultante, que es la suma de las fuerzas de Magnus y la presión aerodinámica, que actuará en un ángulo p con respecto a la dirección del movimiento del aire en el alisio. viento. La tangente de este ángulo se puede encontrar a partir de la ecuación

tgβ = F m /F d (31)

Sustituyendo las expresiones (26) y (30) en (31), después de transformaciones simples obtenemos

tgβ = V t /KV p, (32)

Está claro que la fuerza resultante F p que actúa sobre el tifón será tangente a su trayectoria, y si se conocen la dirección y la velocidad del viento alisio, entonces será posible calcular esta fuerza con suficiente precisión para un tifón específico. determinando así su trayectoria adicional, lo que minimizará el daño causado por él. La trayectoria de un tifón se puede predecir mediante un método paso a paso, calculando la dirección probable de la fuerza resultante en cada punto de su trayectoria.

En forma vectorial, la expresión (25) se ve así:

F metro = metro [ωVp]. (33)

Es fácil ver que la fórmula que describe la fuerza de Magnus es estructuralmente idéntica a la fórmula de la fuerza de Lorentz:

F l = q .

Comparando y analizando estas fórmulas, notamos que la similitud estructural de las fórmulas es bastante profunda. Por lo tanto, los lados izquierdos de ambos productos vectoriales (M& #969; y q V) caracterizan los parámetros de los objetos (tifón y partícula elemental), y los lados derechos ( V norte y B) - medio ambiente (velocidad de los vientos alisios e inducción del campo magnético).

Entrenamiento físico

FUERZAS DE CORIOLIS SOBRE UN JUGADOR

En un sistema de coordenadas giratorio, por ejemplo en la superficie del globo, las leyes de Newton no se cumplen; dicho sistema de coordenadas no es inercial. En él aparece una fuerza de inercia adicional, que depende de la velocidad lineal del cuerpo y de la velocidad angular del sistema. Es perpendicular a la trayectoria del cuerpo (y a su velocidad) y se llama fuerza de Coriolis, en honor al mecánico francés Gustav Gaspard Coriolis (1792-1843), quien explicó y calculó esta fuerza adicional. La fuerza se dirige de tal manera que para alinearse con el vector de velocidad, se debe girar en ángulo recto en la dirección de rotación del sistema.

Puedes ver cómo “funciona” la fuerza de Coriolis usando un tocadiscos eléctrico realizando dos experimentos simples. Para realizarlos, recorta un círculo de papel grueso o cartón y colócalo sobre el disco. Servirá como un sistema de coordenadas giratorio. Tomemos nota de inmediato: el disco del reproductor gira en el sentido de las agujas del reloj y la Tierra gira en el sentido contrario a las agujas del reloj. Por lo tanto, las fuerzas en nuestro modelo se dirigirán en la dirección opuesta a las observadas en la Tierra en nuestro hemisferio.

1. Coloque dos pilas de libros al lado del reproductor, justo encima del plato. Coloca una regla o barra recta sobre los libros para que uno de sus bordes se ajuste al diámetro del disco. Si, con el disco estacionario, dibuja una línea a lo largo de la barra con un lápiz suave, desde el centro hasta el borde, naturalmente quedará recta. Si ahora inicias al jugador y dibujas un lápiz a lo largo de la barra, dibujará una trayectoria curva hacia la izquierda, en total acuerdo con la ley calculada por G. Coriolis.

2. Construya una diapositiva con pilas de libros y pegue con cinta adhesiva una ranura de papel grueso orientada a lo largo del diámetro del disco. Si haces rodar una bola pequeña por una ranura sobre un disco estacionario, rodará a lo largo del diámetro. Y en un disco giratorio se moverá hacia la izquierda (si, por supuesto, la fricción cuando rueda es pequeña).

Entrenamiento físico

EL EFECTO MAGNUS EN LA MESA Y EN EL AIRE

1. Pegue un pequeño cilindro de papel grueso. Coloque una pila de libros no lejos del borde de la mesa y conéctela al borde de la mesa con una tabla. Cuando el cilindro de papel rueda por el portaobjetos resultante, podemos esperar que se mueva a lo largo de una parábola alejándose de la mesa. Sin embargo, en cambio, el cilindro doblará bruscamente su trayectoria en la otra dirección y volará debajo de la mesa.

