Turbosail adalah perangkat penggerak laut tipe rotor yang menciptakan daya dorong dari energi angin berkat fenomena fisik yang dikenal sebagai efek Magnus.

Turbosail beroperasi berdasarkan proses fisik yang terjadi ketika cairan atau gas mengalir di sekitar benda silinder atau bulat yang berputar, yang dikenal sebagai efek Magnus. Fenomena ini mendapatkan namanya dari nama ilmuwan Prusia Heinrich Magnus, yang mendeskripsikannya pada tahun 1853.

Bayangkan sebuah bola atau silinder yang berputar dalam aliran gas atau cairan yang mencucinya. Dalam hal ini, benda silinder harus berputar sepanjang sumbu memanjangnya. Selama proses ini timbul gaya yang vektornya tegak lurus terhadap arah aliran. Mengapa ini terjadi? Pada sisi benda yang arah putaran dan vektor alirannya bertepatan, kecepatan medium udara atau cairan meningkat, dan tekanan, sesuai dengan hukum Bernoulli, menurun. Di sisi berlawanan dari benda, di mana vektor rotasi dan aliran bersifat multiarah, kecepatan medium berkurang, seolah-olah melambat, dan tekanan meningkat. Perbedaan tekanan yang terjadi pada sisi berlawanan dari benda yang berputar menghasilkan gaya transversal. Dalam aerodinamika, dikenal sebagai gaya angkat yang membuat pesawat yang lebih berat dari udara tetap bisa terbang. Dalam kasus layar rotor, ini adalah gaya dengan vektor tegak lurus terhadap arah angin yang bekerja pada layar rotor yang dipasang secara vertikal di geladak dan berputar sepanjang sumbu memanjang.

Layar berputar Flettner

Fenomena fisik yang dijelaskan ini digunakan oleh insinyur Jerman Anton Flettner ketika menciptakan mesin kelautan jenis baru. Layar rotornya tampak seperti menara tenaga angin berbentuk silinder yang berputar. Pada tahun 1922, penemunya menerima paten untuk perangkatnya, dan pada tahun 1924, kapal putar pertama dalam sejarah, sekunar Bukau yang diubah, meninggalkan stoknya.
Turbosail Bukau digerakkan oleh motor listrik. Di sisi di mana permukaan rotor berputar ke arah angin, sesuai dengan efek Magnus, area dengan tekanan yang meningkat tercipta, dan di sisi yang berlawanan, area dengan tekanan yang berkurang. Akibatnya timbul gaya dorong yang menggerakkan kapal, asalkan ada angin samping. Flettner menempatkan pelat datar di atas silinder rotor untuk orientasi aliran udara di sekitar silinder yang lebih baik. Hal ini memungkinkan untuk menggandakan kekuatan pendorong. Rotor silinder logam berongga berputar yang menggunakan efek Magnus untuk menciptakan gaya dorong lateral kemudian dinamai menurut penciptanya.

Dalam pengujian, turbosail Flettner bekerja dengan sangat baik. Berbeda dengan perahu layar konvensional, angin samping yang kencang hanya meningkatkan kinerja kapal percobaan. Dua rotor silinder memungkinkan keseimbangan kapal lebih baik. Pada saat yang sama, dengan mengubah arah putaran rotor, pergerakan kapal maju atau mundur dapat diubah. Tentu saja, arah angin yang paling menguntungkan untuk menciptakan gaya dorong adalah tegak lurus terhadap sumbu memanjang kapal.

Turbosail dari Cousteau

Perahu layar dibangun pada abad ke-20, dan sedang dibangun pada abad ke-21. Layar modern terbuat dari bahan sintetis yang lebih ringan dan kuat, dan perlengkapan layar dengan cepat dilipat menggunakan motor listrik, sehingga membebaskan orang dari pekerjaan fisik.

Namun, gagasan tentang sistem baru yang fundamental, menggunakan energi angin untuk menciptakan daya dorong kapal, masih mengudara. Itu diambil oleh penjelajah dan penemu Perancis Jacques-Yves Cousteau. Sebagai seorang ahli kelautan, ia sangat terkesan dengan penggunaan angin sebagai sumber energi yang gratis, terbarukan, dan benar-benar ramah lingkungan. Pada awal 1980-an, ia mulai mengerjakan pembuatan propulsor untuk kapal modern. Dia mengambil turbosail Flettner sebagai dasar, tetapi memodernisasi sistem secara signifikan, membuatnya lebih kompleks, tetapi pada saat yang sama meningkatkan efisiensinya.

Apa perbedaan antara turbosail Cousteau dan sistem propulsi Flettner? Desain Cousteau adalah tabung logam berongga yang dipasang secara vertikal yang memiliki profil aerodinamis dan beroperasi dengan prinsip yang sama seperti sayap pesawat terbang. Pada penampang melintang pipa berbentuk tetesan air mata atau telur. Di sisinya terdapat kisi-kisi pemasukan udara tempat udara dipompa melalui sistem pompa. Dan kemudian efek Magnus mulai berlaku. Turbulensi udara menimbulkan perbedaan tekanan di dalam dan di luar layar. Ruang hampa tercipta di satu sisi pipa, dan segel dibuat di sisi lainnya. Akibatnya timbul gaya lateral yang menyebabkan kapal bergerak. Pada dasarnya, turbosail adalah sayap aerodinamis yang dipasang secara vertikal: di satu sisi udara mengalir lebih lambat dibandingkan sisi lainnya, sehingga menciptakan perbedaan tekanan dan gaya dorong lateral. Prinsip serupa digunakan untuk menciptakan gaya angkat pada pesawat terbang. Turbosail dilengkapi dengan sensor otomatis dan dipasang pada platform berputar yang dikendalikan oleh komputer. Mesin pintar memposisikan rotor dengan mempertimbangkan angin dan mengatur tekanan udara dalam sistem.

Cousteau pertama kali menguji prototipe turbosailnya pada tahun 1981 di kapal katamaran Moulin à Vent saat berlayar melintasi Samudra Atlantik. Selama perjalanan, kapal katamaran didampingi oleh kapal ekspedisi yang lebih besar demi keselamatan. Layar turbo eksperimental memberikan daya dorong, tetapi kurang dari layar dan motor tradisional. Selain itu, pada akhir perjalanan, karena kelelahan logam, lapisan las pecah di bawah tekanan angin, dan struktur tersebut jatuh ke dalam air. Namun, gagasan itu sendiri terkonfirmasi, dan Cousteau serta rekan-rekannya fokus pada pengembangan kapal putar yang lebih besar, Halsion. Diluncurkan pada tahun 1985. Layar turbo di atasnya merupakan tambahan dari gabungan dua mesin diesel dan beberapa baling-baling dan memungkinkan penghematan konsumsi bahan bakar hingga sepertiganya. Bahkan 20 tahun setelah kematian penciptanya, Alsion masih berpindah-pindah dan tetap menjadi andalan armada Cousteau.

Turbosail versus sayap kanvas

Bahkan dibandingkan dengan layar modern terbaik, rotor turbosail memberikan koefisien dorong 4 kali lipat. Berbeda dengan perahu layar, angin samping yang kencang tidak hanya berbahaya bagi kapal yang berputar, tetapi juga sangat bermanfaat bagi kemajuannya. Ia bergerak dengan baik bahkan dengan angin sakal pada sudut 250. Pada saat yang sama, kapal dengan layar tradisional “sangat menyukai” angin sakal.

Kesimpulan dan prospek

Sekarang analogi yang tepat dari layar Flettner dipasang sebagai penggerak tambahan di kapal kargo Jerman E-Ship-1. Dan model mereka yang ditingkatkan digunakan di kapal pesiar Alsion, milik Jacques-Yves Cousteau Foundation.
Oleh karena itu, saat ini terdapat dua jenis sistem propulsi untuk sistem Turbosail. Layar rotor konvensional, ditemukan oleh Flettner pada awal abad ke-20, dan versi modernnya oleh Jacques-Yves Cousteau. Pada model pertama, gaya total muncul dari luar silinder yang berputar; pada versi kedua yang lebih kompleks, pompa listrik menciptakan perbedaan tekanan udara di dalam pipa berlubang.

