Turbożagiel to morskie urządzenie napędowe typu rotor, które wytwarza ciąg z energii wiatru dzięki zjawisku fizycznemu znanemu jako efekt Magnusa.

Turbożagiel działa w oparciu o proces fizyczny zachodzący, gdy płyn lub gaz przepływa wokół obracającego się cylindrycznego lub okrągłego korpusu, znany jako efekt Magnusa. Zjawisko otrzymało swoją nazwę od nazwiska pruskiego naukowca Heinricha Magnusa, który opisał je w 1853 roku.

Wyobraźmy sobie kulę lub cylinder, który obraca się w strumieniu gazu lub cieczy, myjąc je. W takim przypadku cylindryczny korpus musi obracać się wzdłuż swojej osi podłużnej. Podczas tego procesu powstaje siła, której wektor jest prostopadły do ​​kierunku przepływu. Dlaczego to się dzieje? Po tej stronie ciała, gdzie kierunek obrotu i wektor przepływu pokrywają się, prędkość powietrza lub ośrodka ciekłego wzrasta, a ciśnienie zgodnie z prawem Bernoulliego maleje. Po przeciwnej stronie ciała, gdzie wektory obrotu i przepływu są wielokierunkowe, prędkość ośrodka maleje, jakby zwolniona, a ciśnienie wzrasta. Różnica ciśnień powstająca po przeciwnych stronach obracającego się ciała wytwarza siłę poprzeczną. W aerodynamice nazywa się to siłą nośną, która utrzymuje w locie statki cięższe od powietrza. W przypadku żagli wirnikowych jest to siła o wektorze prostopadłym do kierunku wiatru, działająca na żagiel wirnikowy zamontowany pionowo na pokładzie i obracający się wzdłuż osi wzdłużnej.

Żagle obrotowe Flettnera

Opisane zjawisko fizyczne wykorzystał niemiecki inżynier Anton Flettner przy tworzeniu nowego typu silnika okrętowego. Jego żagiel wirnikowy wyglądał jak obracające się cylindryczne wieże elektrowni wiatrowych. W 1922 roku wynalazca otrzymał patent na swoje urządzenie, a w 1924 roku magazyny opuścił pierwszy w historii statek obrotowy, przerobiony szkuner Bukau.
Turbożagle Bukau napędzane były silnikami elektrycznymi. Po stronie, gdzie powierzchnia wirnika obracała się w kierunku wiatru, zgodnie z efektem Magnusa, wytworzył się obszar zwiększonego ciśnienia, a po przeciwnej stronie - zmniejszonego. W rezultacie powstał ciąg, który przesunął statek pod wpływem bocznego wiatru. Flettner umieścił płaskie płyty na wierzchu rotorów-cylindrów, aby zapewnić lepszą orientację przepływu powietrza wokół cylindra. Umożliwiło to podwojenie siły napędowej. Wirujący, wydrążony metalowy cylinder-wirnik, który wykorzystuje efekt Magnusa do wytworzenia ciągu bocznego, został później nazwany na cześć swojego twórcy.

W testach turbożagle Flettnera wypadły znakomicie. W przeciwieństwie do konwencjonalnej żaglówki, silny boczny wiatr tylko poprawił osiągi eksperymentalnego statku. Dwa cylindryczne wirniki umożliwiły lepsze zrównoważenie statku. Jednocześnie zmieniając kierunek obrotu wirników, możliwa była zmiana ruchu statku do przodu lub do tyłu. Oczywiście najkorzystniejszy kierunek wiatru do wytworzenia ciągu był ściśle prostopadły do ​​osi wzdłużnej statku.

Turbożagiel z Cousteau

Żaglówki budowano w XX wieku i nadal buduje się je w XXI wieku. Nowoczesne żagle wykonane są z lżejszych i mocniejszych materiałów syntetycznych, a zestaw żaglowy jest szybko składany za pomocą silników elektrycznych, uwalniając ludzi od pracy fizycznej.

Jednak pomysł całkowicie nowego systemu wykorzystującego energię wiatru do wytworzenia ciągu statku wisiał w powietrzu. Został podjęty przez francuskiego odkrywcę i wynalazcę Jacques-Yves Cousteau. Jako oceanograf był pod wielkim wrażeniem wykorzystania wiatru jako ciągu – darmowego, odnawialnego i całkowicie przyjaznego dla środowiska źródła energii. Na początku lat 80-tych rozpoczął prace nad stworzeniem takich pędników do nowoczesnych statków. Za podstawę wziął turbożagle Flettnera, jednak znacząco zmodernizował system, czyniąc go bardziej złożonym, ale jednocześnie zwiększając jego wydajność.

Jaka jest różnica między żaglem turbosprężarkowym Cousteau a układem napędowym Flettner? Konstrukcja Cousteau to zamontowana pionowo, pusta metalowa rura, która ma profil aerodynamiczny i działa na tej samej zasadzie, co skrzydło samolotu. W przekroju rura ma kształt kropli lub jajka. Po jego bokach znajdują się kratki wlotowe powietrza, przez które powietrze jest pompowane poprzez system pomp. I wtedy w grę wchodzi efekt Magnusa. Turbulencje powietrza powodują różnicę ciśnień wewnątrz i na zewnątrz żagla. Po jednej stronie rury powstaje podciśnienie, a po drugiej uszczelka. W rezultacie powstaje siła boczna, która powoduje ruch statku. Zasadniczo turbożagiel to pionowo zamontowane skrzydło aerodynamiczne: z jednej strony powietrze przepływa wolniej niż z drugiej, tworząc różnicę ciśnień i ciąg boczny. Podobną zasadę stosuje się do tworzenia siły nośnej w samolocie. Turbożagiel wyposażony jest w automatyczne czujniki i jest zamontowany na obrotowej platformie sterowanej komputerowo. Inteligentna maszyna pozycjonuje rotor uwzględniając wiatr i reguluje ciśnienie powietrza w układzie.

Cousteau po raz pierwszy przetestował prototyp swojego turbożagla w 1981 roku na katamaranie Moulin à Vent podczas rejsu przez Ocean Atlantycki. Podczas rejsu katamaranowi dla bezpieczeństwa towarzyszył większy statek ekspedycyjny. Eksperymentalny żagiel turbosprężarkowy zapewniał ciąg, ale mniejszy niż tradycyjne żagle i silniki. Ponadto pod koniec podróży, z powodu zmęczenia metalu, szwy spawalnicze pękły pod naporem wiatru, a konstrukcja wpadła do wody. Jednak sam pomysł został potwierdzony, a Cousteau i jego współpracownicy skupili się na opracowaniu większego statku obrotowego, Halsion. Został zwodowany w 1985 roku. Znajdujące się na nim turbożagle stanowią dodatek do agregacji dwóch silników wysokoprężnych i kilku śmigieł i pozwalają zaoszczędzić jedną trzecią zużycia paliwa. Nawet 20 lat po śmierci twórcy Alsion wciąż jest w ruchu i pozostaje okrętem flagowym flotylli Cousteau.

