A turbosaiil egy rotor típusú tengeri meghajtó eszköz, amely a Magnus-effektusként ismert fizikai jelenségnek köszönhetően szélenergiából hoz létre tolóerőt.

A turbóvitorlák egy olyan fizikai folyamaton alapulnak, amely akkor következik be, amikor egy folyadék vagy gáz egy forgó hengeres vagy kerek test körül áramlik, ez a Magnus-effektus. A jelenség nevét Heinrich Magnus porosz tudós nevéről kapta, aki 1853-ban írta le.

Képzeljünk el egy golyót vagy hengert, amely forog a gáz vagy folyadék áramlásában, és mossa őket. Ebben az esetben a hengeres testnek a hossztengelye mentén kell forognia. A folyamat során olyan erő lép fel, amelynek vektora merőleges az áramlás irányára. Miért történik ez? A test azon oldalán, ahol a forgásirány és az áramlási vektor egybeesik, a levegő vagy a folyékony közeg sebessége nő, a nyomás pedig a Bernoulli törvénynek megfelelően csökken. A test ellenkező oldalán, ahol a forgás- és áramlási vektorok többirányúak, a közeg sebessége, mintha lelassulna, csökken, a nyomás pedig nő. A forgó test ellentétes oldalain fellépő nyomáskülönbség keresztirányú erőt hoz létre. Az aerodinamikában az emelőerőként ismert, amely a levegőnél nehezebb járműveket repülésben tartja. Rotorvitorláknál ez a fedélzetre függőlegesen elhelyezett és a hossztengely mentén forgó rotorvitorlára ható, a szél irányára merőleges vektorú erő.

Flettner forgó vitorlák

A leírt fizikai jelenséget Anton Flettner német mérnök használta egy új típusú hajómotor megalkotásakor. Rotorvitorlája forgó hengeres szélerőműtornyokhoz hasonlított. 1922-ben a feltaláló szabadalmat kapott készülékére, 1924-ben pedig a történelem első forgóhajója, az átalakított Bukau szkúner elhagyta a készleteket.
A Bukau turbóvitorlákat elektromos motorok hajtották. Azon az oldalon, ahol a rotor felülete a szél felé forgott, a Magnus-effektusnak megfelelően megnövekedett nyomású terület jött létre, az ellenkező oldalon pedig csökkent. Ennek eredményeként tolóerő keletkezett, amely oldalszél jelenlétében mozgatta a hajót. Flettner lapos lemezeket helyezett el a forgórészhengerek tetején, hogy jobban irányítsa a légáramlást a henger körül. Ez lehetővé tette a hajtóerő megduplázását. Egy forgó, üreges fémhenger-rotor, amely a Magnus-effektust használja oldalirányú tolóerő létrehozására, később az alkotójáról nevezték el.

A tesztelés során a Flettner turbóvitorlái kiválóan teljesítettek. A hagyományos vitorlásokkal ellentétben az erős oldalszél csak javította a kísérleti hajó teljesítményét. Két hengeres rotor tette lehetővé a hajó jobb kiegyensúlyozását. Ugyanakkor a rotorok forgásirányának változtatásával az edény mozgását előre vagy hátra lehetett változtatni. Természetesen a tolóerő létrehozásához a legelőnyösebb szélirány szigorúan merőleges volt a hajó hossztengelyére.

Turbosail Cousteau-tól

A vitorlásokat a 20. században építették, és a 21. században is építik. A modern vitorlák könnyebb és erősebb szintetikus anyagokból készülnek, a vitorlás szereléket villanymotorok gyorsan összecsukják, megszabadítva az embereket a fizikai munkától.

A levegőben azonban egy alapvetően új rendszer ötlete volt, amely szélenergiát használ a hajó tolóerejének létrehozására. Jacques-Yves Cousteau francia felfedező és feltaláló vette fel. Oceanográfusként nagyon lenyűgözte a szél tolóerőként való használata – ez egy ingyenes, megújuló és teljesen környezetbarát energiaforrás. Az 1980-as évek elején elkezdett dolgozni a modern hajók ilyen meghajtóinak megalkotásán. A Flettner-féle turbóvitorlákat vette alapul, de jelentősen korszerűsítette a rendszert, összetettebbé tette, ugyanakkor növelte a hatékonyságát.

Mi a különbség a Cousteau turbóvitorla és a Flettner hajtómű között? A Cousteau tervezése egy függőlegesen szerelt üreges fémcső, amelynek aerodinamikai profilja van, és ugyanazon az elven működik, mint egy repülőgép szárnya. Keresztmetszetében a cső csepp vagy tojás alakú. Oldalain légbeszívó rácsok vannak, amelyeken keresztül a levegőt szivattyúrendszeren keresztül pumpálják. És ekkor lép életbe a Magnus-effektus. A légturbulencia nyomáskülönbséget hoz létre a vitorlán belül és kívül. A cső egyik oldalán vákuum, a másikon tömítés jön létre. Ennek eredményeként oldalirányú erő keletkezik, ami a hajó mozgását okozza. A turbóvitorla lényegében egy függőlegesen szerelt aerodinamikus szárny: az egyik oldalon lassabban áramlik a levegő, mint a másikon, nyomáskülönbséget és oldalirányú tolóerőt hozva létre. Hasonló elvet alkalmaznak a repülőgépek emelésének létrehozására. A turbóvitorla automatikus érzékelőkkel van felszerelve, és egy forgó platformra van felszerelve, amelyet számítógép vezérel. Az intelligens gép a szél figyelembevételével pozícionálja a rotort és beállítja a légnyomást a rendszerben.

Cousteau először 1981-ben tesztelte turbóvitorlája prototípusát a Moulin à Vent katamaránon, miközben áthajózott az Atlanti-óceánon. Az út során a katamaránt a biztonság kedvéért egy nagyobb expedíciós hajó kísérte. A kísérleti turbó vitorla tolóerőt adott, de kisebb, mint a hagyományos vitorlák és motorok. Ráadásul az út végére a fémfáradás miatt a hegesztések a szél nyomására szétrepedtek, és a szerkezet a vízbe esett. Maga az ötlet azonban beigazolódott, és Cousteau és kollégái egy nagyobb forgóedény, a Halsion kifejlesztésére összpontosítottak. 1985-ben dobták piacra. A rajta lévő turbóvitorlák kiegészítik a két dízelmotort és több légcsavart, és harmadával csökkentik az üzemanyag-fogyasztást. Az Alsion még 20 évvel alkotója halála után is mozgásban van, és továbbra is a Cousteau-flottilla zászlóshajója.

Turbosail vászon szárnyakkal szemben

Még a legjobb modern vitorlákkal összehasonlítva is a turbó-rotor négyszeres tolóerőt biztosít. A vitorlással ellentétben az erős oldalszél nemhogy nem veszélyes a forgóhajóra, de a legelőnyösebb a haladása szempontjából. 250-es szögben ellenszél mellett is jól halad. Ugyanakkor a hagyományos vitorlás hajó a hátszelet „szereti” leginkább.

Következtetések és kilátások

Most a Flettner vitorláinak pontos analógjait szerelik fel segédhajtóművekként az E-Ship-1 német teherhajóra. A továbbfejlesztett modelljüket pedig a Jacques-Yves Cousteau Alapítvány tulajdonában lévő Alsion jachton használják.
Így jelenleg kétféle meghajtórendszer létezik a Turbosail rendszerhez. Egy hagyományos rotorvitorla, amelyet Flettner talált fel a 20. század elején, modernizált változatát pedig Jacques-Yves Cousteau. Az első modellben a nettó erő a forgó hengerek kívülről származik; a második, összetettebb változatban az elektromos szivattyúk légnyomáskülönbséget hoznak létre egy üreges cső belsejében.