Su comportamiento paradójico es bastante comprensible si recordamos la ley de Bernoulli: la presión interna en un flujo de gas o líquido disminuye cuanto mayor es la velocidad del flujo. Sobre la base de este fenómeno funciona, por ejemplo, una pistola rociadora: una presión atmosférica más alta exprime el líquido en una corriente de aire a presión reducida.

Curiosamente, los flujos humanos también obedecen hasta cierto punto a la ley de Bernoulli. En el metro, a la entrada de las escaleras mecánicas, donde el tráfico es difícil, la gente se reúne en una multitud densa y apretujada. Y en una escalera mecánica que se mueve rápidamente, se paran libremente: la "presión interna" en el flujo de pasajeros cae.

Cuando el cilindro cae y continúa girando, la velocidad de su lado derecho se resta de la velocidad del flujo de aire que se aproxima y se le suma la velocidad del lado izquierdo. La velocidad relativa del flujo de aire hacia la izquierda del cilindro es mayor y la presión en él es menor que hacia la derecha. La diferencia de presión hace que el cilindro cambie abruptamente su trayectoria y vuele debajo de la mesa.

Las leyes de Coriolis y Magnus se tienen en cuenta a la hora de lanzar cohetes, disparar con precisión a largas distancias, calcular turbinas, giroscopios, etc.

2. Envuelva el cilindro de papel con papel o cinta textil varias vueltas. Si ahora tira bruscamente del extremo de la cinta, hará girar el cilindro y al mismo tiempo le dará movimiento hacia adelante. Como resultado, bajo la influencia de las fuerzas de Magnus, el cilindro volará, describiendo bucles en el aire.

Los cambios extraños en la trayectoria de la pelota parecen un milagro para la persona promedio. Pero para los jugadores de fútbol, ​​baloncesto y billar profesionales, estos trucos son un indicador de habilidad. Y aquí es donde recordamos las leyes de la física, que arroja dones como el efecto Magnus. Inicialmente observada en la aerodinámica, hoy esta ley de cambiar la trayectoria de un objeto esférico ha encontrado una aplicación muy amplia. Recientemente apareció en Internet un vídeo que demostraba claramente este fenómeno físico utilizando el ejemplo de una pelota de baloncesto. El vídeo recibió más de 9 millones de visitas en dos días y avivó el interés por el efecto Magnus y sus increíbles aplicaciones.

Fondo

Todo comenzó con el hecho de que los artilleros prusianos no podían entender por qué las balas de sus cañones golpeaban constantemente en el lugar equivocado. La rotación del núcleo en vuelo con su centro de gravedad no coincidiendo con el geométrico distorsionó la trayectoria de vuelo. Isaac Newton escribió sobre la fuerza aerodinámica que influye en el vuelo de una bola en rotación, y los comandantes prusianos recurrieron al famoso científico alemán Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) para aclarar las trayectorias curvilíneas del vuelo de la bola, quien en 1853 dio una explicación científica. de este fenómeno.

El científico sugirió que el problema no está en el centro de gravedad del objeto, sino en su rotación. Realizó una serie de experimentos y, aunque no realizó ningún cálculo matemático, fue el primero en demostrar la fuerza aerodinámica que cambia la trayectoria de vuelo de un cuerpo en rotación.

Después de Magnus, se interesó por esta fuerza Ludwig Prandtl (1875-1953), que medía la fuerza y ​​la velocidad. Su logro más importante es el establecimiento de la posibilidad de utilizar la fuerza resultante sobre un rotor giratorio (cilindro) para garantizar el movimiento de traslación. Pero en la práctica esta idea fue implementada por otro alemán: el ingeniero Anton Flettner (1885-1961). Más adelante hablaremos más sobre las velas de rotor de Flettner y Cousteau.

La explicación no es para físicos.