Turbożagiel kontra płócienne skrzydła

Nawet w porównaniu z najlepszymi nowoczesnymi żaglami, turbosail-rotor zapewnia 4-krotnie większy współczynnik ciągu. W przeciwieństwie do żaglówki, silny boczny wiatr nie tylko nie jest niebezpieczny dla statku wirowego, ale jest najkorzystniejszy dla jego ruchu. Dobrze porusza się nawet przy wietrze czołowym pod kątem 250. Jednocześnie statek z tradycyjnymi żaglami „kocha” najbardziej wiatr tylny.

Wnioski i perspektywy

Obecnie dokładne odpowiedniki żagli Flettnera są instalowane jako pędniki pomocnicze na niemieckim statku towarowym E-Ship-1. A ich ulepszony model zastosowano na jachcie Alsion, którego właścicielem jest Fundacja Jacques-Yves Cousteau.
Zatem obecnie istnieją dwa rodzaje układów napędowych dla systemu Turbosail. Konwencjonalny żagiel rotorowy, wynaleziony przez Flettnera na początku XX wieku i jego zmodernizowana wersja przez Jacques-Yvesa Cousteau. W pierwszym modelu siła wypadkowa powstaje na zewnątrz obracających się cylindrów; w drugiej, bardziej złożonej wersji pompy elektryczne wytwarzają różnicę ciśnienia powietrza wewnątrz pustej rury.

Pierwszy turbożagiel jest w stanie napędzać statek tylko przy bocznym wietrze. Z tego powodu turbożagle Flettnera nie stały się powszechne w światowym przemyśle stoczniowym. Funkcja projektowania Turbożagle firmy Cousteau pozwalają na uzyskanie siły napędowej niezależnie od kierunku wiatru. Statek wyposażony w takie pędniki może nawet pływać pod wiatr, co jest niezaprzeczalną przewagą zarówno nad żaglami konwencjonalnymi, jak i żaglami wirowymi. Ale nawet pomimo tych zalet system Cousteau również nie został wprowadzony do produkcji.

Nie oznacza to, że obecnie nie podejmuje się prób wcielenia pomysłu Flettnera w życie. Istnieje wiele projektów amatorskich. W 2010 roku zbudowano trzeci w historii statek z żaglami rotorowymi, po Bukau i Alsion – 130-metrową niemiecką ciężarówkę klasy Ro-Lo. Układ napędowy statku składa się z dwóch par obracających się wirników i kilku silników wysokoprężnych w celu zapewnienia spokoju i wytworzenia dodatkowej trakcji. Żagle wirnikowe pełnią rolę silników pomocniczych: dla statku o wyporności 10,5 tys. ton cztery wieże elektrowni wiatrowych na pokładzie nie wystarczą. Urządzenia te pozwalają jednak zaoszczędzić aż do 40% paliwa na każdym locie.
Jednak system Cousteau został niesłusznie skazany na zapomnienie, chociaż udowodniono ekonomiczną wykonalność projektu. Dziś Alsion jest jedynym pełnoprawnym statkiem z tego typu napędem. Nie jest jasne, dlaczego system nie jest wykorzystywany w celach komercyjnych, w szczególności na statkach towarowych, skoro pozwala zaoszczędzić aż do 30% oleju napędowego, tj. pieniądze.

P. MANTASHYAN.

Kontynuujemy publikowanie wersji czasopisma artykułu P. N. Mantashyana „Wiry: od cząsteczki do galaktyki” (patrz „Science and Life No.”). Porozmawiamy o tornadach i tornadach - naturalnych formacjach o ogromnej niszczycielskiej mocy, mechanizm ich występowania wciąż nie jest do końca jasny.

Nauka i życie // Ilustracje

Nauka i życie // Ilustracje

Rysunek z książki amerykańskiego fizyka Benjamina Franklina, wyjaśniający mechanizm powstawania tornad.

Łazik Spirit odkrył, że tornada występują w rzadkiej atmosferze Marsa i sfotografował je. Zdjęcie ze strony NASA.

Gigantyczne tornada i tornada występujące na równinach południowych Stanów Zjednoczonych i Chin są groźnym i bardzo niebezpiecznym zjawiskiem.

Nauka i życie // Ilustracje

Tornado może osiągnąć kilometr wysokości, opierając swój wierzchołek na chmurze burzowej.

Tornado na morzu unosi i wciąga dziesiątki ton wody wraz z organizmami morskimi oraz może rozbić i zatopić mały statek. W epoce żaglowców próbowano zniszczyć tornado strzelając do niego z armat.

Zdjęcie wyraźnie pokazuje, że tornado wiruje, skręcając powietrze, kurz i wodę deszczową w spiralę.

Miasto Kansas City zamienione w ruiny przez potężne tornado.

Siły działające na tajfun w przepływie pasatów.

Prawo Ampera.

Siły Coriolisa na gramofonie.

Efekt Magnusa na stole i w powietrzu.

Wirowy ruch powietrza obserwuje się nie tylko podczas tajfunów. Istnieją wiry większe niż tajfun - są to cyklony i antycyklony, największe wiry powietrzne na planecie. Ich rozmiary znacznie przekraczają rozmiary tajfunów i mogą osiągnąć średnicę ponad tysiąca kilometrów. W pewnym sensie są to wiry antypodyjskie: prawie wszystko jest na odwrót. Cyklony półkuli północnej i południowej obracają się w tym samym kierunku, co tajfuny tych półkul, a antycyklony obracają się w przeciwnym kierunku. Cyklon niesie ze sobą niepogodę, której towarzyszą opady, podczas gdy antycyklon przeciwnie, przynosi pogodną, ​​słoneczną pogodę. Schemat powstawania cyklonu jest dość prosty - wszystko zaczyna się od interakcji zimnych i ciepłych frontów atmosferycznych. W tym przypadku część ciepłego frontu atmosferycznego wnika do wnętrza zimnego w postaci swego rodzaju atmosferycznego „języka”, w wyniku czego ciepłe powietrze, lżejsze, zaczyna się unosić, a jednocześnie zachodzą dwa procesy. Po pierwsze, cząsteczki pary wodnej pod wpływem ziemskiego pola magnetycznego zaczynają się obracać i włączają w ruch obrotowy całe unoszące się powietrze, tworząc gigantyczny wir powietrzny (patrz „Nauka i życie” nr). Po drugie, ciepłe powietrze nad powierzchnią ochładza się, a zawarta w nim para wodna skrapla się w chmury, które opadają w postaci opadów w postaci deszczu, gradu lub śniegu. Taki cyklon może zepsuć pogodę na okres od kilku dni do dwóch do trzech tygodni. Jego „aktywność życiowa” jest wspierana przez napływ nowych porcji wilgotnego, ciepłego powietrza i jego interakcję z frontem zimnego powietrza.