Az első turbóvitorla csak oldalszélben képes a hajó meghajtására. Ez az oka annak, hogy a Flettner-féle turbóvitorlák nem terjedtek el széles körben a globális hajógyártásban. Tervezési funkció A Cousteau turbóvitorlák lehetővé teszik a hajtóerő elérését a szél irányától függetlenül. Egy ilyen hajtóművel felszerelt hajó akár széllel szemben is vitorlázhat, ami tagadhatatlan előnyt jelent mind a hagyományos vitorlákkal, mind a rotorvitorlákkal szemben. De még ezen előnyök ellenére sem került gyártásba a Cousteau-rendszer.

Ez nem jelenti azt, hogy manapság ne próbálnák életre kelteni Flettner ötletét. Számos amatőr projekt létezik. 2010-ben a történelem harmadik hajója, a Bukau és az Alsion után készült rotorvitorlákkal - egy 130 méteres német Ro-Lo osztályú teherautó. A hajó meghajtórendszere két pár forgó rotorból és pár dízelmotorból áll nyugalom esetén és további vonóerő megteremtése érdekében. A rotorvitorlák a segédmotorok szerepét töltik be: egy 10,5 ezer tonnás vízkiszorítású hajóhoz nem elegendő négy szélerőmű torony a fedélzeten. Ezek az eszközök azonban akár 40%-ot is megtakaríthatnak az üzemanyagból minden repülés alkalmával.
De a Cousteau-rendszer igazságtalanul feledésbe merült, bár a projekt gazdasági megvalósíthatósága bebizonyosodott. Ma az Alsion az egyetlen teljes értékű hajó, amely ilyen típusú meghajtással rendelkezik. Nem világos, hogy a rendszert miért nem használják kereskedelmi célokra, különösen teherhajókon, mivel lehetővé teszi a dízel üzemanyag akár 30%-os megtakarítását is, pl. pénz.

P. MANTASHYAN.

Folytatjuk P. N. Mantashyan „Örvények: a molekulától a galaxisig” című cikkének folyóirat-változatát (lásd: „Tudomány és élet sz.”). Tornádókról és tornádókról fogunk beszélni - hatalmas pusztító erejű természetes képződmények, előfordulásuk mechanizmusa még mindig nem teljesen világos.

Tudomány és élet // Illusztrációk

Tudomány és élet // Illusztrációk

Rajz Benjamin Franklin amerikai fizikus könyvéből, amely elmagyarázza a tornádók mechanizmusát.

A Spirit rover felfedezte, hogy a Mars vékony légkörében tornádók fordulnak elő, és le is fényképezte őket. Fotó a NASA weboldaláról.

Az Egyesült Államok déli részének és Kínának a síkságain előforduló óriási tornádók és tornádók félelmetes és nagyon veszélyes jelenségek.

Tudomány és élet // Illusztrációk

A tornádó elérheti a kilométer magasságot, csúcsát egy zivatarfelhőn nyugtatva.

A tengeri tornádó több tíz tonna vizet emel fel és von be a tengeri élőlényekkel együtt, és összetörhet és elsüllyeszthet egy kis hajót. A vitorlás hajók korában a tornádót úgy próbálták megsemmisíteni, hogy ágyúból lőttek rá.

A képen jól látszik, hogy a tornádó forog, spirálba csavarja a levegőt, port és esővizet.

Kansas City városa, amelyet egy hatalmas tornádó romokká változtatott.

A passzátszél áramlásában tájfunra ható erők.

Ampere törvénye.

Coriolis egy lemezjátszóra kényszerít.

Magnus-effektus az asztalon és a levegőben.

Az örvénylégmozgás nemcsak tájfunokban figyelhető meg. Vannak tájfunnál nagyobb örvények – ezek ciklonok és anticiklonok, a bolygó legnagyobb légörvényei. Méretük jelentősen meghaladja a tájfunok méretét, és több mint ezer kilométer átmérőjű lehet. Bizonyos értelemben ezek antipodeai örvények: szinte minden fordítva van bennük. Az északi és déli félteke ciklonjai ugyanabban az irányban forognak, mint e féltekék tájfunjai, az anticiklonok pedig ellenkező irányba. A ciklon csapadékkal kísért zord időjárást, míg az anticiklon ezzel szemben tiszta, napos időt hoz magával. A ciklon kialakulásának sémája meglehetősen egyszerű - minden a hideg és meleg légköri frontok kölcsönhatásával kezdődik. Ebben az esetben a meleg légköri front egy része egyfajta légköri „nyelv” formájában behatol a hideg belsejébe, aminek következtében a meleg levegő, könnyebb, emelkedni kezd, és ezzel egyidejűleg két folyamat megy végbe. Először is, a vízgőz-molekulák a Föld mágneses mezejének hatására forogni kezdenek, és az összes felszálló levegőt bevonják a forgási mozgásba, óriási légörvényt alkotva (lásd: Tudomány és élet). Másodszor, a fenti meleg levegő lehűl, és a benne lévő vízgőz felhőkké kondenzálódik, amelyek csapadékként hullanak le eső, jégeső vagy hó formájában. Egy ilyen ciklon több naptól két-három hétig tönkreteheti az időjárást. „Élettevékenységét” támogatja a nedves meleg levegő új adagjainak érkezése és a hideg levegő fronttal való kölcsönhatása.

Az anticiklonok a légtömegek leereszkedéséhez kapcsolódnak, amelyek ugyanakkor adiabatikusan felmelegszenek, vagyis a környezettel való hőcsere nélkül csökken a relatív páratartalmuk, ami a meglévő felhők elpárolgásához vezet. Ugyanakkor a vízmolekulák és a Föld mágneses mezőjének kölcsönhatása miatt a levegő anticiklonális forgása következik be: az északi féltekén - az óramutató járásával megegyezően, a déli féltekén - az óramutató járásával ellentétes irányba. Az anticiklonok több naptól két-három hétig tartó stabil időjárást hoznak magukkal.

Nyilvánvalóan a ciklonok, anticiklonok és tájfunok keletkezési mechanizmusai azonosak, és a tájfunok fajlagos energiaintenzitása (tömegegységre jutó energia) sokkal nagyobb, mint a ciklonoké és az anticiklonoké, csak azért, mert több. magas hőmérsékletű napsugárzás által felmelegített légtömegek.

Tornádók

A természetben kialakuló örvények közül a legtitokzatosabbak a tornádók, valójában egy zivatarfelhő részei. Eleinte a tornádó első szakaszában a forgás csak a zivatarfelhő alsó részén látható. Ezután ennek a felhőnek egy része óriási tölcsér formájában lóg le, amely egyre hosszabb lesz, és végül eléri a föld vagy a víz felszínét. Egy hatalmas törzs jelenik meg, amely egy felhőn lóg, amely belső üregből és falakból áll. A tornádó magassága több száz métertől egy kilométerig terjed, és általában megegyezik a felhő alja és a föld felszíne közötti távolsággal. A belső üreg jellegzetessége a benne lévő levegő csökkentett nyomása. A tornádónak ez a tulajdonsága ahhoz a tényhez vezet, hogy a tornádó ürege egyfajta szivattyúként szolgál, amely hatalmas mennyiségű vizet képes beszívni a tengerből vagy a tóból, az állatokkal és növényekkel együtt, jelentős távolságokra szállítani és eldobni. le őket az esővel együtt. A tornádó meglehetősen nagy terheket képes szállítani - autókat, kocsikat, kis hajókat, kis épületeket, és néha még embereket is. A tornádónak óriási pusztító ereje van. Épületekkel, hidakkal, távvezetékekkel és egyéb infrastruktúrákkal érintkezve óriási pusztítást okoz.