Turbosail pertama mampu menggerakkan kapal hanya dalam kondisi angin silang. Karena alasan inilah turbosail Flettner belum banyak digunakan dalam pembuatan kapal global. Fitur desain Turbosails dari Cousteau memungkinkan Anda memperoleh tenaga penggerak terlepas dari arah angin. Sebuah kapal yang dilengkapi dengan penggerak seperti itu bahkan dapat berlayar melawan angin, yang merupakan keunggulan yang tidak dapat disangkal dibandingkan layar konvensional dan layar rotor. Namun, meskipun memiliki kelebihan ini, sistem Cousteau juga tidak diproduksi.

Ini tidak berarti bahwa saat ini tidak ada upaya yang dilakukan untuk mewujudkan ide Flettner. Ada sejumlah proyek amatir. Pada tahun 2010, kapal ketiga dalam sejarah, setelah Bukau dan Alsion, dibangun dengan layar rotor - truk kelas Ro-Lo Jerman sepanjang 130 meter. Sistem propulsi kapal terdiri dari dua pasang rotor yang berputar dan sepasang mesin diesel untuk keadaan tenang dan untuk menciptakan traksi tambahan. Layar rotor berperan sebagai mesin bantu: untuk kapal dengan bobot perpindahan 10,5 ribu ton, empat menara tenaga angin di dek saja tidak cukup. Namun, perangkat ini dapat menghemat bahan bakar hingga 40% di setiap penerbangan.
Namun sistem Cousteau secara tidak adil dilupakan, meskipun kelayakan ekonomi proyek tersebut terbukti. Saat ini, Alsion adalah satu-satunya kapal lengkap dengan jenis penggerak ini. Tampaknya tidak jelas mengapa sistem ini tidak digunakan untuk tujuan komersial, khususnya pada kapal kargo, karena sistem ini memungkinkan penghematan hingga 30% bahan bakar diesel, yaitu. uang.

P.MANTASYAN.

Kami terus menerbitkan versi jurnal artikel P. N. Mantashyan “Vortices: from the Molecule to the Galaxy” (lihat “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan No.”). Kita akan berbicara tentang angin puting beliung dan angin puting beliung - bentukan alam dengan kekuatan penghancur yang sangat besar, mekanisme kemunculannya masih belum sepenuhnya jelas.

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Gambar dari buku fisikawan Amerika Benjamin Franklin, menjelaskan mekanisme tornado.

Penjelajah Spirit menemukan bahwa tornado terjadi di atmosfer tipis Mars dan memotretnya. Foto dari situs NASA.

Tornado raksasa dan angin puting beliung yang terjadi di dataran Amerika Serikat bagian selatan dan China merupakan fenomena yang dahsyat dan sangat berbahaya.

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Tornado dapat mencapai ketinggian satu kilometer, bertumpu pada puncaknya pada awan petir.

Angin puting beliung di laut mengangkat dan menyedot puluhan ton air beserta biota laut serta dapat menghancurkan dan menenggelamkan kapal kecil. Di era kapal layar, mereka mencoba menghancurkan angin puting beliung dengan menembakkan meriam.

Gambar tersebut dengan jelas menunjukkan bahwa angin puting beliung berputar, memutar udara, debu, dan air hujan menjadi spiral.

Kota Kansas City, berubah menjadi reruntuhan akibat angin puting beliung yang dahsyat.

Kekuatan yang bekerja pada angin topan dalam aliran angin pasat.

hukum Ampere.

Pasukan Coriolis di meja putar.

Efek Magnus di meja dan di udara.

Pergerakan pusaran udara diamati tidak hanya pada angin topan. Ada pusaran yang lebih besar dari topan - ini adalah siklon dan antisiklon, pusaran udara terbesar di planet ini. Ukurannya jauh melebihi ukuran topan dan diameternya bisa mencapai lebih dari seribu kilometer. Dalam arti tertentu, ini adalah pusaran antipodean: hampir semua hal terjadi sebaliknya. Siklon di belahan bumi utara dan selatan berputar ke arah yang sama dengan topan di belahan bumi ini, dan antisiklon berputar ke arah yang berlawanan. Siklon membawa cuaca buruk disertai curah hujan, sedangkan antisiklon sebaliknya membawa cuaca cerah dan cerah. Skema pembentukan siklon cukup sederhana - semuanya dimulai dengan interaksi front atmosfer dingin dan hangat. Dalam hal ini, bagian dari atmosfer hangat menembus ke dalam atmosfer dingin dalam bentuk semacam "lidah" ​​atmosfer, akibatnya udara hangat, yang lebih ringan, mulai naik, dan pada saat yang sama terjadi dua proses. Pertama, molekul uap air, di bawah pengaruh medan magnet bumi, mulai berputar dan melibatkan semua udara yang naik dalam gerakan rotasi, membentuk pusaran air raksasa (lihat “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No.). Kedua, udara hangat di atas mendingin, dan uap air di dalamnya mengembun menjadi awan, yang turun sebagai presipitasi dalam bentuk hujan, hujan es, atau salju. Topan seperti itu dapat merusak cuaca selama beberapa hari hingga dua hingga tiga minggu. “Aktivitas kehidupannya” didukung oleh masuknya bagian baru dari udara hangat yang lembab dan interaksinya dengan bagian depan udara dingin.

Antisiklon dikaitkan dengan turunnya massa udara, yang pada saat yang sama memanas secara adiabatik, yaitu, tanpa pertukaran panas dengan lingkungan, kelembaban relatifnya turun, yang menyebabkan penguapan awan yang ada. Pada saat yang sama, karena interaksi molekul air dengan medan magnet bumi, terjadi rotasi antiklonik udara: di Belahan Bumi Utara - searah jarum jam, di Belahan Bumi Selatan - berlawanan arah jarum jam. Antisiklon membawa serta cuaca yang stabil untuk jangka waktu beberapa hari hingga dua hingga tiga minggu.

Rupanya, mekanisme pembentukan siklon, antisiklon, dan topan adalah identik, dan intensitas energi spesifik (energi per satuan massa) topan jauh lebih besar daripada siklon dan antisiklon, hanya karena lebih banyak suhu tinggi massa udara yang dipanaskan oleh radiasi matahari.

TOnado

Dari semua vortisitas yang terbentuk di alam, yang paling misterius adalah tornado; sebenarnya, ini adalah bagian dari awan petir. Pada awalnya, pada tahap pertama tornado, rotasi hanya terlihat di bagian bawah awan petir. Kemudian sebagian dari awan ini menggantung membentuk corong raksasa yang semakin panjang hingga akhirnya mencapai permukaan bumi atau air. Sebuah batang raksasa muncul, tergantung di awan, yang terdiri dari rongga internal dan dinding. Ketinggian angin puting beliung berkisar antara ratusan meter hingga satu kilometer dan biasanya sama dengan jarak dasar awan ke permukaan bumi. Ciri khas rongga internal adalah berkurangnya tekanan udara di dalamnya. Ciri-ciri angin puting beliung ini mengarah pada fakta bahwa rongga angin puting beliung berfungsi sebagai semacam pompa, yang dapat menarik sejumlah besar air dari laut atau danau, bersama dengan hewan dan tumbuhan, mengangkutnya dalam jarak yang cukup jauh dan membuangnya. mereka turun bersama hujan. Tornado mampu membawa beban yang cukup besar - mobil, gerobak, kapal kecil, bangunan kecil, dan terkadang bahkan ada orang di dalamnya. Tornado memiliki kekuatan penghancur yang sangat besar. Ketika bersentuhan dengan bangunan, jembatan, saluran listrik dan infrastruktur lainnya, hal ini menyebabkan kerusakan yang sangat besar.