Antycyklony związane są z opadaniem mas powietrza, które jednocześnie nagrzewają się adiabatycznie, czyli bez wymiany ciepła z otoczeniem, ich wilgotność względna spada, co prowadzi do parowania istniejących chmur. Jednocześnie w wyniku oddziaływania cząsteczek wody z polem magnetycznym Ziemi następuje antycykloniczna rotacja powietrza: na półkuli północnej - zgodnie z ruchem wskazówek zegara, na południu - przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Antycyklony przynoszą ze sobą stabilną pogodę na okres od kilku dni do dwóch do trzech tygodni.

Najwyraźniej mechanizmy powstawania cyklonów, antycyklonów i tajfunów są identyczne, a energochłonność właściwa (energia na jednostkę masy) tajfunów jest znacznie większa niż cyklonów i antycyklonów, tylko ze względu na większą wysoka temperatura masy powietrza ogrzewane promieniowaniem słonecznym.

TOrnada

Ze wszystkich wirów powstających w przyrodzie najbardziej tajemnicze są tornada; w rzeczywistości są one częścią chmury burzowej. Początkowo w pierwszej fazie tornada rotacja jest widoczna tylko w dolnej części chmury burzowej. Następnie część tej chmury zwisa w postaci gigantycznego lejka, który staje się coraz dłuższy i ostatecznie dociera do powierzchni ziemi lub wody. Pojawia się gigantyczny pień zwisający z chmury, który składa się z wewnętrznej jamy i ścian. Wysokość tornada waha się od setek metrów do kilometra i zwykle jest równa odległości od dna chmury do powierzchni ziemi. Cechą charakterystyczną wnęki wewnętrznej jest obniżone ciśnienie znajdującego się w niej powietrza. Ta cecha tornada powoduje, że wnęka tornada pełni rolę swego rodzaju pompy, która może zassać ogromną ilość wody z morza lub jeziora wraz ze zwierzętami i roślinami, przetransportować ją na znaczne odległości i wyrzucić je w dół wraz z deszczem. Tornado jest w stanie przenosić dość duże ładunki - samochody, wozy, małe statki, małe budynki, a czasem nawet ludzi w nich. Tornado ma gigantyczną niszczycielską moc. W kontakcie z budynkami, mostami, liniami energetycznymi i inną infrastrukturą powoduje ogromne zniszczenia.

Tornada mają maksymalną intensywność energii właściwej, która jest proporcjonalna do kwadratu prędkości wirowych przepływów powietrza. Według klasyfikacji meteorologicznej, gdy prędkość wiatru w zamkniętym wirze nie przekracza 17 m/s, nazywa się to depresją tropikalną, natomiast jeśli prędkość wiatru nie przekracza 33 m/s, to jest to burza tropikalna, a jeśli prędkość wiatru wynosi 34 m/s i więcej, to jest to już tajfun. Podczas potężnych tajfunów prędkość wiatru może przekraczać 60 m/s. W tornadzie, według różnych autorów, prędkość powietrza może sięgać od 100 do 200 m/s (niektórzy autorzy wskazują na naddźwiękową prędkość powietrza w tornado - ponad 340 m/s). Bezpośrednie pomiary prędkości przepływu powietrza w tornadach są praktycznie niemożliwe przy obecnym poziomie rozwoju technologii. Wszystkie urządzenia służące do rejestracji parametrów tornada są przez nie bezlitośnie psute przy pierwszym kontakcie. Prędkość przepływu tornad ocenia się na podstawie znaków pośrednich, głównie na podstawie zniszczeń, jakie powodują lub masy niesionych przez nie ładunków. Oprócz, cecha wyróżniająca klasyczne tornado - obecność rozwiniętej chmury burzowej, rodzaju baterii elektrycznej, która zwiększa intensywność energii właściwej tornada. Aby zrozumieć mechanizm powstawania i rozwoju tornada, rozważmy najpierw strukturę chmury burzowej.

Chmura burzowa

W typowej chmurze burzowej góra jest naładowana dodatnio, a podstawa jest naładowana ujemnie. Oznacza to, że gigantyczny kondensator elektryczny o rozmiarach wielu kilometrów unosi się w powietrzu, podtrzymywany przez rosnące prądy. Obecność takiego kondensatora powoduje, że na powierzchni ziemi lub wody, nad którą znajduje się chmura, pojawia się jej ślad elektryczny - indukowany ładunek elektryczny, który ma znak przeciwny do znaku ładunku podstawy chmura, czyli powierzchnia Ziemi będzie naładowana dodatnio.

Nawiasem mówiąc, eksperyment dotyczący wytworzenia indukowanego ładunku elektrycznego można przeprowadzić w domu. Na powierzchni stołu połóż małe kawałki papieru, przeczesz suche włosy plastikowym grzebieniem i zbliż grzebień do posypanych kawałków papieru. Wszyscy, podnosząc wzrok znad stołu, podbiegną do grzebienia i przylgną do niego. Wynik tego prostego eksperymentu można wyjaśnić bardzo prosto. Grzebień w wyniku tarcia o włos otrzymuje ładunek elektryczny, a na kartce papieru indukuje ładunek o przeciwnym znaku, który przyciąga kartki papieru do grzebienia w pełni zgodnie z prawem Coulomba.