A tornádók maximális fajlagos energiaintenzitása az örvénylevegő áramlási sebességének négyzetével arányos. A meteorológiai besorolás szerint, ha a szél sebessége zárt örvényben nem haladja meg a 17 m/s-ot, azt trópusi mélyedésnek nevezik, de ha a szél sebessége nem haladja meg a 33 m/s-ot, akkor trópusi viharról van szó, és ha a szél sebessége 34 m/s és afeletti, akkor ez már tájfun. Erőteljes tájfunokban a szél sebessége meghaladhatja a 60 m/s-t. Különböző szerzők szerint tornádóban a levegő sebessége elérheti a 100-200 m/s-ot (egyes szerzők szuperszonikus légsebességre utalnak tornádóban - 340 m/s felett). A légáramlás sebességének közvetlen mérése tornádókban a technológiai fejlettség jelenlegi szintjén gyakorlatilag lehetetlen. A tornádó paramétereinek rögzítésére tervezett összes eszközt kíméletlenül összetörik az első érintkezéskor. A tornádók áramlási sebességét közvetett jelek alapján ítélik meg, főként az általuk okozott pusztulás vagy az általuk hordozott terhek súlya alapján. Kívül, megkülönböztető vonás klasszikus tornádó - egy fejlett zivatarfelhő jelenléte, egyfajta elektromos akkumulátor, amely növeli a tornádó fajlagos energiaintenzitását. A tornádó kialakulásának és fejlődésének mechanizmusának megértéséhez először is vegyük figyelembe a zivatarfelhő szerkezetét.

VIHARFELHŐ

Egy tipikus zivatarfelhőben a teteje pozitív, az alapja pedig negatív töltésű. Vagyis egy óriási, sok kilométeres elektromos kondenzátor lebeg a levegőben, amit növekvő áramok támogatnak. Egy ilyen kondenzátor jelenléte ahhoz a tényhez vezet, hogy a föld vagy a víz felszínén, amely felett a felhő található, megjelenik az elektromos nyoma - egy indukált elektromos töltés, amelynek előjele ellentétes a bázis töltésének előjelével. a felhő, vagyis a földfelszín pozitív töltésű lesz.

Az indukált elektromos töltés létrehozására irányuló kísérlet egyébként otthon is elvégezhető. Helyezzen kis papírdarabkákat az asztal felületére, fésülje meg a száraz hajat műanyag fésűvel, és vigye közelebb a fésűt a kiszórt papírdarabokhoz. Mindannyian az asztalról felnézve a fésűhöz rohannak, és ragaszkodnak hozzá. Ennek az egyszerű kísérletnek az eredménye nagyon egyszerűen megmagyarázható. A fésű a hajjal való súrlódás következtében elektromos töltést kapott, és a papírdarabon ellentétes előjelű töltést indukál, ami a papírdarabkákat a Coulomb-törvénynek megfelelően a fésűhöz vonzza.

A kialakult zivatarfelhő aljánál erőteljes felfelé áramlik a nedvességgel telített levegő. A Föld mágneses mezejében forogni kezdõ dipólus vízmolekulák mellett, amelyek lendületet adnak át a semleges levegõmolekuláknak, forgásba vonják õket, a felfelé irányuló áramlásban pozitív ionok és szabad elektronok is vannak. Kialakulhatnak a napsugárzás molekulákra, a terület természetes radioaktív hátterére, illetve zivatarfelhő esetén a zivatarfelhő alapja és a talaj közötti elektromos tér energiája hatására ( emlékezz az indukált elektromos töltésre!). Egyébként a földfelszínen indukált pozitív töltés miatt a felszálló levegő áramlásában a pozitív ionok száma jelentősen meghaladja a negatív ionok számát. Mindezek a töltött részecskék az emelkedő légáramlás hatására a zivatarfelhő tövébe rohannak. Azonban a pozitív és negatív részecskék függőleges sebessége elektromos térben eltérő. A térerősség a felhő alapja és a földfelszín közötti potenciálkülönbséggel becsülhető meg – kutatói mérések szerint ez több tízmillió volt, ami a zivatarfelhő alapjának magasságával kb. egy-két kilométerre, több tízezer voltos elektromos térerőt ad méterenként. Ez a mező felgyorsítja a pozitív ionokat és késlelteti a negatív ionokat és elektronokat. Ezért egységnyi idő alatt több pozitív töltés fog áthaladni a felfelé irányuló áramlás keresztmetszetén, mint negatív. Más szóval, elektromos áram keletkezik a földfelszín és a felhő alapja között, bár helyesebb lenne nagyszámú elemi áramról beszélni, amely összeköti a földfelszínt a felhő alapjával. Mindezek az áramok párhuzamosak és ugyanabban az irányban áramlanak.

Nyilvánvaló, hogy Ampere törvénye szerint kölcsönhatásba lépnek egymással, nevezetesen vonzanak. A fizika során ismeretes, hogy két, azonos irányú elektromos árammal rendelkező vezető egységnyi hosszára eső kölcsönös vonzás ereje egyenesen arányos ezen áramok erőinek szorzatával és fordítottan arányos a vezetők közötti távolsággal.

A két elektromos vezető közötti vonzás a Lorentz-erőknek köszönhető. Az egyes vezetők belsejében mozgó elektronokat a szomszédos vezetőben lévő elektromos áram által létrehozott mágneses tér befolyásolja. A Lorentz-erő hat rájuk, amelyet a vezetők középpontját összekötő egyenes vonal mentén irányítanak. De ahhoz, hogy a kölcsönös vonzás ereje létrejöjjön, a vezetők jelenléte teljesen szükségtelen - maguk az áramok is elegendőek. Például két nyugalmi részecske, amelyeknek azonos az elektromos töltésével, taszítják egymást a Coulomb-törvény szerint, de ugyanazok a részecskék, amelyek ugyanabban az irányban mozognak, addig vonzzák, amíg a vonzó és taszító erők kiegyenlítik egymást. Könnyen belátható, hogy az egyensúlyi helyzetben lévő részecskék távolsága csak a sebességüktől függ.

Az elektromos áramok kölcsönös vonzása miatt a töltött részecskék a zivatarfelhő közepébe rohannak, és útközben kölcsönhatásba lépnek az elektromosan semleges molekulákkal, és azokat is a zivatarfelhő közepébe mozgatják. A felszálló áramlás keresztmetszete többszörösére csökken, és mivel az áramlás forog, a szögimpulzus megmaradásának törvénye szerint a szögsebessége nő. Ugyanaz fog történni a felfelé irányuló áramlással, mint egy műkorcsolyázóval, aki kinyújtott karokkal pörög a jégen, és testéhez szorítja, amitől a forgási sebessége meredeken megnő (tankönyvpélda fizika tankönyvekből, amit meg is nézhetünk TÉVÉ!). A levegő forgási sebességének ilyen éles növekedése egy tornádóban az átmérőjének egyidejű csökkenésével a lineáris szélsebesség megfelelő növekedéséhez vezet, amely, mint fentebb említettük, akár a hangsebességet is meghaladhatja.

A zivatarfelhő jelenléte, amelynek elektromos tere előjellel választja el a töltött részecskéket, vezet ahhoz, hogy a légáramlás sebessége tornádóban meghaladja a tájfun légáramlási sebességét. Képletesen szólva a zivatarfelhő egyfajta „elektromos lencseként” szolgál, amelynek fókuszában a nedves levegő felfelé áramló energiája koncentrálódik, ami tornádó kialakulásához vezet.