Tornado memiliki intensitas energi spesifik maksimum yang sebanding dengan kuadrat kecepatan aliran udara pusaran. Menurut klasifikasi meteorologi, bila kecepatan angin dalam pusaran tertutup tidak melebihi 17 m/s disebut depresi tropis, tetapi jika kecepatan angin tidak melebihi 33 m/s maka disebut badai tropis, dan jika kecepatan angin 34 m/s ke atas, maka ini sudah termasuk angin topan. Pada topan yang kuat, kecepatan angin bisa melebihi 60 m/s. Dalam tornado, menurut berbagai penulis, kecepatan udara dapat mencapai 100 hingga 200 m/s (beberapa penulis menunjuk pada kecepatan udara supersonik dalam tornado - lebih dari 340 m/s). Pengukuran langsung kecepatan aliran udara dalam tornado praktis tidak mungkin dilakukan pada tingkat perkembangan teknologi saat ini. Semua perangkat yang dirancang untuk mencatat parameter tornado tanpa ampun dirusak oleh mereka pada kontak pertama. Kecepatan arus tornado dinilai berdasarkan tanda tidak langsung, terutama berdasarkan kerusakan yang ditimbulkannya atau berdasarkan berat beban yang dibawanya. Di samping itu, fitur pembeda tornado klasik - adanya awan petir yang berkembang, sejenis baterai listrik yang meningkatkan intensitas energi spesifik tornado. Untuk memahami mekanisme munculnya dan berkembangnya angin puting beliung, mari kita perhatikan dulu struktur awan petir.

AWAN BADAI

Pada umumnya awan petir, bagian atas bermuatan positif dan bagian dasar bermuatan negatif. Artinya, sebuah kapasitor listrik raksasa berukuran beberapa kilometer melayang di udara, didukung oleh arus yang meningkat. Kehadiran kapasitor semacam itu mengarah pada fakta bahwa di permukaan bumi atau air di mana awan itu berada, jejak listriknya muncul - muatan listrik terinduksi yang memiliki tanda berlawanan dengan tanda muatan dasar. awan, yaitu permukaan bumi akan bermuatan positif.

Omong-omong, percobaan menciptakan muatan listrik induksi juga bisa dilakukan di rumah. Letakkan potongan kertas kecil di permukaan meja, sisir rambut kering dengan sisir plastik dan dekatkan sisir ke potongan kertas yang bertaburan. Semuanya, sambil mendongak dari meja, akan bergegas menuju sisir dan menempel padanya. Hasil percobaan sederhana ini dapat dijelaskan dengan sangat sederhana. Sisir menerima muatan listrik sebagai akibat gesekan dengan rambut, dan pada selembar kertas ia menginduksi muatan yang berlawanan tanda, yang menarik potongan kertas ke sisir sesuai dengan hukum Coulomb.

Di dekat dasar awan petir yang berkembang, terdapat aliran udara ke atas yang kuat dan jenuh dengan kelembapan. Selain molekul air dipol, yang mulai berputar di medan magnet bumi, mentransmisikan momentum ke molekul udara netral, menariknya ke dalam rotasi, terdapat ion positif dan elektron bebas dalam aliran ke atas. Mereka dapat terbentuk sebagai akibat dari pengaruh radiasi matahari pada molekul, latar belakang radioaktif alami di daerah tersebut dan, dalam kasus awan petir, karena energi medan listrik antara dasar awan petir dan tanah ( ingat muatan listrik yang diinduksi!). Omong-omong, karena muatan positif yang diinduksi di permukaan bumi, jumlah ion positif dalam aliran udara yang naik secara signifikan melebihi jumlah ion negatif. Semua partikel bermuatan ini, di bawah pengaruh aliran udara yang meningkat, bergegas menuju dasar awan petir. Namun kecepatan vertikal partikel positif dan negatif dalam medan listrik berbeda. Kekuatan medan dapat diperkirakan dengan perbedaan potensial antara dasar awan dan permukaan bumi - menurut pengukuran para peneliti, besarnya beberapa puluh juta volt, yang pada ketinggian dasar awan petir adalah satu hingga dua kilometer, memberikan kekuatan medan listrik puluhan ribu volt per meter. Medan ini akan mempercepat ion positif dan menghambat ion dan elektron negatif. Oleh karena itu, per satuan waktu, lebih banyak muatan positif yang melewati penampang aliran ke atas daripada muatan negatif. Dengan kata lain, akan timbul arus listrik antara permukaan bumi dan dasar awan, meskipun akan lebih tepat jika membicarakan sejumlah besar arus dasar yang menghubungkan permukaan bumi dengan dasar awan. Semua arus ini paralel dan mengalir dalam arah yang sama.

Jelas bahwa menurut hukum Ampere, mereka akan berinteraksi satu sama lain, yaitu tarik menarik. Dari mata kuliah fisika diketahui bahwa gaya tarik-menarik per satuan panjang dua buah penghantar yang arus listriknya mengalir searah berbanding lurus dengan hasil kali gaya-gaya arus tersebut dan berbanding terbalik dengan jarak antar penghantar.

Gaya tarik menarik antara dua penghantar listrik disebabkan oleh gaya Lorentz. Elektron yang bergerak di dalam setiap konduktor dipengaruhi oleh medan magnet yang diciptakan oleh arus listrik pada konduktor yang berdekatan. Mereka dikenai gaya Lorentz, diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan pusat konduktor. Tetapi agar kekuatan saling tarik-menarik muncul, keberadaan konduktor sama sekali tidak diperlukan - arusnya sendiri sudah cukup. Misalnya, dua partikel diam yang mempunyai muatan listrik yang sama akan tolak-menolak menurut hukum Coulomb, tetapi partikel-partikel yang sama yang bergerak searah akan tarik-menarik hingga gaya tarik-menarik dan gaya tolak-menolak seimbang. Sangat mudah untuk melihat bahwa jarak antar partikel dalam posisi setimbang hanya bergantung pada kecepatannya.

Karena adanya tarik-menarik arus listrik, partikel-partikel bermuatan bergegas ke pusat awan petir, berinteraksi dengan molekul-molekul yang netral secara elektrik di sepanjang jalan dan juga memindahkannya ke pusat awan petir. Luas penampang aliran menaik akan berkurang beberapa kali lipat, dan karena aliran berputar, menurut hukum kekekalan momentum sudut, kecepatan sudutnya akan meningkat. Hal yang sama akan terjadi pada aliran ke atas seperti pada seorang skater yang, berputar di atas es dengan tangan terentang, menekannya ke tubuhnya, menyebabkan kecepatan putarannya meningkat tajam (contoh buku teks dari buku teks fisika yang dapat kita tonton TELEVISI!). Peningkatan tajam dalam kecepatan rotasi udara dalam tornado dengan penurunan diameternya secara simultan akan menyebabkan peningkatan kecepatan angin linier, yang, seperti disebutkan di atas, bahkan dapat melebihi kecepatan suara.

Kehadiran awan petir, medan listrik yang memisahkan partikel bermuatan berdasarkan tanda, menyebabkan fakta bahwa kecepatan aliran udara dalam tornado melebihi kecepatan aliran udara dalam topan. Secara kiasan, awan petir berfungsi sebagai semacam "lensa listrik", di mana fokus energi aliran udara lembab ke atas terkonsentrasi, yang mengarah pada pembentukan tornado.

VORTEKS KECIL

Ada juga vortisitas, yang mekanisme pembentukannya sama sekali tidak ada hubungannya dengan rotasi molekul air dipol dalam medan magnet. Yang paling umum di antara mereka adalah setan debu. Mereka terbentuk di daerah gurun, padang rumput dan pegunungan. Dari segi ukuran, mereka kalah dengan tornado klasik, tingginya sekitar 100-150 meter, dan diameternya beberapa meter. Untuk pembentukan setan debu, kondisi yang diperlukan adalah gurun, dataran yang dipanaskan dengan baik. Setelah terbentuk, pusaran seperti itu berlangsung cukup lama, 10-20 menit, selama ini bergerak di bawah pengaruh angin. Terlepas dari kenyataan bahwa udara gurun hampir tidak mengandung uap air, gerakan rotasinya disebabkan oleh interaksi muatan dasar dengan medan magnet bumi. Di atas dataran, yang sangat panas oleh matahari, terjadi aliran udara ke atas yang kuat, beberapa molekulnya, di bawah pengaruh radiasi matahari dan terutama bagian ultravioletnya, terionisasi. Foton radiasi matahari melumpuhkan elektron dari kulit elektron terluar atom udara, membentuk pasangan ion positif dan elektron bebas. Karena elektron dan ion positif memiliki massa yang berbeda secara signifikan dengan muatan yang sama, kontribusinya terhadap penciptaan momentum sudut pusaran berbeda dan arah putaran pusaran debu ditentukan oleh arah putaran ion positif. . Kolom udara kering yang berputar seperti itu, ketika bergerak, mengangkat debu, pasir, dan kerikil kecil dari permukaan gurun, yang dengan sendirinya tidak memainkan peran apa pun dalam mekanisme pembentukan pusaran debu, tetapi berfungsi sebagai semacam indikator perputaran udara.