W pobliżu podstawy rozwiniętej chmury burzowej następuje silny przepływ powietrza nasyconego wilgocią w górę. Oprócz dipolowych cząsteczek wody, które zaczynają się obracać w ziemskim polu magnetycznym, przekazując pęd neutralnym cząsteczkom powietrza, wciągając je w ruch obrotowy, w przepływie ku górze występują jony dodatnie i wolne elektrony. Mogą powstawać w wyniku oddziaływania promieniowania słonecznego na cząsteczki, naturalne tło radioaktywne obszaru oraz, w przypadku chmury burzowej, na skutek energii pola elektrycznego pomiędzy podstawą chmury burzowej a gruntem ( pamiętaj o indukowanym ładunku elektrycznym!). Nawiasem mówiąc, ze względu na indukowany ładunek dodatni na powierzchni ziemi, liczba jonów dodatnich w przepływie wznoszącego się powietrza znacznie przewyższa liczbę jonów ujemnych. Wszystkie te naładowane cząstki pod wpływem wznoszącego się strumienia powietrza pędzą do podstawy chmury burzowej. Jednakże prędkości pionowe cząstek dodatnich i ujemnych w polu elektrycznym są różne. Natężenie pola można oszacować na podstawie różnicy potencjałów pomiędzy podstawą chmury a powierzchnią ziemi – według pomiarów badaczy jest to kilkadziesiąt milionów woltów, co przy wysokości podstawy chmury burzowej wynosi jednego do dwóch kilometrów, daje natężenie pola elektrycznego rzędu dziesiątek tysięcy woltów na metr. To pole będzie przyspieszać jony dodatnie i opóźniać jony ujemne i elektrony. Dlatego w jednostce czasu przez przekrój przepływu w górę przejdzie więcej ładunków dodatnich niż ujemnych. Innymi słowy, pomiędzy powierzchnią ziemi a podstawą chmury powstanie prąd elektryczny, chociaż bardziej słuszne byłoby mówienie o ogromnej liczbie prądów elementarnych łączących powierzchnię ziemi z podstawą chmury. Wszystkie te prądy są równoległe i płyną w tym samym kierunku.

Oczywiste jest, że zgodnie z prawem Ampera będą ze sobą oddziaływać, a mianowicie przyciągać. Z fizyki wiadomo, że siła wzajemnego przyciągania na jednostkę długości dwóch przewodników, w których prąd elektryczny płynie w tym samym kierunku, jest wprost proporcjonalna do iloczynu sił tych prądów i odwrotnie proporcjonalna do odległości między przewodnikami.

Przyciąganie pomiędzy dwoma przewodnikami elektrycznymi wynika z sił Lorentza. Na elektrony poruszające się w każdym przewodniku wpływa pole magnetyczne wytwarzane przez prąd elektryczny w sąsiednim przewodniku. Działa na nie siła Lorentza, skierowana wzdłuż linii prostej łączącej środki przewodników. Ale aby powstała siła wzajemnego przyciągania, obecność przewodników jest całkowicie niepotrzebna - wystarczą same prądy. Na przykład dwie cząstki w spoczynku, które mają ten sam ładunek elektryczny, odpychają się zgodnie z prawem Coulomba, ale te same cząstki poruszające się w tym samym kierunku są przyciągane, dopóki siły przyciągania i odpychania nie zrównoważą się. Łatwo zauważyć, że odległość pomiędzy cząstkami w położeniu równowagi zależy wyłącznie od ich prędkości.

W wyniku wzajemnego przyciągania prądów elektrycznych naładowane cząstki pędzą do środka chmury burzowej, po drodze oddziałując z cząsteczkami obojętnymi elektrycznie, a także przenosząc je do środka chmury burzowej. Pole przekroju wznoszącego się przepływu zmniejszy się kilkakrotnie, a ponieważ przepływ się obraca, zgodnie z prawem zachowania momentu pędu, jego prędkość kątowa wzrośnie. To samo stanie się z przepływem w górę, jak z łyżwiarką figurową, która kręcąc się na lodzie z wyciągniętymi rękami, dociska je do ciała, powodując gwałtowny wzrost jej prędkości obrotowej (podręcznikowy przykład z podręczników do fizyki, który możemy obejrzeć na TELEWIZJA!). Tak gwałtowny wzrost prędkości obrotu powietrza w tornadzie przy jednoczesnym zmniejszeniu jego średnicy doprowadzi do odpowiedniego wzrostu liniowej prędkości wiatru, która, jak wspomniano powyżej, może nawet przekroczyć prędkość dźwięku.

To obecność chmury burzowej, której pole elektryczne oddziela naładowane cząstki według znaku, prowadzi do tego, że prędkości przepływu powietrza w tornado przekraczają prędkości przepływu powietrza w tajfunie. Mówiąc obrazowo, chmura burzowa służy jako rodzaj „soczewki elektrycznej”, w ognisku której skupia się energia napływającego w górę wilgotnego powietrza, co prowadzi do powstania tornada.

MAŁY WIREKS

Istnieją również wiry, których mechanizm powstawania nie jest w żaden sposób związany z rotacją dipolowej cząsteczki wody w polu magnetycznym. Najpopularniejsze z nich to diabły pyłowe. Tworzą się na terenach pustynnych, stepowych i górskich. Pod względem wielkości są gorsze od klasycznych tornad, ich wysokość wynosi około 100-150 metrów, a ich średnica wynosi kilka metrów. Warunkiem koniecznym do powstania diabłów pyłowych jest pustynna, dobrze nagrzana równina. Raz utworzony wir taki istnieje dość krótko, 10-20 minut, cały czas poruszając się pod wpływem wiatru. Pomimo tego, że pustynne powietrze praktycznie nie zawiera wilgoci, jego ruch obrotowy zapewnia oddziaływanie ładunków elementarnych z polem magnetycznym Ziemi. Nad równiną silnie nagrzaną przez słońce powstaje silny unoszący się ku górze strumień powietrza, którego część cząsteczek pod wpływem promieniowania słonecznego, a zwłaszcza jego ultrafioletowej części, ulega jonizacji. Fotony promieniowania słonecznego wybijają elektrony z zewnętrznych powłok elektronowych atomów powietrza, tworząc pary jonów dodatnich i wolnych elektronów. Ze względu na fakt, że elektrony i jony dodatnie mają znacząco różne masy przy jednakowych ładunkach, ich udział w powstaniu momentu pędu wiru jest różny, a kierunek obrotu wiru pyłowego jest określony przez kierunek obrotu jonów dodatnich . Taka wirująca kolumna suchego powietrza w trakcie ruchu unosi z powierzchni pustyni pył, piasek i drobne kamyki, które same w sobie nie odgrywają żadnej roli w mechanizmie powstawania zawirowań pyłowych, ale służą jako swego rodzaju wskaźnik obrót powietrza.

W literaturze opisuje się także wiry powietrzne, dość rzadkie zjawisko naturalne. Pojawiają się w upalne pory dnia, na brzegach rzek lub jezior. Żywotność takich wirów jest krótka, pojawiają się one niespodziewanie i równie nagle znikają. Podobno do ich powstania przyczyniają się zarówno cząsteczki wody, jak i jony powstałe w ciepłym i wilgotnym powietrzu pod wpływem promieniowania słonecznego.