Considerando las leyes de la física del estado sólido newtoniana, en palabras simples El proceso se ve así. Un objeto redondo que gira adquiere velocidad, el aire que se encuentra delante del objeto se mueve en la dirección de su rotación y es arrastrado hacia el centro. En el otro lado del objeto, el aire se mueve en dirección opuesta al sentido de rotación. Como resultado, el flujo se aleja y el objeto desplaza el aire de un lado, y el aire del otro lado forma una fuerza recíproca, pero en otra dirección, lo que cambia la trayectoria de vuelo del objeto. El diagrama del proceso se muestra en la figura anterior; este es el notorio efecto Magnus.

Barco de viento Flettner

Anton Flettner recibió la patente alemana para un buque giratorio el 16 de septiembre de 1922. Y ya en octubre de 1926 causó sensación en la bahía de Kiel un barco inusual con dos grandes tuberías a bordo y un mástil calado. Este fue el primer rotativo Buckau que abandonó las gradas del astillero Friedrich Krupp.

Flettner utilizó el efecto Magnus y la fuerza generada al fluir alrededor de cilindros giratorios y dirigida perpendicular a la dirección del flujo. Desde el lado donde la dirección del flujo de vórtice creado por el cuerpo giratorio coincide con la dirección del flujo de aire, la fuerza y ​​​​la velocidad del movimiento aumentan drásticamente. Precisamente estos rotores, que más tarde llevarían su nombre, fueron los que el joven ingeniero Flettner reemplazó las velas.

Los rotores de esta embarcación eran accionados por motores eléctricos. Donde el rotor giraba contra el viento, se creó un área de mayor presión. En el lado opuesto - con una disminución. La fuerza resultante movió el barco.

Buckau pasó la prueba con honores. En 1925 zarpó de Danzig a Escocia en unas condiciones meteorológicas en las que los veleros no se atrevían a hacerse a la mar. El viaje fue un éxito y la tripulación del barco se redujo a 10 personas, frente a las 20 del velero.

Olvido forzado

Se abría un futuro brillante para los rotores Flettner. El éxito del proyecto lo confirmó el barco de la empresa hamburguesa “Barbara”. Se trataba de un transatlántico de carga cuyo movimiento lo proporcionaban tres rotores de 17 metros, que alcanzaban una velocidad de 13 nudos con un viento de entre 4 y 6 fuerzas.

A pesar del aparente éxito del proyecto, fue olvidado durante mucho tiempo. Y hay varias razones para ello. El propio Flettner perdió interés en el transporte marítimo y se interesó en la aviación durante la Gran Depresión de la década de 1920.

Reanimación de barcos con instalaciones de rotor.

Una continuación del barco giratorio de Flettner es la turbovela de Jacques-Yves Cousteau. Explorador famoso y un luchador por medios de transporte respetuosos con el medio ambiente lanzó en abril de 1885 el barco Alcyone, equipado con turbovelas patentadas, en las que se utilizó el efecto Magnus. Este barco todavía está en marcha hoy.

Desafortunadamente, los seguidores de Cousteau no estaban muy interesados ​​​​en las instalaciones giratorias en los barcos y el interés por ellas volvió a desvanecerse. Fueron recordados con el inicio de la crisis del petróleo y en 2010 se botó un tercer buque con instalaciones rotativas. Este es el pesado E-Ship 1 de 130 m de Enercon con cuatro rotores Flettner. Hoy transporta aerogeneradores desde Alemania a países europeos, puede soportar hasta 9 toneladas de carga y alcanza una velocidad de 17 nudos. La tripulación es de sólo 15 personas.

Las compañías navales Wind Again (Singapur), Wartsila (Finlandia) y algunas otras se interesaron por las instalaciones rotativas. Parece que la escasez de petróleo y un alarmante calentamiento climático influirán en el regreso de la propulsión eólica a los barcos modernos.

Aplicación en la industria aeronáutica

El uso del efecto Magnus en la aviación se implementó en varias soluciones de diseño. Las formas más simples utilizaban alas en forma de eje que giraban durante el vuelo. Entre los fundadores de esta dirección se encontraba el inventor austriaco Karl Gligorin, quien propuso instalar en el rotor un carenado que sigue la forma del ala. En Ámsterdam, E.B. Wolf, los estadounidenses John D. Gerst y K. Popper incluso probaron en 1932 sus aviones con alas en forma de eje.