Pusaran udara, fenomena alam yang agak langka, juga dijelaskan dalam literatur. Mereka muncul pada waktu panas di tepi sungai atau danau. Masa hidup pusaran seperti itu singkat; mereka muncul secara tak terduga dan menghilang secara tiba-tiba. Rupanya, molekul air dan ion yang terbentuk di udara hangat dan lembab akibat radiasi matahari berkontribusi terhadap penciptaannya.

Yang jauh lebih berbahaya adalah pusaran air, yang mekanisme pembentukannya serupa. Deskripsinya masih tersimpan: “Pada bulan Juli 1949 di negara bagian Washington, pada hari yang cerah dan hangat di bawah langit tak berawan, semburan air yang tinggi muncul di permukaan danau. Ia hanya ada selama beberapa menit, namun memiliki daya angkat yang signifikan. Mendekati tepian sungai, ia mengangkat sebuah perahu motor yang agak berat, panjangnya sekitar empat meter, membawanya sejauh beberapa puluh meter dan, menghantam tanah, menghancurkannya menjadi beberapa bagian. Pusaran air paling umum terjadi ketika permukaan air sangat panas oleh matahari - di zona tropis dan subtropis."

Aliran udara yang berputar-putar dapat terjadi saat kebakaran besar. Kasus-kasus seperti itu dijelaskan dalam literatur; kami menyajikan salah satunya. “Pada tahun 1840, hutan ditebangi untuk dijadikan ladang di Amerika Serikat. Sejumlah besar semak belukar, dahan dan pohon dibuang di tempat terbuka yang luas. Mereka dibakar. Setelah beberapa lama, nyala api masing-masing menyatu membentuk kolom api, lebar di bawah, runcing di atas, tinggi 50 - 60 meter. Bahkan lebih tinggi lagi, api berganti dengan asap yang membubung tinggi ke angkasa. Angin puyuh api dan asap berputar dengan kecepatan luar biasa. Pemandangan yang megah dan menakutkan itu disertai dengan suara yang keras, mengingatkan pada guntur. Kekuatan angin puyuh begitu besar sehingga mengangkat pohon-pohon besar ke udara dan melemparkannya ke samping.”

Mari kita perhatikan proses terbentuknya angin puting beliung api. Ketika kayu terbakar, panas dilepaskan, yang sebagian diubah menjadi energi kinetik dari aliran udara panas yang naik. Namun, selama pembakaran, proses lain terjadi - ionisasi udara dan produk pembakaran.

bahan bakar. Dan meskipun secara umum produk pembakaran udara dan bahan bakar yang dipanaskan bersifat netral secara listrik, ion bermuatan positif dan elektron bebas terbentuk dalam nyala api. Pergerakan udara terionisasi di medan magnet bumi mau tidak mau akan berujung pada terbentuknya angin puting beliung api.

Saya ingin mencatat bahwa pergerakan pusaran udara terjadi tidak hanya selama kebakaran besar. Dalam bukunya “Tornadoes” D.V. Nalivkin mengajukan pertanyaan: “Kami telah berbicara lebih dari sekali tentang misteri yang terkait dengan pusaran dimensi kecil, mencoba memahami mengapa semua pusaran berputar? Pertanyaan lain juga muncul. Mengapa, ketika jerami dibakar, udara panas tidak naik dalam garis lurus, tetapi dalam bentuk spiral dan mulai berputar. Udara panas berperilaku sama di gurun. Mengapa tidak naik begitu saja tanpa ada debu? Hal yang sama terjadi pada semprotan dan cipratan air ketika udara panas mengalir ke permukaan air.”

Ada pusaran yang muncul selama letusan gunung berapi; misalnya, terjadi di Vesuvius. Dalam literatur, mereka disebut pusaran abu - awan abu yang meletus oleh gunung berapi ikut serta dalam pergerakan pusaran tersebut. Mekanisme terbentuknya vortisitas tersebut secara umum mirip dengan mekanisme terbentuknya angin puting beliung api.

Sekarang mari kita lihat gaya apa yang bekerja pada angin topan di atmosfer Bumi kita yang bergejolak.

KEKUATAN CORIOLIS

Suatu benda yang bergerak dalam kerangka acuan yang berputar, misalnya pada permukaan piringan atau bola yang berputar, dikenakan gaya inersia yang disebut gaya Coriolis. Gaya ini ditentukan oleh perkalian vektor (penomoran rumus dimulai pada bagian pertama artikel)

FK = 2M[ VΩ], (20)

Di mana M- massa tubuh; V adalah vektor kecepatan benda; Ω - vektor kecepatan sudut rotasi sistem referensi, dalam kasus ini bola dunia- kecepatan sudut rotasi bumi, dan [VΩ] - produk vektornya, yang dalam bentuk skalar terlihat seperti ini:

F aku = 2M | V | | Ω | sin α, dimana α adalah sudut antar vektor.

Kecepatan suatu benda yang bergerak di permukaan bumi dapat diuraikan menjadi dua komponen. Salah satunya terletak pada bidang yang bersinggungan dengan bola di titik di mana benda berada, dengan kata lain, komponen kecepatan horizontal: komponen vertikal kedua tegak lurus terhadap bidang tersebut. Gaya Coriolis yang bekerja pada suatu benda sebanding dengan sinus garis lintang geografis lokasinya. Sebuah benda yang bergerak sepanjang meridian ke segala arah di Belahan Bumi Utara tunduk pada gaya Coriolis yang diarahkan ke kanan dalam gerakannya. Kekuatan inilah yang menyebabkan tepian kanan sungai di Belahan Bumi Utara tersapu, terlepas dari apakah alirannya ke utara atau selatan. Di Belahan Bumi Selatan, gaya yang sama diarahkan ke kiri saat bergerak dan sungai-sungai yang mengalir ke arah meridional menghanyutkan tepian kiri. Dalam geografi, fenomena ini disebut hukum Beer. Apabila dasar sungai tidak berimpit dengan arah meridional maka gaya Coriolis akan lebih kecil sebesar kosinus sudut antara arah aliran sungai dengan meridian.

Hampir semua penelitian yang membahas pembentukan topan, tornado, siklon, dan segala jenis vortisitas, serta pergerakan selanjutnya, menunjukkan bahwa gaya Coriolis-lah yang menjadi akar penyebab kemunculannya dan menentukan lintasannya. pergerakan di sepanjang permukaan bumi. Namun, jika gaya Coriolis terlibat dalam penciptaan tornado, topan, dan siklon, maka di Belahan Bumi Utara rotasinya akan ke kanan, searah jarum jam, dan di Belahan Bumi Selatan, rotasi ke kiri, yaitu berlawanan arah jarum jam. Namun topan, tornado, dan siklon di Belahan Bumi Utara berputar ke kiri, berlawanan arah jarum jam, dan di Belahan Bumi Selatan - ke kanan, searah jarum jam. Hal ini sama sekali tidak sesuai dengan arah pengaruh gaya Coriolis, bahkan berbanding terbalik. Seperti telah disebutkan, besarnya gaya Coriolis sebanding dengan sinus garis lintang geografis dan oleh karena itu, maksimum di kutub dan tidak ada di ekuator. Oleh karena itu, jika hal ini berkontribusi pada terciptanya pusaran dengan skala yang berbeda, maka pusaran tersebut paling sering muncul di garis lintang kutub, yang sepenuhnya bertentangan dengan data yang tersedia.