Znacznie bardziej niebezpieczne są wiry wodne, których mechanizm powstawania jest podobny. Zachował się opis: „W lipcu 1949 roku w stanie Waszyngton, w ciepły, słoneczny dzień pod bezchmurnym niebem, na powierzchni jeziora pojawiła się wysoka kolumna mgiełki wodnej. Istniał tylko przez kilka minut, ale miał znaczną siłę nośną. Zbliżając się do brzegu rzeki, podniósł dość ciężką łódź motorową o długości około czterech metrów, przeniósł ją na odległość kilkudziesięciu metrów i uderzając o ziemię, rozbił ją na kawałki. Wiry wodne występują najczęściej tam, gdzie powierzchnia wody jest silnie nagrzana przez słońce – w strefie tropikalnej i subtropikalnej.”

Podczas dużych pożarów mogą wystąpić wirowe strumienie powietrza. Takie przypadki są opisywane w literaturze; my przedstawiamy jeden z nich. „W 1840 roku w Stanach Zjednoczonych wycinano lasy pod pola. Na dużej polanie wyrzucono ogromną ilość zarośli, gałęzi i drzew. Zostały podpalone. Po pewnym czasie płomienie poszczególnych ognisk złączyły się, tworząc kolumnę ognia, szeroką u dołu i skierowaną w górę, o wysokości 50 - 60 metrów. Jeszcze wyżej ogień ustąpił miejsca dymowi, który uniósł się wysoko w niebo. Wicher ognia i dymu wirował z niesamowitą prędkością. Majestatycznemu i przerażającemu widokowi towarzyszył głośny hałas, przypominający grzmot. Siła wichru była tak wielka, że ​​uniosła w powietrze duże drzewa i odrzuciła je na bok”.

Rozważmy proces powstawania tornada ogniowego. Podczas spalania drewna wydziela się ciepło, które częściowo przekształca się w energię kinetyczną wznoszącego się strumienia ogrzanego powietrza. Jednak podczas spalania zachodzi inny proces - jonizacja powietrza i produktów spalania.

paliwo. I choć na ogół produkty spalania ogrzanego powietrza i paliwa są elektrycznie obojętne, w płomieniu powstają dodatnio naładowane jony i wolne elektrony. Ruch zjonizowanego powietrza w polu magnetycznym Ziemi nieuchronnie doprowadzi do powstania ognistego tornada.

Pragnę zaznaczyć, że wirowy ruch powietrza występuje nie tylko podczas dużych pożarów. W swojej książce „Tornada” D.V. Nalivkin zadaje pytania: „Rozmawialiśmy już nie raz o tajemnicach związanych z małowymiarowymi wirami, próbowaliśmy zrozumieć, dlaczego wszystkie wiry się obracają? Pojawiają się także inne pytania. Dlaczego, gdy płonie słoma, ogrzane powietrze nie unosi się w linii prostej, ale spiralnie i zaczyna wirować. Gorące powietrze zachowuje się tak samo na pustyni. Dlaczego po prostu nie wzniesie się bez pyłu? To samo dzieje się z rozpryskami i rozpryskami wody, gdy gorące powietrze napływa nad powierzchnię wody.

Istnieją wiry powstające podczas erupcji wulkanów; zaobserwowano je na przykład nad Wezuwiuszem. W literaturze nazywa się je wirami pyłowymi – w ruchu wirowym uczestniczą chmury pyłu wyrzucane przez wulkan. Mechanizm powstawania takich wirów jest ogólnie podobny do mechanizmu powstawania tornad ogniowych.

Zobaczmy teraz, jakie siły działają na tajfuny w burzliwej atmosferze naszej Ziemi.

SIŁA CORIOLISA

Na ciało poruszające się w wirującym układzie odniesienia, na przykład po powierzchni wirującego dysku lub kuli, działa siła bezwładności zwana siłą Coriolisa. Siłę tę wyznacza iloczyn wektorowy (numeracja wzorów rozpoczyna się w pierwszej części artykułu)

FK =2M[ VΩ], (20)

Gdzie M- masa ciała; V jest wektorem prędkości ciała; Ω - w tym przypadku wektor prędkości kątowej obrotu układu odniesienia glob- prędkość kątowa obrotu Ziemi oraz [VΩ] - ich iloczyn wektorowy, który w postaci skalarnej wygląda następująco:

F l = 2M | V | | Ω | sin α, gdzie α jest kątem między wektorami.

Prędkość ciała poruszającego się po powierzchni globu można rozłożyć na dwie składowe. Jedna z nich leży w płaszczyźnie stycznej do kuli w miejscu położenia ciała, czyli składowa pozioma prędkości, druga składowa pionowa jest prostopadła do tej płaszczyzny. Siła Coriolisa działająca na ciało jest proporcjonalna do sinusa szerokości geograficznej, w której się ono znajduje. Na ciało poruszające się wzdłuż południka w dowolnym kierunku na półkuli północnej działa w jego ruchu siła Coriolisa skierowana w prawo. To właśnie ta siła powoduje, że prawe brzegi rzek na półkuli północnej zmywają się, niezależnie od tego, czy płyną na północ, czy na południe. Na półkuli południowej ta sama siła skierowana jest w ruchu w lewo, a rzeki płynące w kierunku południkowym zmywają lewe brzegi. W geografii zjawisko to nazywa się prawem Beera. Gdy koryto rzeki nie pokrywa się z kierunkiem południka, siła Coriolisa będzie mniejsza o cosinus kąta między kierunkiem przepływu rzeki a południkiem.

Niemal wszystkie badania poświęcone powstawaniu tajfunów, tornad, cyklonów i wszelkiego rodzaju wirów oraz ich dalszemu przemieszczaniu się wskazują, że to właśnie siła Coriolisa jest przyczyną ich powstawania i wyznacza trajektorię ich ruchu. ruch po powierzchni Ziemi. Gdyby jednak w powstawanie tornad, tajfunów i cyklonów zaangażowana była siła Coriolisa, to na półkuli północnej miałyby one obrót w prawo, zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a na półkuli południowej obrót w lewo, czyli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Ale tajfuny, tornada i cyklony na półkuli północnej obracają się w lewo, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a na półkuli południowej - w prawo, zgodnie z ruchem wskazówek zegara. To absolutnie nie odpowiada kierunkowi działania siły Coriolisa, a ponadto jest do niego wprost przeciwne. Jak już wspomniano, wielkość siły Coriolisa jest proporcjonalna do sinusa szerokości geograficznej i dlatego jest maksymalna na biegunach i nie występuje na równiku. W konsekwencji, gdyby przyczyniło się to do powstania wirów o różnej skali, wówczas najczęściej pojawiałyby się one na szerokościach polarnych, co całkowicie zaprzecza dostępnym danym.