KIS ÖRVÉNYEK

Vannak olyan örvények is, amelyek kialakulásának mechanizmusa semmiképpen nem kapcsolódik a dipólus vízmolekula mágneses térben való forgásához. Közülük a leggyakoribbak a porördögök. Sivatagi, sztyepp- és hegyvidéki területeken alakulnak ki. Méretükben alacsonyabbak a klasszikus tornádóknál, magasságuk körülbelül 100-150 méter, átmérőjük pedig több méter. A porördögök kialakulásához szükséges feltétel a sivatagi, jól fűtött síkság. Egy ilyen örvény kialakulása után meglehetősen rövid ideig, 10-20 percig létezik, és ez idő alatt a szél hatására mozog. Annak ellenére, hogy a sivatagi levegő gyakorlatilag nem tartalmaz nedvességet, forgó mozgását az elemi töltések és a Föld mágneses mezőjének kölcsönhatása biztosítja. A nap által erősen felmelegített síkságon erőteljes felfelé irányuló levegőáramlás keletkezik, amelynek egyes molekulái a napsugárzás hatására, és különösen annak ultraibolya része ionizálódnak. A napsugárzás fotonjai kiütik az elektronokat a levegőatomok külső elektronhéjából, pozitív ionpárokat és szabad elektronokat képezve. Tekintettel arra, hogy az elektronok és a pozitív ionok tömege jelentősen eltérő azonos töltés mellett, az örvény szögimpulzusának létrehozásához való hozzájárulásuk eltérő, és a porörvény forgásirányát a pozitív ionok forgási iránya határozza meg. . Egy ilyen forgó száraz levegőoszlop mozgása során felemeli a port, homokot és apró kavicsokat a sivatag felszínéről, amelyek önmagukban nem játszanak szerepet a porkavargás kialakulásának mechanizmusában, hanem egyfajta indikátorként szolgálnak a sivatag felszínéről. levegő forgása.

A levegőörvények, egy meglehetősen ritka természeti jelenség, szintén megtalálhatók a szakirodalomban. A nap legmelegebb szakában jelennek meg a folyók vagy tavak partján. Az ilyen örvények élettartama rövid, váratlanul jelennek meg, és ugyanolyan hirtelen tűnnek el. Nyilvánvalóan mind a vízmolekulák, mind a napsugárzás hatására meleg és nedves levegőben keletkező ionok hozzájárulnak a létrejöttükhöz.

Sokkal veszélyesebbek a vízörvények, amelyek kialakulásának mechanizmusa hasonló. Megőrizték a leírást: „1949 júliusában Washington államban egy meleg napsütéses napon a felhőtlen ég alatt magas vízpermet jelent meg a tó felszínén. Csak néhány percig létezett, de jelentős emelőereje volt. A folyóparthoz közeledve egy meglehetősen nehéz, körülbelül négy méter hosszú motorcsónakot felemelt, több tíz métert vitt, és a földet érve darabokra törte. A vízörvények leggyakrabban ott fordulnak elő, ahol a víz felszínét erősen felmelegíti a nap – a trópusi és szubtrópusi övezetekben."

Kavargó légáramlás fordulhat elő nagy tüzek során. Ilyen eseteket ismertet a szakirodalom. „1840-ben az Egyesült Államokban erdőket irtottak ki szántóföldi célokra. Hatalmas mennyiségű bozót, ágak és fák kerültek egy nagy tisztásra. Felgyújtották őket. Egy idő után az egyes tüzek lángjai összehúzódtak, alul széles, felül hegyes, 50-60 méter magas tűzoszlopot alkotva. Még magasabban a tűz átadta helyét a füstnek, amely az égbe szállt. A tűz- és füstörvény elképesztő sebességgel forgott. A fenséges és félelmetes látványt hangos, mennydörgésre emlékeztető zaj kísérte. A forgószél ereje akkora volt, hogy nagy fákat emelt a levegőbe, és félredobta őket.

Tekintsük a tűztornádó kialakulásának folyamatát. A fa égésekor hő szabadul fel, ami részben a felmelegedett levegő felszálló áramlásának mozgási energiájává alakul. Az égés során azonban egy másik folyamat is végbemegy - a levegő és az égéstermékek ionizációja.

üzemanyag. És bár általában a felmelegített levegő és az üzemanyag égéstermékei elektromosan semlegesek, a lángban pozitív töltésű ionok és szabad elektronok keletkeznek. Az ionizált levegő mozgása a Föld mágneses mezőjében elkerülhetetlenül tűztornádó kialakulásához vezet.

Szeretném megjegyezni, hogy az örvénylégmozgás nem csak nagy tüzek során fordul elő. A „Tornádók” című könyvében D. V. Nalivkin felteszi a kérdéseket: „Már nem egyszer beszéltünk a kisdimenziós örvényekkel kapcsolatos rejtélyekről, megpróbáltuk megérteni, miért forog az összes örvény. Más kérdések is felmerülnek. Miért, amikor a szalma ég, a felmelegített levegő nem egyenes vonalban, hanem spirálisan emelkedik fel és örvénylni kezd. A forró levegő ugyanúgy viselkedik a sivatagban. Miért nem megy fel por nélkül? Ugyanez történik a vízpermettel és a fröccsenéssel, amikor forró levegő áramlik a víz felszínén.”

Vannak örvények, amelyek a vulkánkitörések során keletkeznek, például a Vezúv felett figyelték meg őket. A szakirodalomban hamuörvényeknek nevezik őket – a vulkán által kitört hamufelhők részt vesznek az örvénymozgásban. Az ilyen örvények kialakulásának mechanizmusa általában hasonló a tűztornádók kialakulásának mechanizmusához.

Lássuk most, milyen erők hatnak a tájfunokra Földünk viharos légkörében.

CORIOLIS ERŐ

A forgó referenciakeretben, például egy forgó korong vagy golyó felületén mozgó testre a Coriolis-erőnek nevezett tehetetlenségi erő hat. Ezt az erőt a vektorszorzat határozza meg (a képletek számozása a cikk első részében kezdődik)

F K = 2M[ VΩ], (20)

Ahol M- testtömeg; V a testsebesség vektora; Ω - a referenciarendszer forgási szögsebességének vektora, abban az esetben földgolyó- a Föld forgásának szögsebessége, és [VΩ] - vektorszorzatuk, amely skaláris formában így néz ki:

F l = 2M | V | | Ω | sin α, ahol α a vektorok közötti szög.

A földgömb felszínén mozgó test sebessége két komponensre bontható. Az egyik a golyót érintő síkban fekszik azon a ponton, ahol a test található, más szóval a sebesség vízszintes összetevője: a második, függőleges komponens merőleges erre a síkra. A testre ható Coriolis-erő arányos elhelyezkedése földrajzi szélességének szinuszával. Az északi féltekén egy meridián mentén bármely irányba mozgó test mozgása során a Coriolis-erőnek van kitéve, amely jobbra irányul. Ez az erő okozza az északi félteke folyóinak jobb partjának elmosását, függetlenül attól, hogy északra vagy délre folynak. A déli féltekén ugyanaz az erő irányul balra a mozgásban, és a meridionális irányban folyó folyók elmossák a bal partokat. A földrajzban ezt a jelenséget Beer törvényének nevezik. Ha a meder nem esik egybe a meridián irányával, a Coriolis-erő kisebb lesz a folyó áramlási iránya és a meridián közötti szög koszinuszával.

Szinte minden tájfunok, tornádók, ciklonok és mindenféle örvények kialakulásával, valamint további mozgásukkal foglalkozó tanulmány azt mutatja, hogy a Coriolis-erő az, amely ezek előfordulásának kiváltó okaként szolgál, és ez határozza meg azok pályáját. mozgás a Föld felszínén. Ha azonban a Coriolis-erő részt vesz a tornádók, tájfunok és ciklonok létrehozásában, akkor az északi féltekén jobbra, az óramutató járásával megegyezően, a déli féltekén pedig balra, vagyis az óramutató járásával ellentétes irányban forognak. De a tájfunok, tornádók és ciklonok az északi féltekén balra, az óramutató járásával ellentétes irányban, a déli féltekén pedig jobbra, az óramutató járásával megegyezően forognak. Ez abszolút nem felel meg a Coriolis-erő befolyási irányának, sőt, egyenesen ellentétes vele. Mint már említettük, a Coriolis-erő nagysága arányos a földrajzi szélesség szinuszával, ezért a pólusokon a legnagyobb, az Egyenlítőn pedig hiányzik. Következésképpen, ha ez hozzájárulna a különböző léptékű örvények létrejöttéhez, akkor azok leggyakrabban poláris szélességi körökben jelennének meg, ami teljesen ellentmond a rendelkezésre álló adatoknak.