Dengan demikian, analisis di atas secara meyakinkan membuktikan bahwa gaya Coriolis tidak ada hubungannya dengan proses terbentuknya angin topan, angin puting beliung, siklon dan segala macam vortisitas, yang mekanisme pembentukannya telah dibahas pada bab-bab sebelumnya.

Dipercaya bahwa gaya Coriolislah yang menentukan lintasannya, terutama karena di belahan bumi utara, topan, sebagai formasi meteorologi, menyimpang ke kanan selama pergerakannya, dan di belahan bumi selatan - ke kiri, yang sesuai dengan arah. aksi gaya Coriolis di belahan bumi ini. Tampaknya alasan penyimpangan lintasan topan telah ditemukan - ini adalah gaya Coriolis, tapi jangan terburu-buru mengambil kesimpulan. Seperti disebutkan di atas, ketika angin topan bergerak di sepanjang permukaan bumi, gaya Coriolis akan bekerja padanya, sebagai sebuah benda, sebesar:

Fk = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

dimana θ adalah garis lintang geografis topan; α adalah sudut antara vektor kecepatan topan secara keseluruhan dan meridian.

Untuk mencari tahu alasan sebenarnya penyimpangan lintasan topan, mari kita coba menentukan besarnya gaya Coriolis yang bekerja pada topan dan membandingkannya dengan gaya lain, seperti yang akan kita lihat sekarang, gaya yang lebih nyata.

KEKUATAN MAGNUS

Topan yang digerakkan oleh angin pasat akan dipengaruhi oleh kekuatan yang, sepanjang pengetahuan penulis, belum pernah dipertimbangkan oleh peneliti mana pun dalam konteks ini. Inilah kekuatan interaksi topan sebagai satu benda dengan aliran udara yang menggerakkan topan tersebut. Jika Anda melihat gambar lintasan angin topan, terlihat jelas bahwa angin topan bergerak dari timur ke barat di bawah pengaruh angin tropis yang terus bertiup, angin pasat, yang terbentuk akibat perputaran bola bumi. Sementara itu, angin pasat tidak hanya membawa topan dari timur ke barat. Yang terpenting, angin topan yang terletak pada angin pasat dipengaruhi oleh gaya yang disebabkan oleh interaksi aliran udara topan itu sendiri dengan aliran udara angin pasat.

Pengaruh timbulnya gaya transversal yang bekerja pada suatu benda yang berputar dalam aliran cairan atau gas yang menimpanya ditemukan oleh ilmuwan Jerman G. Magnus pada tahun 1852. Hal ini diwujudkan dalam kenyataan bahwa jika sebuah silinder melingkar yang berputar mengalir mengelilingi aliran irrotasional (laminar) yang tegak lurus sumbunya, maka pada bagian silinder yang kecepatan linier permukaannya berlawanan dengan kecepatan aliran datang, sebuah muncul area bertekanan tinggi. Dan di sisi berlawanan, di mana arah kecepatan linier permukaan bertepatan dengan kecepatan aliran datang, terdapat area bertekanan rendah. Perbedaan tekanan pada sisi silinder yang berlawanan menimbulkan gaya Magnus.

Penemu telah berusaha memanfaatkan kekuatan Magnus. Sebuah kapal dirancang, dipatenkan, dan dibangun, di mana, alih-alih layar, dipasang silinder vertikal yang diputar oleh mesin. Efisiensi “layar” silinder yang berputar dalam beberapa kasus bahkan melebihi efisiensi layar konvensional. Efek Magnus juga digunakan oleh para pemain sepak bola yang mengetahui bahwa jika bola diberi gerakan memutar pada saat memukul, maka jalur terbangnya akan menjadi lengkung. Dengan tendangan yang disebut “dry sheet” ini, Anda dapat mengirim bola ke gawang lawan hampir dari sudut lapangan sepak bola yang letaknya sejajar dengan gawang. Pemain bola voli, pemain tenis, dan pemain pingpong juga memutar bola saat dipukul. Dalam semua kasus, pergerakan bola melengkung sepanjang lintasan yang kompleks menimbulkan banyak masalah bagi lawan.

Namun, mari kita kembali ke topan yang digerakkan oleh angin pasat.

Angin pasat, arus udara yang stabil (yang bertiup terus-menerus selama lebih dari sepuluh bulan dalam setahun) di garis lintang tropis lautan, mencakup 11 persen wilayahnya di Belahan Bumi Utara, dan hingga 20 persen di Belahan Bumi Selatan. Arah utama angin pasat adalah dari timur ke barat, namun pada ketinggian 1-2 kilometer dilengkapi dengan angin meridional yang bertiup ke arah garis khatulistiwa. Akibatnya, di belahan bumi utara angin pasat bergerak ke barat daya, dan di belahan bumi selatan

Ke barat laut. Angin pasat mulai dikenal orang Eropa setelah ekspedisi pertama Columbus (1492-1493), ketika para pesertanya terkesima dengan kestabilan angin timur laut yang kuat yang membawa karavel dari pantai Spanyol melalui daerah tropis Atlantik.

Massa topan yang sangat besar dapat dianggap sebagai sebuah silinder yang berputar di aliran udara angin pasat. Seperti telah disebutkan, di Belahan Bumi Selatan mereka berputar searah jarum jam, dan di Belahan Bumi Utara mereka berputar berlawanan arah jarum jam. Oleh karena itu, karena interaksi dengan aliran angin pasat yang kuat, topan di belahan bumi utara dan selatan menyimpang dari khatulistiwa - masing-masing ke utara dan selatan. Sifat pergerakan mereka ini dikonfirmasi dengan baik oleh pengamatan para ahli meteorologi.

(Akhirnya menyusul.)

HUKUM AMPERE

Pada tahun 1920, fisikawan Perancis Anre Marie Ampere secara eksperimental menemukan fenomena baru - interaksi dua konduktor dengan arus. Ternyata dua konduktor paralel tarik-menarik atau tolak-menolak tergantung pada arah arus di dalamnya. Konduktor cenderung mendekat jika arus mengalir searah (paralel), dan menjauhi satu sama lain jika arus mengalir berlawanan arah (antiparalel). Ampere mampu menjelaskan fenomena ini dengan tepat: interaksi medan magnet arus terjadi, yang ditentukan oleh “aturan gimlet”. Jika gimlet disekrup searah arus I, maka pergerakan pegangannya akan menunjukkan arah garis medan magnet H.

Dua partikel bermuatan yang terbang paralel juga membentuk arus listrik. Oleh karena itu, lintasannya akan menyatu atau menyimpang bergantung pada tanda muatan partikel dan arah pergerakannya.

Interaksi konduktor harus diperhitungkan ketika merancang kumparan listrik arus tinggi (solenoida) - arus paralel yang mengalir melalui belitannya menciptakan gaya besar yang menekan kumparan. Ada kasus yang diketahui ketika penangkal petir yang terbuat dari tabung, setelah sambaran petir, berubah menjadi silinder: penangkal petir tersebut dikompresi oleh medan magnet arus pelepasan petir dengan kekuatan ratusan kiloamper.

Berdasarkan hukum Ampere, satuan standar arus dalam SI - ampere (A) - ditetapkan. Standar negara bagian “Satuan besaran fisika” mendefinisikan:

“Satu ampere sama dengan kuat arus yang bila dilewatkan melalui dua penghantar lurus sejajar yang panjangnya tak terhingga dan luas penampangnya dapat diabaikan, terletak dalam ruang hampa pada jarak 1 m satu sama lain, akan menimbulkan gaya interaksi sebesar 2 pada bagian konduktor yang panjangnya 1 m . 10 -7 N.”

Detail untuk yang penasaran

GAYA MAGNUS DAN CORIOLIS

Mari kita bandingkan pengaruh gaya Magnus dan Coriolis pada topan, bayangkan perkiraan pertama berupa silinder udara berputar yang diterbangkan oleh angin pasat. Silinder tersebut dikenai gaya Magnus sebesar:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

dimana D adalah diameter topan; ρ - kepadatan udara angin pasat; H adalah tingginya; V n > - kecepatan udara dalam angin pasat; V t - kecepatan linier udara saat topan. Dengan transformasi sederhana yang kita dapatkan

Fm = R 2 HρωV n, - (23)

dimana R adalah jari-jari topan; ω adalah kecepatan sudut rotasi topan.