El North American-Rockwell YOU-10A Bronco, convertido a ejes giratorios en 1964, demostró ser funcional. Fue el proyecto de un profesor de Perú, Alberto Álvarez-Calderón. Sin embargo, el prototipo tenía más desventajas que ventajas.

A pesar de los esfuerzos, el efecto Magnus no arraigó en la aviación. El uso práctico de alas tipo rotor plantea una serie de problemas y aún no está justificado económicamente.

Efecto Magnus y turbinas eólicas

El desarrollo de la industria de fuentes de energía alternativas es especialmente importante en nuestro tiempo. Y en esta industria se ha utilizado el efecto Magnus. Los aerogeneradores de palas están siendo sustituidos por unidades de rotor, que son más eficaces con velocidades de viento frecuentes y bajas de 2 a 6 m/s. Se basan en un eje alrededor del cual giran los cilindros. La primera instalación de este tipo, fabricada por Aerolla, apareció cerca de Minsk (Bielorrusia) en 2015. Su potencia era de 100 kW, el diámetro del rotor de la turbina era de 36 metros. Opera a una velocidad de viento de diseño de 9,5 m/s.

El trabajo en esta dirección continúa en el Instituto de Mecánica Aplicada SB RAS de Novosibirsk y ya existen prototipos de aerogeneradores que utilizan el efecto Magnus con una potencia de hasta 2 MW.

No es un uso muy común

Este efecto de cambiar la trayectoria de la pelota se utiliza mucho en los deportes: tiros liftados y “hoja seca” en el fútbol, ​​el sistema Hop Up en airsoft.

El efecto Magnus se utiliza ampliamente en el diseño de modelos de aviones en la actualidad. Por ejemplo, el canal PeterSripol diseñó un avión hecho de cartón, un motor eléctrico y vasos de papel para comida rápida.

El efecto Magnus se utiliza en la producción de cometas. Por ejemplo, una serpiente en forma de molinete diseñada por D. Edwards o S. Albertson.

Pero para los “cazadores de huracanes” este fenómeno físico puede resultar muy peligroso. Si el fondo entre el automóvil y el suelo no está bien sellado, entonces a través del espacio un viento huracanado puede crear una enorme fuerza de elevación que puede elevar fácilmente el automóvil en el aire.

Capítulo 3 Efecto Magnus y fuerza de Lorentz

Al igual que en el ala Zhukovsky-Chaplygin, la fuerza Magnus surge debido a la diferencia de presión del flujo del medio sobre la superficie del cilindro giratorio. Este efecto fue descubierto por el científico alemán H. G. Magnus en 1852. En la Fig. La figura 8 muestra un diagrama de la suma de los vectores de velocidad del flujo del medio y la superficie del cilindro giratorio.

Arroz. 8. Efecto Magnus para un cilindro giratorio.

En la parte superior del cilindro (vista frontal), la dirección del movimiento del flujo del medio y la superficie del cilindro giratorio coinciden, y en la parte inferior del cilindro, su superficie se mueve hacia el flujo del medio. Dado que el flujo en la parte inferior del cilindro giratorio se ralentiza cuando su superficie se mueve hacia el flujo, la presión dinámica del flujo disminuye y la presión estática del medio en la superficie aumenta, de acuerdo con la ley de Bernoulli sobre el total. presión del flujo. Como resultado, la presión del medio en la parte superior del cilindro giratorio llega a ser menor que en la parte inferior del cilindro. Se produce una fuerza sustentadora, como ocurre con el efecto de un ala que tiene el perfil de Zhukovsky-Chaplygin.

El efecto Magnus es bien conocido por los jugadores de fútbol y tenis, quienes lo utilizan para crear una trayectoria de vuelo curva para una pelota que gira. Con un “golpe curvo”, la pelota vuela recta pero gira alrededor de su eje. En vuelo, una corriente de aire fluye hacia él, lo que crea el efecto Magnus, y la trayectoria de vuelo es curva. Como resultado de tal golpe, la pelota vuela a lo largo de una curva y golpea el lugar equivocado donde se esperaba...