A fenti elemzés tehát meggyőzően bizonyítja, hogy a Coriolis-erőnek semmi köze a tájfunok, tornádók, ciklonok és mindenféle örvényképződés folyamatához, amelyek kialakulásának mechanizmusairól az előző fejezetekben volt szó.

Úgy gondolják, hogy a Coriolis-erő határozza meg a pályájukat, különösen azért, mert az északi féltekén a tájfunok, mint meteorológiai képződmények, mozgásuk során jobbra, a déli féltekén pedig balra térnek el, ami megfelel a tájfunok irányának. a Coriolis-erő hatása ezeken a féltekéken. Úgy tűnik, hogy megtalálták a tájfun pályáinak eltérésének okát - ez a Coriolis-erő, de ne rohanjunk a következtetésekkel. Ahogy fentebb említettük, amikor egy tájfun a Föld felszínén mozog, Coriolis-erő hat rá, egyetlen tárgyként, ami egyenlő:

F к = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

ahol θ a tájfun földrajzi szélessége; α a tájfun egészének sebességvektora és a meridián közötti szög.

Utána járni az igazi ok A tájfun pályáinak eltérései, próbáljuk meg meghatározni a tájfunra ható Coriolis-erő nagyságát, és összehasonlítani egy másik, amint látni fogjuk, valósabb erővel.

MAGNUS EREJE

A passzátszél által mozgatott tájfunra olyan erő hat, amelyet a szerző legjobb tudomása szerint még egyetlen kutató sem vett figyelembe ebben az összefüggésben. Ez a tájfun, mint egyetlen tárgy kölcsönhatási ereje a tájfunt mozgató légáramlással. Ha megnézzük a tájfunok röppályáit ábrázoló képet, világossá válik, hogy keletről nyugatra haladnak a folyamatosan fújó trópusi szelek, passzátszelek hatására, amelyek a földgömb forgása következtében jönnek létre. A passzátszél ugyanakkor nemcsak keletről nyugatra viszi a tájfunt. A legfontosabb az, hogy a passzátszélben elhelyezkedő tájfunra olyan erő hat, amelyet a tájfun légáramainak kölcsönhatása okoz a passzátszél légáramlásával.

A rácsapódó folyadék- vagy gázáramban forgó testre ható keresztirányú erő fellépésének hatását G. Magnus német tudós fedezte fel 1852-ben. Ez abban nyilvánul meg, hogy ha egy forgó körhenger a tengelyére merőlegesen forgó (lamináris) áramlás körül áramlik, akkor a hengernek abban a részében, ahol felületének lineáris sebessége ellentétes a szembejövő áramlás sebességével, egy magas nyomású terület jelenik meg. A másik oldalon pedig, ahol a felület lineáris sebességének iránya egybeesik a szembejövő áramlás sebességével, van egy alacsony nyomású terület. A henger ellentétes oldalán lévő nyomáskülönbség a Magnus erőt hozza létre.

A feltalálók megpróbálták kihasználni Magnus erejét. Olyan hajót terveztek, szabadalmaztattak és építettek, amelyre vitorlák helyett függőleges hengereket szereltek fel, amelyeket hajtóművek forgatnak. Az ilyen forgó hengeres „vitorlák” hatásfoka egyes esetekben még a hagyományos vitorlákét is meghaladta. A Magnus-effektust olyan futballisták is használják, akik tudják, hogy ha a labdát eltalálva forgó mozgást adnak neki, akkor a repülési útvonala görbe vonalú lesz. Egy ilyen rúgással, amit „száraz lapnak” neveznek, szinte a futballpálya kapujával egy vonalban elhelyezkedő sarkáról küldheti a labdát az ellenfél kapujába. Röplabdázók, teniszezők és pingpongozók is pörgetik a labdát, amikor eltalálják. Az ívelt labda összetett pályán való mozgása minden esetben sok problémát okoz az ellenfélnek.

Térjünk azonban vissza a passzátszél által megmozgatott tájfunhoz.

Az óceánok trópusi szélességein a passzátszelek, a stabil légáramlatok (amelyek évente több mint tíz hónapig folyamatosan fújnak) területük 11 százalékát borítják az északi féltekén, a déli féltekén pedig akár 20 százalékát. A passzátszelek fő iránya keletről nyugatra, de 1-2 kilométeres magasságban kiegészülnek az egyenlítő felé fújó meridionális szelek. Ennek eredményeként az északi féltekén a passzátszelek délnyugatra, a déli féltekén pedig

Északnyugatra. A passzátszelek Kolumbusz első expedíciója (1492-1493) után váltak ismertté az európaiak előtt, amikor résztvevői elképedtek az erős északkeleti szelek stabilitásán, amelyek Spanyolország partjairól karavellákat szállítottak az Atlanti-óceán trópusi vidékein.

A tájfun gigantikus tömege a passzátszél légáramlásában forgó hengernek tekinthető. Mint már említettük, a déli féltekén az óramutató járásával megegyező, az északi féltekén pedig az óramutató járásával ellentétes irányban forognak. Ezért a passzátszelek erőteljes áramlásával való kölcsönhatás miatt a tájfunok mind az északi, mind a déli féltekén eltérnek az egyenlítőtől - északra, illetve délre. Mozgásuk ilyen jellegét jól megerősítik a meteorológusok megfigyelései.

(A vége következik.)

AMPERE TÖRVÉNYE

1920-ban Anre Marie Ampere francia fizikus kísérleti úton felfedezett egy új jelenséget - két vezető kölcsönhatását az árammal. Kiderült, hogy két párhuzamos vezető vonz vagy taszít a bennük lévő áram irányától függően. A vezetők hajlamosak közelebb kerülni egymáshoz, ha az áramok azonos irányú (párhuzamos) folynak, és távolodnak egymástól, ha az áramok ellentétes irányú (antipárhuzamos). Ampere helyesen tudta megmagyarázni ezt a jelenséget: az áramok mágneses mezőinek kölcsönhatása következik be, amelyet a „gimlet-szabály” határoz meg. Ha a karmantyút az I áram irányába csavarjuk be, akkor a fogantyújának mozgása jelzi a H mágneses erővonalak irányát.

Két párhuzamosan repülő töltött részecske szintén elektromos áramot képez. Ezért pályájuk a részecsketöltés előjelétől és mozgásuk irányától függően konvergálni vagy eltérni fog.

A nagyáramú elektromos tekercsek (szolenoidok) tervezésénél figyelembe kell venni a vezetők kölcsönhatását - a menetükön átfolyó párhuzamos áramok nagy erőket hoznak létre, amelyek összenyomják a tekercset. Ismertek olyan esetek, amikor egy csőből készült villámhárító villámcsapás után hengerré változott: több száz kiloamperes erővel összenyomták a villámkisülési áram mágneses terei.

Az Amper-törvény alapján megállapították az áram mértékegységét SI-ben - ampert (A). A „fizikai mennyiségek egységei” állami szabvány meghatározza:

„Egy amper egyenlő azzal az áramerősséggel, amely két párhuzamos, végtelen hosszúságú és elhanyagolhatóan kis keresztmetszetű, vákuumban egymástól 1 m távolságra lévő egyenes vezetéken áthaladva kölcsönhatási erőt okozna 2 a vezeték 1 m hosszú szakaszán . 10-7 N.”

Részletek a kíváncsiskodóknak

MAGNUS ÉS CORIOLIS ERŐK

Hasonlítsuk össze a Magnus- és Coriolis-erők hatását a tájfunra, képzeljük el első közelítésként a passzátszél által repített forgó léghenger formájában. Egy ilyen hengerre Magnus erő hat, ami egyenlő:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

ahol D a tájfun átmérője; ρ - passzátszél levegő sűrűsége; H a magassága; V n > - légsebesség passzátszélben; V t - lineáris légsebesség tájfunban. Egyszerű átalakításokkal kapjuk

Fm = R 2 HρωV n, - (23)

ahol R a tájfun sugara; ω a tájfun forgási szögsebessége.