Dengan asumsi sebagai perkiraan pertama bahwa kepadatan udara pada angin pasat sama dengan kepadatan udara pada angin topan, kita peroleh

Mt = R 2 Hρ, - (24)

dimana M t adalah massa topan.

Maka (19) dapat ditulis sebagai

F m = M t ωV p - (25)

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

Membagi ekspresi gaya Magnus dengan ekspresi (17) untuk gaya Coriolis, kita peroleh

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

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

Mengingat menurut klasifikasi internasional, topan dianggap sebagai siklon tropis yang kecepatan anginnya melebihi 34 m/s, maka kami akan mengambil angka terkecil ini dalam perhitungan kami. Karena garis lintang geografis yang paling menguntungkan untuk pembentukan topan adalah 16 o, kita akan mengambil θ = 16 o dan, karena segera setelah pembentukannya, topan bergerak hampir sepanjang lintasan garis lintang, kita akan mengambil α = 80 o. Misalkan radius topan berukuran sedang adalah 150 kilometer. Mengganti semua data ke dalam rumus, kita mendapatkan

Fm / Fk = 205. (29)

Dengan kata lain, gaya Magnus dua ratus kali lebih besar dari gaya Coriolis! Dengan demikian, jelas bahwa gaya Coriolis tidak hanya ada hubungannya dengan proses terciptanya topan, tetapi juga dengan perubahan lintasannya.

Angin topan pada angin pasat akan dipengaruhi oleh dua gaya - gaya Magnus yang disebutkan di atas dan gaya tekanan aerodinamis angin pasat pada topan, yang dapat dicari dari persamaan sederhana

F d = KRHρV 2 hal, - (30)

dimana K adalah koefisien hambatan aerodinamis topan.

Sangat mudah untuk melihat bahwa pergerakan topan akan disebabkan oleh aksi gaya resultan, yang merupakan jumlah dari gaya Magnus dan tekanan aerodinamis, yang akan bekerja pada sudut p terhadap arah pergerakan udara di perdagangan. angin. Garis singgung sudut ini dapat dicari dari persamaan

tgβ = F m /F d.

Mengganti ekspresi (26) dan (30) menjadi (31), setelah transformasi sederhana kita peroleh

tgβ = V t /KV p, (32)

Jelas bahwa gaya yang dihasilkan F p yang bekerja pada topan akan bersinggungan dengan lintasannya, dan jika arah dan kecepatan angin pasat diketahui, maka gaya ini dapat dihitung dengan akurasi yang cukup untuk topan tertentu, sehingga menentukan lintasan selanjutnya, yang akan meminimalkan kerusakan yang ditimbulkannya. Lintasan topan dapat diprediksi dengan menggunakan metode langkah demi langkah, dengan kemungkinan arah gaya yang dihasilkan pada setiap titik dalam lintasannya dihitung.

Dalam bentuk vektor, ekspresi (25) terlihat seperti ini:

F m = M [ωV p ]. (33)

Sangat mudah untuk melihat bahwa rumus yang menjelaskan gaya Magnus secara struktural identik dengan rumus gaya Lorentz:

F aku = q .

Membandingkan dan menganalisis rumus-rumus ini, kami melihat bahwa kesamaan struktural dari rumus-rumus tersebut cukup dalam. Jadi, ruas kiri kedua hasil kali vektor (M& #969; dan q V) mencirikan parameter benda (topan dan partikel elementer), dan sisi kanan ( V n dan B) - lingkungan (kecepatan angin pasat dan induksi medan magnet).

Latihan fisik

KEKUATAN CORIOLIS PADA PEMAIN

Dalam sistem koordinat berputar, misalnya di permukaan bumi, hukum Newton tidak terpenuhi - sistem koordinat seperti itu bersifat non-inersia. Gaya inersia tambahan muncul di dalamnya, yang bergantung pada kecepatan linier benda dan kecepatan sudut sistem. Gaya ini tegak lurus terhadap lintasan benda (dan kecepatannya) dan disebut gaya Coriolis, dinamai menurut mekanik Perancis Gustav Gaspard Coriolis (1792-1843), yang menjelaskan dan menghitung gaya tambahan ini. Gaya diarahkan sedemikian rupa sehingga agar sejajar dengan vektor kecepatan, gaya harus diputar tegak lurus terhadap arah putaran sistem.

Anda dapat melihat bagaimana gaya Coriolis “bekerja” menggunakan pemutar rekaman listrik dengan melakukan dua percobaan sederhana. Untuk melaksanakannya, potong lingkaran dari kertas tebal atau karton dan letakkan di disk. Ini akan berfungsi sebagai sistem koordinat berputar. Mari kita segera membuat catatan: disk pemutar berputar searah jarum jam, dan Bumi berputar berlawanan arah jarum jam. Oleh karena itu, gaya-gaya dalam model kita akan diarahkan ke arah yang berlawanan dengan gaya yang diamati di Bumi di belahan bumi kita.

1. Tempatkan dua tumpukan buku di sebelah pemain, tepat di atas piring. Tempatkan penggaris atau batang lurus pada buku sehingga salah satu ujungnya sesuai dengan diameter piringan. Jika, dengan disk yang tidak bergerak, Anda menggambar garis di sepanjang batang dengan pensil lembut, dari tengah ke tepi, maka secara alami disk tersebut akan lurus. Jika sekarang Anda memulai pemain dan menggambar pensil di sepanjang mistar, ia akan menggambar lintasan melengkung ke kiri - sepenuhnya sesuai dengan hukum yang dihitung oleh G. Coriolis.

2. Buatlah slide dari tumpukan buku dan rekatkan alur kertas tebal yang diorientasikan sepanjang diameter disk ke dalamnya. Jika Anda menggelindingkan bola kecil ke dalam alur ke piringan stasioner, bola tersebut akan menggelinding sepanjang diameternya. Dan pada piringan yang berputar, ia akan bergerak ke kiri (jika, tentu saja, gesekan saat menggelindingnya kecil).

Latihan fisik

EFEK MAGNUS PADA MEJA DAN DI UDARA

1. Rekatkan silinder kecil dari kertas tebal. Letakkan tumpukan buku tidak jauh dari pinggir meja dan sambungkan ke pinggir meja dengan papan. Ketika silinder kertas menggelinding ke bawah pada slide yang dihasilkan, kita dapat memperkirakan bahwa silinder tersebut akan bergerak sepanjang parabola menjauhi meja. Namun, sebaliknya, silinder tersebut akan membelokkan lintasannya secara tajam ke arah lain dan terbang ke bawah meja!

Perilaku paradoksnya cukup dapat dimengerti jika kita mengingat hukum Bernoulli: tekanan internal dalam aliran gas atau cairan menjadi lebih rendah, semakin tinggi kecepatan alirannya. Berdasarkan fenomena inilah, misalnya, pistol semprot bekerja: tekanan atmosfer yang lebih tinggi menekan cairan ke dalam aliran udara dengan tekanan yang berkurang.

Menariknya, arus manusia juga mematuhi hukum Bernoulli sampai batas tertentu. Di kereta bawah tanah, di pintu masuk eskalator, yang lalu lintasnya sulit, orang-orang berkumpul dalam kerumunan yang padat dan padat. Dan di eskalator yang bergerak cepat mereka berdiri bebas - “tekanan internal” dalam arus penumpang turun.

Ketika silinder jatuh dan terus berputar, kecepatan sisi kanannya dikurangi dari kecepatan aliran udara yang datang, dan kecepatan sisi kiri ditambahkan padanya. Kecepatan relatif aliran udara ke kiri silinder lebih besar, dan tekanan di dalamnya lebih rendah daripada ke kanan. Perbedaan tekanan menyebabkan silinder tiba-tiba mengubah lintasannya dan terbang ke bawah meja.

Hukum Coriolis dan Magnus diperhitungkan saat meluncurkan roket, menembak presisi jarak jauh, menghitung turbin, giroskop, dll.