Supongamos que hemos construido un flujo cerrado de un medio en movimiento (aire, agua, etc.), en el que se colocan varios cilindros giratorios, como se muestra en la figura. 9. Supongamos que la rotación de cada cilindro la proporciona un accionamiento eléctrico independiente, con velocidad y sentido de rotación regulables.

Arroz. 9. Propulsión basada en el efecto Magnus

A diferencia de un diseño con un ala instalada en un flujo de un medio en movimiento, este esquema tiene una ventaja importante: la magnitud y la dirección de la fuerza de elevación axial se pueden cambiar cambiando la velocidad y la dirección de rotación de los cilindros. La velocidad y la dirección del flujo circulante no se pueden cambiar, lo que proporciona importantes ventajas en la velocidad y maniobrabilidad de este vehículo. Este tipo de unidad de propulsión se puede instalar vertical u horizontalmente, creando fuerza de tracción.

Una interesante analogía con el efecto Magnus surge al considerar el fenómeno electromagnético conocido como fuerza de Lorentz: un conductor que transporta corriente en un campo magnético se somete a una fuerza en la dirección que se muestra en la figura. 10. Anteriormente no había una explicación clara del motivo de la aparición de esta fuerza. Asumiendo analogías con el efecto Magnus, podemos interpretar la fuerza de Lorentz como resultado del gradiente de presión del medio etéreo. Esto se demostró por primera vez en el informe de 1996.

Arroz. 10. Fuerza de Lorentz, como resultado del gradiente de presión del éter.

Sin embargo, en el diagrama de la Fig. 10, obtenemos una imagen inversa a la superposición de vectores, que se muestra en la Fig. 8. La fuerza de Magnus actúa sobre un cilindro que gira en un flujo de medio en la dirección del movimiento coordinado de la superficie del cilindro y el medio. En la Fig. La Figura 10 muestra que la fuerza de Lorentz actúa en la dirección de la superposición opuesta de vectores. ¿Por qué?

El hecho es que los vectores de la Fig. 10 se muestran de forma convencional, según las designaciones aceptadas de los vectores de corriente eléctrica (flujo de partículas cargadas positivamente) y campo magnético. La dirección del movimiento de los flujos reales de electrones y partículas de éter (vectores de campo magnético) difiere de las designaciones convencionales. Básicamente, el efecto se crea de manera similar al efecto Magnus, debido al gradiente de presión del medio debido a diferentes velocidades relativas, pero los sistemas electromagnéticos utilizan el medio etéreo, no aire ni agua.

Es importante tener en cuenta que un electrón u otra partícula cargada que crea un campo magnético cuando se mueve es un objeto en rotación. Sería más exacto considerar su movimiento lineal como una línea helicoidal, una espiral derecha o izquierda, dependiendo del signo de la carga eléctrica de una determinada partícula de materia.

Se ha escrito mucho sobre la estructura del electrón, pero me gustaría recomendar al lector el trabajo de padre e hijo Polyakov. Estos autores examinaron en su libro “Experimental Gravitonics” la estructura del electrón, y demostraron que se puede representar como un fotón de polarización circular cerrado sobre sí mismo, es decir, como un proceso dinámico de movimiento de una onda electromagnética de polarización circular en un espacio toroidal cerrado. Más adelante abordaremos este tema con más detalle. Aquí sólo señalaremos brevemente que, con esta consideración, la aparición de un campo magnético cuando una partícula cargada se mueve en el éter tiene una clara analogía con la perturbación del entorno físico que se produce cuando un cilindro o una bola en rotación se mueve en un entorno determinado.

Podemos decir que la interacción del campo magnético externo a través del cual se mueve una partícula cargada eléctricamente con su propio campo magnético desvía la partícula de la misma manera que un flujo de aire desvía una bola que gira, es decir, debido a la creación de un gradiente de presión del medio sobre una partícula de materia que se mueve en él.

En este caso, las fuerzas de Lorentz y las fuerzas de Ampere son fuerzas externas a los conductores portadores de corriente sobre los que actúan, es decir, pueden asegurar su movimiento en el espacio.

Estas interesantes analogías entre aerodinámica y aeterdinámica proporcionan muchas ideas constructivas.