Első közelítésként feltételezve, hogy a passzát levegő sűrűsége megegyezik a tájfun levegősűrűségével, megkapjuk

M t = R 2 Hρ, - (24)

ahol M t a tájfun tömege.

Ekkor a (19) így írható fel

F m = M t ωV p - (25)

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

Ha a Magnus-erő kifejezését elosztjuk a Coriolis-erő (17) kifejezésével, megkapjuk

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

vagy F m /F k = V t /2RΩ sinθ cosα (28)

Figyelembe véve, hogy a nemzetközi besorolás szerint tájfunnak minősül trópusi ciklon, amelyben a szél sebessége meghaladja a 34 m/s-ot, számításainkban ezt a legkisebb értéket vesszük figyelembe. Mivel a tájfunok kialakulásának legkedvezőbb földrajzi szélessége 16 o, ezért θ = 16 o-t veszünk, és mivel közvetlenül a tájfunok kialakulásuk után szinte szélességi pályák mentén mozognak, α = 80 o-t veszünk. Vegyük egy közepes méretű tájfun sugarát 150 kilométerre. Az összes adatot behelyettesítve a képletbe, azt kapjuk

F m / F k = 205. (29)

Más szóval, a Magnus-erő kétszázszor nagyobb, mint a Coriolis-erő! Így egyértelmű, hogy a Coriolis-erőnek nincs köze nemcsak a tájfun létrehozásának folyamatához, hanem a pályájának megváltoztatásához sem.

A passzátszél tájfunját két erő befolyásolja - a fent említett Magnus-erő és a passzát szél aerodinamikai nyomásának ereje a tájfunra, ami egy egyszerű egyenletből megállapítható.

F d = KRHρV 2 p, - (30)

ahol K a tájfun aerodinamikai légellenállási együtthatója.

Könnyen belátható, hogy a tájfun mozgása az eredő erő hatásának köszönhető, amely a Magnus-erők és az aerodinamikai nyomás összege, amely p szöget zár be a kereskedelemben a légmozgás irányával. szél. Ennek a szögnek az érintője megtalálható az egyenletből

tgβ = F m /F d (31)

A (26) és (30) kifejezéseket (31) behelyettesítve egyszerű transzformációk után kapjuk

tgβ = V t /KV p, (32)

Nyilvánvaló, hogy a tájfunra ható F p erő érinti a pályáját, és ha ismert a passzátszél iránya és sebessége, akkor ezt az erőt egy adott tájfunra kellő pontossággal ki lehet számítani, így meghatározza további pályáját, amely minimalizálja az általa okozott károkat. A tájfun pályája lépésről lépésre előrejelezhető, a keletkező erő valószínű irányát a pályájának minden pontján kiszámítva.

Vektor formában a (25) kifejezés így néz ki:

F m = M [ωV p ]. (33)

Könnyen belátható, hogy a Magnus-erőt leíró képlet szerkezetileg megegyezik a Lorentz-erő képletével:

F l = q .

Ezeket a képleteket összehasonlítva és elemezve azt látjuk, hogy a képletek szerkezeti hasonlósága meglehetősen mély. Így mindkét vektorszorzat bal oldala (M& #969; és q V) jellemzi az objektumok paramétereit (tájfun és elemi részecske), és a jobb oldalakat ( V n és B) - környezet (passzátszél sebessége és mágneses mező indukciója).

Testedzés

CORIOLIS EGY JÁTÉKOSRA kényszeríti

Egy forgó koordinátarendszerben, például a földgömb felszínén, a Newton-törvények nem teljesülnek – az ilyen koordinátarendszer nem tehetetlen. Egy további tehetetlenségi erő jelenik meg benne, amely a test lineáris sebességétől és a rendszer szögsebességétől függ. Ez merőleges a test pályájára (és sebességére), és Coriolis-erőnek nevezik, Gustav Gaspard Coriolis (1792-1843) francia szerelőről nevezték el, aki ezt a többleterőt elmagyarázta és kiszámította. Az erőt úgy irányítják, hogy a sebességvektorhoz igazodva derékszögben kell elforgatni a rendszer forgásirányába.

Két egyszerű kísérlet elvégzésével láthatja, hogyan „működik” a Coriolis-erő egy elektromos lemezjátszó segítségével. Ezek végrehajtásához vágjon ki egy kört vastag papírból vagy kartonból, és helyezze a lemezre. Forgó koordináta-rendszerként fog szolgálni. Rögtön jegyezzük meg: a lejátszó lemeze az óramutató járásával megegyezően, a Föld pedig az óramutató járásával ellentétes irányban forog. Ezért a modellünkben szereplő erők a Földön megfigyeltekkel ellentétes irányba fognak irányulni a féltekénkben.

1. Helyezzen két köteg könyvet a lejátszó mellé, közvetlenül a tál fölé. Helyezzen vonalzót vagy egyenes rudat a könyvekre úgy, hogy az egyik széle illeszkedjen a korong átmérőjéhez. Ha a lemez álló helyzetében puha ceruzával vonalat húz a rúd mentén, annak közepétől a széléig, akkor természetesen egyenes lesz. Ha most elindítja a játékost, és egy ceruzát rajzol a rúd mentén, az egy ívelt pályát fog rajzolni balra - teljes összhangban a G. Coriolis által kiszámított törvénnyel.

2. Készítsen diát könyvhalomból, és ragasszon rá egy vastag papírhornyot a lemez átmérője mentén. Ha egy kis golyót görgetünk le egy horonyba egy álló korongra, akkor az átmérője mentén gördül. Egy forgó korongon pedig balra fog mozogni (ha persze kicsi a súrlódás a gördüléskor).

Testedzés

A MAGNUS HATÁS AZ ASZTALRA ÉS A LEVEGŐBEN

1. Ragasszon össze egy kis hengert vastag papírból. Helyezzen egy köteg könyvet nem messze az asztal szélétől, és kösse össze egy deszkával az asztal széléhez. Amikor a papírhenger legördül a kapott tárgylemezen, akkor számíthatunk arra, hogy egy parabola mentén elmozdul az asztaltól. Ehelyett azonban a henger élesen elhajlítja a pályáját a másik irányba, és az asztal alá repül!

Paradox viselkedése teljesen érthető, ha felidézzük Bernoulli törvényét: a gáz- vagy folyadékáramban a belső nyomás annál kisebb lesz, minél nagyobb az áramlási sebesség. Ezen a jelenségen alapul például a szórópisztoly működése: a magasabb légköri nyomás csökkentett nyomású légáramba préseli a folyadékot.

Érdekes módon az emberi áramlások is bizonyos mértékig engedelmeskednek Bernoulli törvényének. A metróban, a mozgólépcső bejáratánál, ahol nehézkes a forgalom, sűrű, szorosan összenyomott tömegben gyűlnek össze az emberek. A gyorsan mozgó mozgólépcsőn pedig szabadon állnak - az utasok áramlásában lecsökken a „belső nyomás”.

Amikor a henger leesik és tovább forog, a jobb oldalának sebességét kivonjuk a szembejövő légáramlás sebességéből, és hozzáadjuk a bal oldal sebességét. A légáramlás relatív sebessége a henger bal oldalán nagyobb, a nyomás pedig kisebb, mint a jobb oldalon. A nyomáskülönbség hatására a henger hirtelen megváltoztatja a pályáját, és az asztal alá repül.

Coriolis és Magnus törvényeit figyelembe veszik rakéták kilövésénél, nagy távolságra történő precíziós lövöldözésnél, turbinák, giroszkópok számításánál stb.