Zatem powyższa analiza przekonująco dowodzi, że siła Coriolisa nie ma nic wspólnego z procesem powstawania tajfunów, tornad, cyklonów i wszelkiego rodzaju wirów, których mechanizmy powstawania omawialiśmy w poprzednich rozdziałach.

Uważa się, że to siła Coriolisa wyznacza ich trajektorie, zwłaszcza, że ​​na półkuli północnej tajfuny, jako formacje meteorologiczne, podczas swego ruchu odchylają się w prawo, a na półkuli południowej w lewo, co odpowiada kierunkowi działanie siły Coriolisa na tych półkulach. Wydawałoby się, że znaleziono przyczynę odchylenia trajektorii tajfunu – jest to siła Coriolisa, ale nie spieszmy się z wnioskami. Jak wspomniano powyżej, gdy tajfun przemieszcza się po powierzchni Ziemi, działa na niego siła Coriolisa, jak na pojedynczy obiekt, równa:

F к = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

gdzie θ to szerokość geograficzna tajfunu; α to kąt między wektorem prędkości tajfunu jako całości a południkiem.

Aby się dowiedzieć prawdziwy powód odchyleń trajektorii tajfunu, spróbujmy określić wielkość siły Coriolisa działającej na tajfun i porównać ją z inną, jak teraz zobaczymy, bardziej rzeczywistą siłą.

MOC MAGNUSA

Na tajfun poruszany przez pasat oddziałuje siła, która według najlepszej wiedzy autora nie została jeszcze uwzględniona przez żadnego badacza w tym kontekście. Jest to siła oddziaływania tajfunu, jako pojedynczego obiektu, ze strumieniem powietrza, który porusza ten tajfun. Jeśli spojrzysz na zdjęcie przedstawiające trajektorie tajfunów, stanie się jasne, że przemieszczają się one ze wschodu na zachód pod wpływem stale wiejących wiatrów tropikalnych, pasatów, które powstają w wyniku obrotu globu. Jednocześnie pasat nie tylko przenosi tajfun ze wschodu na zachód. Najważniejsze jest to, że na tajfun znajdujący się w pasacie działa siła wywołana oddziaływaniem strumieni powietrza samego tajfunu z przepływem powietrza pasatu.

Efekt pojawienia się siły poprzecznej działającej na ciało obracające się w strumieniu cieczy lub gazu uderzającego w nie, odkrył niemiecki naukowiec G. Magnus w 1852 roku. Przejawia się to w tym, że jeśli wirujący okrągły cylinder opływa bezwirowy (laminarny) przepływ prostopadły do ​​jego osi, to w tej części cylindra, w której prędkość liniowa jego powierzchni jest przeciwna do prędkości nadchodzącego przepływu, pojawia się obszar wysokiego ciśnienia. A po przeciwnej stronie, gdzie kierunek prędkości liniowej powierzchni pokrywa się z prędkością nadchodzącego przepływu, znajduje się obszar niskiego ciśnienia. Różnica ciśnień po przeciwnych stronach cylindra powoduje powstanie siły Magnusa.

Wynalazcy próbowali wykorzystać moc Magnusa. Zaprojektowano, opatentowano i zbudowano statek, na którym zamiast żagli zamontowano pionowe cylindry obracane przez silniki. Skuteczność takich wirujących, cylindrycznych „żagli” w niektórych przypadkach przewyższała nawet skuteczność żagli konwencjonalnych. Z efektu Magnusa korzystają także piłkarze, którzy wiedzą, że jeśli podczas uderzenia piłki nadadzą jej ruch obrotowy, to jej tor lotu stanie się krzywoliniowy. Dzięki takiemu kopnięciu, zwanemu „suchym prześcieradłem”, możesz posłać piłkę do bramki przeciwnika niemal z rogu boiska, znajdującego się na linii bramki. Siatkówcy, tenisiści i gracze w ping-ponga również kręcą piłkę po uderzeniu. We wszystkich przypadkach ruch zakrzywionej piłki po złożonej trajektorii stwarza wiele problemów dla przeciwnika.

Wróćmy jednak do tajfunu poruszanego przez pasat.

Pasaty, stabilne prądy powietrza (które wieją stale przez ponad dziesięć miesięcy w roku) w tropikalnych szerokościach geograficznych oceanów, pokrywają 11 procent ich powierzchni na półkuli północnej i do 20 procent na półkuli południowej. Główny kierunek pasatów to ze wschodu na zachód, ale na wysokości 1-2 kilometrów są one uzupełniane przez wiatry południkowe wiejące w kierunku równika. W rezultacie na półkuli północnej pasaty przemieszczają się na południowy zachód, a na półkuli południowej

Na północny zachód. Pasaty stały się znane Europejczykom po pierwszej wyprawie Kolumba (1492-1493), kiedy jej uczestnicy byli zdumieni stabilnością silnych północno-wschodnich wiatrów, które niosły karawele z wybrzeży Hiszpanii przez tropikalne regiony Atlantyku.

Gigantyczną masę tajfunu można uznać za walec obracający się w strumieniu powietrza pasatu. Jak już wspomniano, na półkuli południowej obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a na półkuli północnej przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Dlatego w wyniku interakcji z silnym przepływem pasatów tajfuny zarówno na półkuli północnej, jak i południowej odchylają się od równika - odpowiednio na północ i południe. Ten charakter ich ruchu dobrze potwierdzają obserwacje meteorologów.

(Następuje zakończenie.)

PRAWO AMPERA

W 1920 roku francuski fizyk Anre Marie Ampere odkrył eksperymentalnie nowe zjawisko - oddziaływanie dwóch przewodników z prądem. Okazało się, że dwa równoległe przewodniki przyciągają się lub odpychają w zależności od kierunku prądu w nich. Przewodniki mają tendencję do zbliżania się do siebie, jeśli prądy płyną w tym samym kierunku (równolegle), i oddalają się od siebie, jeśli prądy płyną w przeciwnych kierunkach (przeciwrównolegle). Ampere był w stanie poprawnie wyjaśnić to zjawisko: zachodzi interakcja pól magnetycznych prądów, co określa „reguła świdra”. Jeśli świder zostanie wkręcony w kierunku prądu I, ruch jego rączki będzie wskazywał kierunek linii pola magnetycznego H.

Dwie naładowane cząstki lecące równolegle również wytwarzają prąd elektryczny. Dlatego ich trajektorie będą zbieżne lub rozbieżne w zależności od znaku ładunku cząstek i kierunku ich ruchu.