2. Bungkus silinder kertas dengan kertas atau pita tekstil beberapa putaran. Jika sekarang Anda menarik ujung pita dengan tajam, silinder akan berputar dan pada saat yang sama memberikan gerakan maju. Akibatnya, di bawah pengaruh gaya Magnus, silinder akan terbang, membentuk putaran di udara.

Perubahan aneh pada lintasan bola tampak seperti keajaiban bagi kebanyakan orang. Namun bagi pemain sepak bola profesional, pemain bola basket, dan pemain biliar, trik seperti itu merupakan indikator keterampilan. Dan di sinilah kita mengingat hukum fisika, yang memunculkan hadiah seperti efek Magnus. Awalnya diperhatikan dalam aerodinamika, saat ini hukum perubahan lintasan benda bulat telah diterapkan secara luas. Baru-baru ini, sebuah video muncul di Internet yang dengan jelas menunjukkan fenomena fisik ini dengan menggunakan contoh bola basket. Video tersebut ditonton lebih dari 9 juta kali dalam dua hari dan memicu minat terhadap efek Magnus dan penerapannya yang luar biasa.

Latar belakang

Semuanya dimulai dengan fakta bahwa para penembak Prusia tidak dapat memahami mengapa peluru meriam mereka terus-menerus mengenai tempat yang salah. Rotasi inti dalam penerbangan dengan pusat gravitasinya yang tidak sesuai dengan geometri mendistorsi jalur penerbangan. Isaac Newton menulis tentang gaya aerodinamis yang mempengaruhi penerbangan bola yang berputar, dan komandan Prusia beralih ke ilmuwan Jerman terkenal Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) untuk memperjelas lintasan lengkung penerbangan bola, yang pada tahun 1853 memberikan penjelasan ilmiah dari fenomena ini.

Ilmuwan berpendapat bahwa masalahnya bukan pada pusat gravitasi benda, tetapi pada rotasinya. Dia melakukan serangkaian percobaan, dan meskipun dia tidak membuat perhitungan matematis apa pun, dia adalah orang pertama yang membuktikan gaya aerodinamis yang mengubah jalur terbang benda yang berputar.

Setelah Magnus, Ludwig Prandtl (1875-1953) menjadi tertarik pada gaya ini, yang mengukur kekuatan dan kecepatan. Pencapaiannya yang paling penting adalah penetapan kemungkinan menggunakan gaya yang dihasilkan pada rotor (silinder) yang berputar untuk memastikan gerakan translasi. Namun dalam praktiknya ide ini diterapkan oleh insinyur Jerman lainnya Anton Flettner (1885-1961). Lebih lanjut tentang layar rotor Flettner dan Cousteau nanti.

Penjelasannya bukan untuk fisikawan

Dengan mempertimbangkan hukum fisika benda padat Newton, dengan kata-kata sederhana Prosesnya terlihat seperti ini. Benda bulat yang berputar bertambah cepat, udara di depan benda bergerak searah putarannya dan ditarik sepanjang dan menuju pusat. Di sisi lain benda, udara bergerak berlawanan arah dengan arah putaran. Akibatnya aliran menjauh dan benda memindahkan udara di satu sisi, dan udara di sisi lain membentuk gaya respons, tetapi dalam arah yang berbeda, yang mengubah jalur terbang benda. Diagram proses ditunjukkan pada gambar di atas; ini adalah efek Magnus yang terkenal buruk.

Kapal angin Flettner

Anton Flettner menerima paten Jerman untuk kapal putar pada 16 September 1922. Dan sudah pada bulan Oktober 1926, sensasi nyata di Teluk Kiel disebabkan oleh sebuah kapal yang tidak biasa dengan dua pipa besar di dalamnya dan tiang kerawang. Ini adalah kapal putar Buckau pertama yang meninggalkan slipways perusahaan pembuatan kapal Friedrich Krupp.

Flettner menggunakan efek Magnus dan gaya yang dihasilkan ketika mengalir di sekitar silinder yang berputar dan diarahkan tegak lurus terhadap arah aliran. Dari sisi dimana arah aliran pusaran yang diciptakan oleh benda yang berputar bertepatan dengan arah aliran udara, gaya dan kecepatan gerakan meningkat tajam. Rotor inilah yang kemudian dinamai menurut namanya, dan insinyur muda Flettner mengganti layarnya.

Rotor kapal ini digerakkan oleh motor listrik. Di mana rotor berputar melawan angin, tercipta area dengan tekanan yang meningkat. Di sisi yang berlawanan - dengan penurunan. Gaya yang dihasilkan menggerakkan kapal.

Buckau lulus ujian dengan terhormat. Pada tahun 1925 ia berlayar dari Danzig ke Skotlandia dalam kondisi cuaca ketika kapal layar tidak berani melaut. Pelayarannya berhasil, dan awak kapal dikurangi menjadi 10 orang, dibandingkan dengan 20 orang di kapal layar.

Pengabaian yang dipaksakan

Masa depan cerah terbuka bagi rotor Flettner. Keberhasilan proyek ini dikonfirmasi oleh kapal perusahaan Hamburg “Barbara”. Itu adalah kapal kargo, yang pergerakannya disediakan oleh tiga rotor sepanjang 17 meter, yang menghasilkan kecepatan 13 knot dalam angin berkekuatan 4-6.

Meskipun proyek tersebut terlihat sukses, proyek tersebut telah lama terlupakan. Dan ada beberapa alasan untuk ini. Flettner sendiri kehilangan minat pada pelayaran dan menjadi tertarik pada penerbangan selama Depresi Besar tahun 1920-an.

Penghidupan kembali kapal dengan instalasi rotor

Kelanjutan dari kapal putar Flettner adalah turbosail Jacques-Yves Cousteau. Penjelajah terkenal dan seorang pejuang alat transportasi ramah lingkungan pada bulan April 1885 meluncurkan kapal Alcyone, dilengkapi dengan turbosail yang dipatenkan, yang menggunakan efek Magnus. Kapal ini masih berlayar sampai sekarang.

Sayangnya, para pengikut Cousteau tidak terlalu tertarik dengan instalasi putar di kapal, dan minat terhadapnya kembali memudar. Mereka dikenang dengan dimulainya krisis minyak, dan pada tahun 2010 kapal ketiga dengan instalasi putar diluncurkan. Ini adalah E-Ship 1 130m yang berat dari Enercon dengan empat rotor Flettner. Saat ini kapal ini mengangkut generator angin dari Jerman ke negara-negara Eropa, dapat menahan muatan hingga 9 ton dan mencapai kecepatan 17 knot. Awaknya hanya 15 orang.

Perusahaan kapal Wind Again (Singapura), Wartsila (Finlandia) dan beberapa lainnya menjadi tertarik dengan instalasi putar. Tampaknya kekurangan minyak dan pemanasan iklim yang mengkhawatirkan akan berperan dalam kembalinya tenaga angin ke kapal-kapal modern.

Aplikasi dalam industri pesawat terbang

Penggunaan efek Magnus dalam penerbangan diimplementasikan dalam berbagai solusi desain. Bentuk paling sederhana menggunakan sayap berbentuk poros yang diputar saat terbang. Di antara pendiri arah ini adalah penemu Austria Karl Gligorin, yang mengusulkan pemasangan fairing pada rotor yang mengikuti bentuk sayap. Di Amsterdam, E.B. Wolf, orang Amerika John D. Gerst dan K. Popper bahkan menguji pesawat mereka dengan sayap berbentuk poros pada tahun 1932.

Bronco Amerika Utara-Rockwell YOU-10A, diubah menjadi poros berputar pada tahun 1964, terbukti berfungsi. Itu adalah proyek seorang profesor dari Peru, Alberto Alvarez-Calderon. Namun, prototipe tersebut memiliki lebih banyak kekurangan daripada kelebihan.

Meskipun ada upaya, efek Magnus tidak berakar dalam penerbangan. Penggunaan praktis sayap tipe rotor dikaitkan dengan sejumlah masalah dan belum dapat dibenarkan secara ekonomi.