2. Tekerje be több fordulattal a papírhengert papírral vagy textilszalaggal. Ha most élesen meghúzza a szalag végét, az megpörgeti a hengert, és egyben előremozgatja. Ennek eredményeként Magnus erőinek hatására a henger repülni fog, és hurkokat ír le a levegőben.

A labda röppályájának furcsa változásai az átlagember számára csodának tűnnek. De a profi futballisták, kosárlabdázók és biliárdjátékosok számára az ilyen trükkök a készség mutatói. És itt emlékezünk a fizika törvényeire, amelyek olyan ajándékokat dobnak fel, mint a Magnus-effektus. Kezdetben az aerodinamikában észlelték, de ma már nagyon széles körben alkalmazzák a gömb alakú tárgy pályájának megváltoztatásának törvényét. Nemrég jelent meg az interneten egy videó, amely egyértelműen bemutatta ezt a fizikai jelenséget egy kosárlabda példáján. A videót két nap alatt több mint 9 millióan nézték meg, és felkeltette az érdeklődést a Magnus-effektus és annak hihetetlen alkalmazásai iránt.

Háttér

Az egész azzal kezdődött, hogy a porosz tüzérek nem tudták megérteni, hogy az ágyúik ágyúgolyói miért csapnak be állandóan rossz helyre. A mag elfordulása repülés közben, amelynek súlypontja nem esik egybe a geometriaival, torzította a repülési útvonalat. Isaac Newton írt a forgó golyó repülését befolyásoló aerodinamikai erőről, a porosz parancsnokok pedig a híres német tudóshoz, Heinrich Gustav Magnushoz (1802-1870) fordultak a labda repülésének görbe vonalú pályáinak tisztázása érdekében, aki 1853-ban tudományos magyarázatot adott. ennek a jelenségnek.

A tudós azt javasolta, hogy a probléma nem az objektum súlypontjában van, hanem a forgásában. Kísérletsorozatot végzett, és bár matematikai számításokat nem végzett, ő volt az első, aki bizonyította a forgó test repülési útvonalát megváltoztató aerodinamikai erőt.

Magnus után Ludwig Prandtl (1875-1953) kezdett érdeklődni ez iránt az erő iránt, aki erőt és sebességet mért. Legfontosabb eredménye, hogy megteremtette annak lehetőségét, hogy a keletkező erőt egy forgó rotorra (hengerre) fordítsák a transzlációs mozgás biztosítására. De a gyakorlatban ezt az ötletet egy másik német - Anton Flettner mérnök (1885-1961) hajtotta végre. Flettner és Cousteau rotorvitorláiról kicsit később.

A magyarázat nem a fizikusoknak szól

Figyelembe véve a newtoni szilárdtestfizika törvényeit, egyszerű szavakkal a folyamat így néz ki. Az örvénylő kerek tárgy felveszi a sebességet, a tárgy előtti levegő a forgás irányába mozog és a középpont felé húzódik. A tárgy másik oldalán a levegő a forgásiránnyal ellentétes irányban mozog. Ennek eredményeként az áramlás eltávolodik, és a tárgy az egyik oldalon kiszorítja a levegőt, a másik oldalon a levegő pedig kölcsönös, de eltérő irányú erőt alkot, ami megváltoztatja a tárgy repülési útvonalát. A folyamatábra a fenti ábrán látható, ez a hírhedt Magnus-effektus.

Flettner szélhajó

Anton Flettner 1922. szeptember 16-án kapott német szabadalmat egy forgóhajóra. És már 1926 októberében igazi szenzációt keltett a Kieli-öbölben egy szokatlan hajó, amelynek fedélzetén két nagy cső és áttört árboc volt. Ez volt az első Buckau forgóhajó, amely elhagyta a Friedrich Krupp hajóépítő cég siklóját.

Flettner a Magnus-effektust és az áramlási irányra merőlegesen forgó hengerek körüli áramláskor keletkező erőt használta. Attól az oldaltól, ahol a forgó test által keltett örvényáramlás iránya egybeesik a légáramlás irányával, a mozgási erő és sebesség meredeken növekszik. A fiatal mérnök, Flettner pontosan ezekre a rotorokra cserélte ki a vitorlákat, amelyeket később róla neveztek el.

Ennek a hajónak a rotorjait elektromos motorok hajtották. Ahol a rotor a széllel szemben forgott, megnövekedett nyomású terület jött létre. Az ellenkező oldalon - csökkenéssel. A keletkező erő megmozgatta a hajót.

Buckau becsülettel teljesítette a tesztet. 1925-ben Danzigból Skóciába hajózott olyan időjárási körülmények között, amikor a vitorlás hajók nem mertek tengerre menni. Az út sikeres volt, és a hajó legénysége 10 főre csökkent, szemben a vitorlás 20 fővel.

Erőltetett feledés

A Flettner rotorok előtt fényes jövő nyílt. A projekt sikerét megerősítette a hamburgi „Barbara” cég hajója. Egy teherbélés volt, melynek mozgását három 17 méteres rotor biztosította, 4-6 erejű szélben 13 csomós sebességet beállítva.

A projekt látszólagos sikere ellenére hosszú időre feledésbe merült. És ennek több oka is van. Flettner maga is elvesztette érdeklődését a hajózás iránt, és az 1920-as évek nagy gazdasági világválságában kezdett érdeklődni a repülés iránt.

Hajók újraélesztése rotoros felszereléssel

Flettner forgóhajójának folytatása Jacques-Yves Cousteau turbóvitorlája. Híres felfedezőés egy környezetbarát közlekedési eszközökért harcoló vadász 1885 áprilisában vízre bocsátotta a szabadalmaztatott turbóvitorlákkal felszerelt Alcyone hajót, amelyben a Magnus-effektust alkalmazták. Ez a hajó még ma is folyamatban van.

Sajnos Cousteau követőit nem nagyon érdekelték a hajókon elhelyezett forgóberendezések, és az irántuk való érdeklődés ismét elhalványult. Emlékeztek rájuk az olajválság kitörésével, és 2010-ben vízre bocsátották a harmadik, forgóberendezésekkel felszerelt hajót. Ez az Enercon nehéz, 130 méteres E-Ship 1-je, négy Flettner rotorral. Ma szélgenerátorokat szállít Németországból Európa országaiba, akár 9 tonna rakományt is elbír, és eléri a 17 csomós sebességet. A legénység mindössze 15 fő.

A Wind Again (Szingapúr), Wartsila (Finnország) és néhány más hajótársaság érdeklődött a rotációs berendezések iránt. Úgy tűnik, hogy az olajhiány és a riasztóan melegedő éghajlat szerepet fog játszani abban, hogy a szélhajtás visszatér a modern hajókhoz.

Alkalmazás a repülőgépiparban

A Magnus-effektus felhasználását a repülésben különféle tervezési megoldásokban valósították meg. A legegyszerűbb formák tengely alakú szárnyakat használtak, amelyek repülés közben forogtak. Ennek az iránynak az alapítói között szerepelt Karl Gligorin osztrák feltaláló is, aki a szárny alakját követő burkolat felszerelését javasolta a forgórészen. Amszterdamban E.B. hasonló projekteken dolgozott. Wolf, az amerikai John D. Gerst és K. Popper 1932-ben még tengely alakú szárnyakkal is tesztelték repülőgépeiket.

Az 1964-ben forgó tengelyekre átalakított észak-amerikai Rockwell YOU-10A Bronco működőképesnek bizonyult. Egy perui professzor, Alberto Alvarez-Calderon projektje volt. A prototípusnak azonban több hátránya volt, mint előnye.

Az erőfeszítések ellenére a Magnus-effektus nem vert gyökeret a repülésben. A rotor típusú szárnyak gyakorlati alkalmazása számos problémával jár, és gazdaságilag még nem indokolt.