Projektując wysokoprądowe cewki elektryczne (cewki) należy wziąć pod uwagę wzajemne oddziaływanie przewodników - równoległe prądy przepływające przez ich zwoje wytwarzają duże siły ściskające cewkę. Znane są przypadki, gdy piorunochron wykonany z rurki po uderzeniu pioruna zamienił się w cylinder: został ściśnięty przez pola magnetyczne prądu wyładowania piorunowego o sile setek kiloamperów.

W oparciu o prawo Ampera ustalono standardową jednostkę prądu w układzie SI – amper (A). Norma państwowa „Jednostki wielkości fizycznych” definiuje:

„Amper to natężenie prądu, które przepływając przez dwa równoległe proste przewodniki o nieskończonej długości i znikomo małym polu przekroju poprzecznego, umieszczone w próżni w odległości 1 m od siebie, wywołałoby siłę oddziaływania równą 2 na odcinku przewodu o długości 1 m . 10 -7 N.”

Szczegóły dla ciekawskich

SIŁY MAGNUSA I CORIOLISA

Porównajmy wpływ sił Magnusa i Coriolisa na tajfun, wyobrażając sobie go w pierwszym przybliżeniu w postaci obracającego się cylindra powietrza unoszonego przez pasat. Na taki cylinder działa siła Magnusa równa:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

gdzie D jest średnicą tajfunu; ρ - gęstość powietrza handlowego; H to jego wysokość; V n > - prędkość powietrza w pasacie; V t - liniowa prędkość powietrza podczas tajfunu. Dzięki prostym przekształceniom otrzymujemy

Fm = R 2 HρωV n, - (23)

gdzie R jest promieniem tajfunu; ω jest prędkością kątową obrotu tajfunu.

Zakładając w pierwszym przybliżeniu, że gęstość powietrza pasatu jest równa gęstości powietrza podczas tajfunu, otrzymujemy

M t = R 2 Hρ, - (24)

gdzie M t jest masą tajfunu.

Wtedy (19) można zapisać jako

F m = M t ωV p - (25)

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

Dzieląc wyrażenie na siłę Magnusa przez wyrażenie (17) na siłę Coriolisa, otrzymujemy

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

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

Biorąc pod uwagę, że według klasyfikacji międzynarodowej tajfun jest cyklonem tropikalnym, w którym prędkość wiatru przekracza 34 m/s, w naszych obliczeniach uwzględnimy tę najmniejszą liczbę. Ponieważ szerokość geograficzna najkorzystniejsza dla powstawania tajfunów wynosi 16 o, przyjmiemy θ = 16 o, a ponieważ bezpośrednio po powstaniu tajfuny poruszają się prawie po trajektoriach równoleżnikowych, przyjmiemy α = 80 o. Przyjmijmy, że promień średniej wielkości tajfunu wynosi 150 kilometrów. Podstawiając wszystkie dane do wzoru, otrzymujemy

F m / F k = 205. (29)

Innymi słowy, siła Magnusa jest dwieście razy większa niż siła Coriolisa! Jasne jest zatem, że siła Coriolisa nie ma nic wspólnego nie tylko z procesem tworzenia się tajfunu, ale także ze zmianą jego trajektorii.

Na tajfun w pasacie będą działać dwie siły - wspomniana siła Magnusa oraz siła ciśnienia aerodynamicznego pasatu na tajfun, którą można znaleźć z prostego równania

F d = KRHρV 2 p, - (30)

gdzie K jest współczynnikiem oporu aerodynamicznego tajfunu.

Łatwo zauważyć, że ruch tajfunu będzie spowodowany działaniem wypadkowej siły, będącej sumą sił Magnusa i ciśnienia aerodynamicznego, która będzie działać pod kątem p do kierunku ruchu powietrza w handlu wiatr. Tangens tego kąta można znaleźć z równania

tgβ = F m /F d. (31)

Podstawiając wyrażenia (26) i (30) do (31) po prostych przekształceniach otrzymujemy

tgβ = V t /KV p, (32)

Jest oczywiste, że wypadkowa siła F p działająca na tajfun będzie styczna do jego trajektorii, a jeśli znany będzie kierunek i prędkość pasatu, wówczas możliwe będzie obliczenie tej siły z wystarczającą dokładnością dla konkretnego tajfunu, wyznaczając w ten sposób jego dalszą trajektorię, co zminimalizuje spowodowane przez nią szkody. Trajektorię tajfunu można przewidzieć metodą krok po kroku, obliczając prawdopodobny kierunek powstałej siły w każdym punkcie jego trajektorii.

W postaci wektorowej wyrażenie (25) wygląda następująco:

F m = M [ωVp]. (33)

Łatwo zauważyć, że wzór opisujący siłę Magnusa jest strukturalnie identyczny ze wzorem na siłę Lorentza:

F l = q .

Porównując i analizując te wzory, zauważamy, że podobieństwo strukturalne wzorów jest dość głębokie. Zatem lewe strony obu produktów wektorowych (M& #969; i q V) charakteryzują parametry obiektów (tajfun i cząstka elementarna), a prawe strony ( V n i B) - środowisko (prędkość wiatru pasatowego i indukcja pola magnetycznego).

Trening fizyczny

SIŁY CORIOLISA NA GRACZY

W wirującym układzie współrzędnych, np. na powierzchni kuli ziemskiej, prawa Newtona nie są spełnione – taki układ współrzędnych jest nieinercyjny. Pojawia się w nim dodatkowa siła bezwładności, która zależy od prędkości liniowej ciała i prędkości kątowej układu. Jest prostopadła do trajektorii ciała (i jego prędkości) i nazywa się siłą Coriolisa, nazwaną na cześć francuskiego mechanika Gustava Gasparda Coriolisa (1792-1843), który wyjaśnił i obliczył tę dodatkową siłę. Siła jest tak skierowana, że ​​aby zgrać się z wektorem prędkości, należy ją obrócić pod kątem prostym w kierunku obrotu układu.

Możesz zobaczyć, jak „działa” siła Coriolisa, używając elektrycznego gramofonu, wykonując dwa proste eksperymenty. Aby je wykonać, wytnij okrąg z grubego papieru lub tektury i umieść go na krążku. Będzie służyć jako obrotowy układ współrzędnych. Zanotujmy od razu: dysk gracza obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a Ziemia obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Zatem siły w naszym modelu będą skierowane w kierunku przeciwnym do obserwowanych na Ziemi w naszej półkuli.