Efek Magnus dan turbin angin

Perkembangan industri sumber energi alternatif sangat penting saat ini. Dan di industri ini, efek Magnus telah digunakan. Generator angin sudu digantikan oleh unit rotor, yang paling efektif pada kecepatan angin rendah dan sering yaitu 2-6 m/s. Mereka didasarkan pada sumbu di mana silinder berputar. Instalasi pertama, diproduksi oleh Aerolla, muncul di dekat Minsk (Belarus) pada tahun 2015. Tenaganya 100 kW, diameter rotor turbin 36 meter. Beroperasi pada kecepatan angin desain 9,5 m/s.

Pekerjaan ke arah ini berlanjut di Institut Mekanika Terapan Novosibirsk SB RAS, dan sudah ada prototipe generator angin yang menggunakan efek Magnus dengan daya hingga 2 MW.

Penggunaannya tidak terlalu umum

Efek perubahan lintasan bola ini banyak digunakan dalam olahraga: tembakan topspin dan “dry sheet” dalam sepak bola, sistem Hop Up di airsoft.

Efek Magnus banyak digunakan dalam desain model pesawat saat ini. Misalnya, pesawat terbang berbahan karton, motor listrik, dan cangkir makanan cepat saji berbahan kertas yang dirancang oleh saluran PeterSripol.

Efek Magnus digunakan dalam produksi layang-layang. Misalnya ular berbentuk kincir rancangan D. Edwards atau S. Albertson.

Namun bagi “pemburu badai” fenomena fisik ini bisa menjadi sangat berbahaya. Jika bagian bawah antara mobil dan tanah tidak tertutup rapat, maka melalui celah tersebut angin topan dapat menimbulkan gaya angkat yang sangat besar sehingga dengan mudah dapat mengangkat mobil ke udara.

Bab 3 Efek Magnus dan Gaya Lorentz

Mirip dengan sayap Zhukovsky-Chaplygin, gaya Magnus muncul karena adanya perbedaan tekanan aliran medium pada permukaan silinder yang berputar. Efek ini ditemukan oleh ilmuwan Jerman H.G. Magnus pada tahun 1852. Pada Gambar. Gambar 8 menunjukkan diagram penjumlahan vektor kecepatan aliran medium dan permukaan silinder yang berputar.

Beras. 8. Efek Magnus untuk silinder yang berputar

Pada bagian atas silinder (tampak ujung), arah pergerakan aliran medium dan permukaan silinder yang berputar bertepatan, dan pada bagian bawah silinder, permukaannya bergerak menuju aliran medium. Karena aliran di bagian bawah silinder yang berputar diperlambat oleh permukaannya yang bergerak menuju aliran, tekanan dinamis aliran berkurang, dan tekanan statis medium pada permukaan meningkat, sesuai dengan hukum Bernoulli tentang total tekanan aliran. Akibatnya tekanan medium pada bagian atas silinder yang berputar menjadi lebih kecil dibandingkan pada bagian bawah silinder. Gaya angkat muncul, seperti efek sayap yang memiliki profil Zhukovsky-Chaplygin.

Efek Magnus dikenal oleh para pemain sepak bola dan tenis, yang menggunakannya untuk menciptakan jalur terbang melengkung untuk bola yang berputar. Dengan “curve hit”, bola terbang lurus tetapi berputar pada porosnya. Dalam penerbangan, aliran udara mengalir ke arahnya, yang menciptakan efek Magnus, dan jalur penerbangannya melengkung. Akibat pukulan tersebut, bola terbang sepanjang kurva dan mengenai tempat yang salah dari yang diharapkan...

Mari kita asumsikan bahwa kita telah membangun aliran tertutup dari media bergerak (udara, air, dll.), di mana beberapa silinder berputar ditempatkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9. Mari kita asumsikan bahwa putaran setiap silinder disediakan oleh penggerak listrik independen, dengan kecepatan dan arah putaran yang dapat disesuaikan.

Beras. 9. Penggerak berdasarkan efek Magnus

Berbeda dengan desain dengan sayap yang dipasang pada aliran media bergerak, skema ini memiliki keunggulan penting: besar dan arah gaya angkat aksial dapat diubah dengan mengubah kecepatan dan arah putaran silinder. Kecepatan dan arah aliran sirkulasi tidak dapat diubah, sehingga memberikan keuntungan signifikan pada kecepatan dan kemampuan manuver kendaraan ini. Unit propulsi jenis ini dapat dipasang secara vertikal atau horizontal sehingga menghasilkan gaya traksi.

Sebuah analogi yang menarik dengan efek Magnus muncul ketika mempertimbangkan fenomena elektromagnetik yang dikenal sebagai gaya Lorentz: sebuah konduktor yang membawa arus dalam medan magnet dikenai gaya dalam arah yang ditunjukkan pada Gambar. 10. Sebelumnya tidak ada penjelasan yang jelas tentang alasan munculnya kekuatan ini. Dengan asumsi analogi dengan efek Magnus, kita dapat menafsirkan gaya Lorentz sebagai akibat dari gradien tekanan medium halus. Hal ini pertama kali ditunjukkan dalam laporan pada tahun 1996.

Beras. 10. Gaya Lorentz, akibat gradien tekanan eter

Namun, dalam diagram pada Gambar. 10, kita mendapatkan gambar kebalikan dari superposisi vektor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8. Gaya Magnus bekerja pada silinder yang berputar dalam aliran medium searah gerak terkoordinasi antara permukaan silinder dan medium. Pada Gambar. Gambar 10 menunjukkan bahwa gaya Lorentz bekerja searah dengan superposisi vektor yang berlawanan. Mengapa?

Faktanya adalah bahwa vektor pada Gambar. 10 ditampilkan secara konvensional, sesuai dengan sebutan yang diterima dari vektor arus listrik (aliran partikel bermuatan positif) dan medan magnet. Arah pergerakan aliran nyata elektron dan partikel eter (vektor medan magnet) berbeda dengan sebutan konvensional. Pada dasarnya, efeknya tercipta mirip dengan efek Magnus, karena gradien tekanan medium akibat kecepatan relatif yang berbeda, namun sistem elektromagnetik menggunakan medium halus, bukan udara atau air.

Penting untuk diperhatikan bahwa elektron atau partikel bermuatan lain yang menimbulkan medan magnet ketika bergerak adalah benda yang berputar. Akan lebih akurat untuk menganggap pergerakan liniernya sebagai garis heliks, spiral kanan atau kiri, bergantung pada tanda muatan listrik suatu partikel materi tertentu.

Banyak yang telah ditulis tentang struktur elektron, tetapi saya ingin merekomendasikan kepada pembaca karya ayah dan anak Polyakov. Para penulis ini meneliti dalam buku mereka “Experimental Gravitonics” struktur elektron, dan menunjukkan bahwa ia dapat direpresentasikan sebagai foton dengan polarisasi melingkar yang tertutup pada dirinya sendiri, yaitu, sebagai proses dinamis pergerakan gelombang elektromagnetik dengan polarisasi melingkar di ruang toroidal tertutup. Nanti kami akan membahas masalah ini lebih detail. Di sini kita hanya mencatat secara singkat bahwa, dengan pertimbangan ini, kemunculan medan magnet ketika partikel bermuatan bergerak di dalam eter memiliki analogi yang jelas dengan gangguan lingkungan fisik yang terjadi ketika silinder atau bola yang berputar bergerak dalam lingkungan tertentu.

Kita dapat mengatakan bahwa interaksi medan magnet luar yang dilalui partikel bermuatan listrik dengan medan magnetnya sendiri akan membelokkan partikel tersebut dengan cara yang sama seperti aliran udara membelokkan bola yang berputar, yaitu, karena terciptanya gradien tekanan medium pada partikel materi yang bergerak di dalamnya.

Dalam hal ini, gaya Lorentz dan gaya Ampere adalah gaya eksternal dalam kaitannya dengan konduktor pembawa arus yang bekerja, yaitu gaya tersebut dapat memastikan pergerakannya di ruang angkasa.

Analogi menarik antara aerodinamika dan aetherdinamika memberikan banyak gagasan konstruktif.