Magnus-effektus és szélturbinák

Az alternatív energiaforrások iparának fejlesztése korunkban különösen fontos. És ebben az iparágban a Magnus-effektust használták. A lapátos szélgenerátorokat rotoros egységek váltják fel, amelyek gyakori és alacsony, 2-6 m/s szélsebességnél a leghatékonyabbak. Egy tengelyen alapulnak, amely körül a hengerek forognak. Az első ilyen telepítés, amelyet az Aerolla gyártott, 2015-ben jelent meg Minszk (Fehéroroszország) közelében. Teljesítménye 100 kW, a turbina rotor átmérője 36 méter. 9,5 m/s tervezési szélsebességgel működik.

Az ezirányú munka a Novoszibirszki Alkalmazott Mechanikai Intézetben, az SB RAS-ban folytatódik, és már léteznek olyan szélgenerátorok prototípusai, amelyek a Magnus-effektust használják 2 MW teljesítményig.

Nem egészen általános használat

A labda röppályájának megváltoztatásának ezt a hatását széles körben alkalmazzák a sportban: a topspin lövések és a „száraz lap” a futballban, a Hop Up rendszer az airsoftban.

A Magnus-effektust manapság széles körben alkalmazzák a repülőgépmodellek tervezésében. Például egy kartonból, villanymotorból és papír gyorséttermi poharakból készült repülőgépet a PeterSripol csatorna tervezett.

A Magnus-effektust a sárkányok gyártásához használják. Például D. Edwards vagy S. Albertson által tervezett szélkerék formájú kígyó.

De a „hurrikánvadászok” számára ez a fizikai jelenség nagyon veszélyessé válhat. Ha az autó és a talaj közötti aljzat nincs jól lezárva, akkor a résen keresztül egy hurrikán szél hatalmas emelőerőt tud létrehozni, amely könnyen a levegőbe tudja emelni az autót.

3. fejezet Magnus-effektus és Lorentz-erő

A Zsukovszkij-Chaplygin szárnyhoz hasonlóan a Magnus erő a forgó henger felületén a közegáram nyomáskülönbsége miatt keletkezik. Ezt a hatást H. G. Magnus német tudós fedezte fel 1852-ben. ábrán. A 8. ábra a közegáram és a forgóhenger felületének sebességvektorainak összeadását mutatja be.

Rizs. 8. Magnus-effektus forgó hengerhez

A henger felső részén (végnézetben) a közeg áramlásának iránya és a forgóhenger felülete egybeesik, a henger alsó részében pedig a felülete a közeg áramlása felé mozdul el. Mivel a forgóhenger alsó részében az áramlást az áramlás felé mozgó felülete lassítja, az áramlás dinamikus nyomása csökken, és a felületen a közeg statikus nyomása nő, összhangban Bernoulli összteljesítmény-törvényével. az áramlás nyomása. Ennek eredményeként a közeg nyomása a forgóhenger felső részére kisebb lesz, mint a henger alsó részére. Emelőerő keletkezik, akárcsak a Zsukovszkij-Chaplygin profilú szárny hatása.

A Magnus-effektust jól ismerik a labdarúgók és a teniszezők, akik arra használják, hogy íves repülési útvonalat készítsenek egy pörgő labdának. Egy „pörgő rúgással” a labda egyenesen repül, de forog a tengelye körül. Repülés közben egy légáram áramlik felé, ami Magnus-effektust hoz létre, a repülési útvonal ívelt. Egy ilyen ütés hatására a labda egy ívben elrepül, és rossz helyen találja el, ahol várható...

Tegyük fel, hogy egy mozgó közeg (levegő, víz, stb.) zárt áramlását konstruáltuk meg, amelyben több forgó henger van elhelyezve, amint az ábra mutatja. 9. Tegyük fel, hogy az egyes hengerek forgását független elektromos hajtás biztosítja, állítható fordulatszámmal és forgásiránysal.

Rizs. 9. Meghajtás a Magnus-effektus alapján

Ellentétben a mozgó közeg áramlásába beépített szárnyas kialakítással, ennek a sémának van egy fontos előnye: az axiális emelőerő nagysága és iránya megváltoztatható a hengerek sebességének és forgási irányának változtatásával. A keringő áramlás sebessége és iránya nem változtatható, ami jelentős előnyöket biztosít a jármű sebességében és manőverezhetőségében. Az ilyen típusú meghajtóegységek függőlegesen vagy vízszintesen is felszerelhetők, vonóerőt hozva létre.

Érdekes analógia merül fel a Magnus-effektussal, ha figyelembe vesszük a Lorentz-erőként ismert elektromágneses jelenséget: egy mágneses térben lévő áramvezető vezetőt az ábrán látható irányú erőhatásnak vetjük alá. 10. Korábban nem volt egyértelmű magyarázat az erő megjelenésének okára. A Magnus-effektussal való analógiákat feltételezve a Lorentz-erőt az éteri közeg nyomásgradiensének eredményeként értelmezhetjük. Ez először 1996-ban derült ki a jelentésből.

Rizs. 10. Lorentz-erő, az éter nyomásgradiensének eredményeként

ábra diagramján azonban. A 10. ábrán a vektorok szuperpozíciójával inverz képet kapunk, amelyet az 1. ábra mutat be. 8. A Magnus-erő egy közegáramlásban a henger felületének és a közegnek összehangolt mozgásának irányában forgó hengerre hat. ábrán. A 10. ábrán látható, hogy a Lorentz-erő a vektorok ellentétes szuperpozíciójának irányában hat. Miért?

Az a tény, hogy a vektorok az ábrán. A 10. ábrán hagyományos módon láthatók az elektromos áram (pozitív töltésű részecskék áramlása) és a mágneses tér vektorainak elfogadott megnevezései szerint. Az elektronok és éterrészecskék (mágneses térvektorok) valós áramlásának mozgási iránya eltér a hagyományos elnevezésektől. A hatás alapvetően a Magnus-effektushoz hasonlóan jön létre, a közeg különböző relatív sebességek miatti nyomásgradiense miatt, de az elektromágneses rendszerek az éteri közeget használják, nem levegőt vagy vizet.

Fontos megjegyezni, hogy az elektron vagy más töltött részecske, amely mozgás közben mágneses teret hoz létre, egy forgó tárgy. Pontosabb lenne lineáris mozgását csavarvonalnak, jobb vagy bal spirálnak tekinteni, attól függően, hogy egy adott anyagrészecske elektromos töltésének előjele.

Sokat írtak már az elektron szerkezetéről, de az olvasó figyelmébe ajánlom Poljakov apa és fia munkáját. Ezek a szerzők „Kísérleti gravitonika” című könyvükben megvizsgálták az elektron szerkezetét, és megmutatták, hogy az önmagába zárt, körkörös polarizációjú fotonként, azaz egy körkörös polarizációjú elektromágneses hullám dinamikus mozgási folyamataként ábrázolható. zárt toroid tér. Később részletesebben foglalkozunk ezzel a kérdéssel. Itt csak röviden jegyezzük meg, hogy ezzel a megfontolással a mágneses tér megjelenése, amikor egy töltött részecske mozog az éterben, egyértelmű analógiát mutat a fizikai környezet zavarásával, amely akkor következik be, amikor egy forgó henger vagy golyó egy adott környezetben mozog.

Azt mondhatjuk, hogy a külső mágneses tér kölcsönhatása, amelyen egy elektromosan töltött részecske a saját mágneses terével mozog, ugyanúgy eltéríti a részecskét, mint ahogy a levegő áramlása eltéríti a forgó labdát, nevezetesen, a közeg nyomásgradiensének létrejötte miatt a benne mozgó anyagrészecskén.

Ebben az esetben a Lorentz-erők és az Amper-erők olyan külső erők, amelyek az áramvezető vezetőkre vonatkoznak, amelyekre hatnak, azaz biztosíthatják mozgásukat a térben.

Ezek az érdekes analógiák az aerodinamika és az éterdinamika között számos építő ötletet adnak.