1. Umieść dwa stosy książek obok odtwarzacza, tuż nad talerzem. Umieść linijkę lub prosty pasek na książkach, tak aby jedna z jej krawędzi pasowała do średnicy dysku. Jeśli przy nieruchomym dysku narysujesz miękkim ołówkiem linię wzdłuż paska, od jego środka do krawędzi, wówczas będzie ona naturalnie prosta. Jeśli teraz uruchomisz odtwarzacz i przeciągniesz ołówkiem wzdłuż paska, narysuje on zakrzywioną trajektorię biegnącą w lewo - w pełnej zgodności z prawem obliczonym przez G. Coriolisa.

2. Zbuduj slajd ze stosów książek i przyklej do niego gruby papierowy rowek zorientowany wzdłuż średnicy krążka. Jeśli potoczysz małą kulkę po rowku na nieruchomy dysk, będzie się ona toczyć wzdłuż średnicy. A na obracającym się dysku przesunie się w lewo (jeśli oczywiście tarcie podczas toczenia jest małe).

Trening fizyczny

EFEKT MAGNUS NA STOLE I W POWIETRZU

1. Sklej mały cylinder z grubego papieru. Umieść stos książek niedaleko krawędzi stołu i połącz go z krawędzią stołu za pomocą deski. Gdy walec papierowy toczy się po powstałym suwaku, możemy spodziewać się, że będzie on poruszał się po paraboli od stołu. Zamiast tego cylinder gwałtownie zakręci swoją trajektorię w innym kierunku i wleci pod stół!

Jego paradoksalne zachowanie jest całkiem zrozumiałe, jeśli przypomnimy sobie prawo Bernoulliego: ciśnienie wewnętrzne w przepływie gazu lub cieczy staje się niższe, im większa jest prędkość przepływu. Na zasadzie tego zjawiska działa np. pistolet natryskowy: wyższe ciśnienie atmosferyczne wciska ciecz w strumień powietrza o obniżonym ciśnieniu.

Co ciekawe, przepływy ludzkie również w pewnym stopniu podlegają prawu Bernoulliego. W metrze, przy wejściu na schody ruchome, gdzie ruch jest utrudniony, ludzie gromadzą się w gęstym, zwartym tłumie. A na szybko poruszających się schodach ruchomych stoją swobodnie - „ciśnienie wewnętrzne” w przepływie pasażerów spada.

Kiedy cylinder opada i nadal się obraca, prędkość jego prawej strony jest odejmowana od prędkości nadchodzącego strumienia powietrza i dodaje się do niej prędkość lewej strony. Względna prędkość przepływu powietrza na lewo od cylindra jest większa, a ciśnienie w nim jest mniejsze niż na prawo. Różnica ciśnień powoduje, że cylinder gwałtownie zmienia trajektorię i wlatuje pod stół.

Prawa Coriolisa i Magnusa są brane pod uwagę przy wystrzeliwaniu rakiet, precyzyjnym strzelaniu na duże odległości, obliczaniu turbin, żyroskopów itp.

2. Owiń papierowy cylinder taśmą papierową lub tekstylną kilka razy. Jeśli teraz mocno pociągniesz koniec taśmy, obróci on cylinder i jednocześnie nada mu ruch do przodu. W rezultacie pod wpływem sił Magnusa cylinder będzie latał, zapisując w powietrzu pętle.

Dziwne zmiany w trajektorii piłki wydają się przeciętnemu człowiekowi cudem. Ale dla zawodowych piłkarzy, koszykarzy i graczy w bilard takie sztuczki są wskaźnikiem umiejętności. I tu przypominamy sobie prawa fizyki, które rzucają na światło dzienne takie dary jak efekt Magnusa. Początkowo zauważane w aerodynamice, dziś prawo zmiany trajektorii obiektu kulistego znalazło bardzo szerokie zastosowanie. Całkiem niedawno w Internecie pojawił się film, który dobitnie ukazuje to zjawisko fizyczne na przykładzie piłki do koszykówki. Film uzyskał ponad 9 milionów wyświetleń w ciągu dwóch dni, co wzbudziło zainteresowanie efektem Magnusa i jego niesamowitymi zastosowaniami.

Tło

Wszystko zaczęło się od tego, że pruscy strzelcy nie mogli zrozumieć, dlaczego kule armatnie z ich armat ciągle trafiają w niewłaściwe miejsca. Obrót rdzenia w locie, którego środek ciężkości nie pokrywa się z geometrycznym, zaburzał tor lotu. Izaak Newton pisał o sile aerodynamicznej wpływającej na lot obracającej się kuli, a dowódcy pruscy zwrócili się do słynnego niemieckiego naukowca Heinricha Gustava Magnusa (1802-1870) o wyjaśnienie krzywoliniowych trajektorii lotu kuli, który w 1853 roku udzielił naukowego wyjaśnienia tego zjawiska.

Naukowiec zasugerował, że problem nie leży w środku ciężkości obiektu, ale w jego obrocie. Przeprowadził szereg eksperymentów i choć nie dokonał żadnych obliczeń matematycznych, to jako pierwszy udowodnił siłę aerodynamiczną zmieniającą tor lotu wirującego ciała.

Po Magnusie tą siłą zainteresował się Ludwig Prandtl (1875-1953), który mierzył siłę i prędkość. Jego najważniejszym osiągnięciem jest ustalenie możliwości wykorzystania powstałej siły na obracającym się wirniku (cylindrze) w celu zapewnienia ruchu postępowego. Ale w praktyce pomysł ten wdrożył inny Niemiec - inżynier Anton Flettner (1885-1961). Więcej o żaglach wirnikowych Flettnera i Cousteau nieco później.

Wyjaśnienie nie jest dla fizyków

Biorąc pod uwagę prawa Newtonowskiej fizyki ciała stałego, w prostych słowach Proces wygląda następująco. Wirujący okrągły obiekt nabiera prędkości, powietrze przed obiektem porusza się w kierunku jego obrotu i jest ciągnięte wzdłuż i w kierunku środka. Po drugiej stronie obiektu powietrze porusza się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu. W efekcie strumień oddala się, a obiekt wypiera powietrze z jednej strony, a powietrze z drugiej strony tworzy siłę odpowiedzi, ale w innym kierunku, co zmienia tor lotu obiektu. Schemat procesu pokazano na powyższym rysunku; jest to słynny efekt Magnusa.

Statek wiatrowy Flettner

Anton Flettner otrzymał niemiecki patent na statek obrotowy 16 września 1922 roku. I już w październiku 1926 roku prawdziwą sensację w Zatoce Kilońskiej wywołał niezwykły statek z dwiema dużymi rurami na pokładzie i ażurowym masztem. Był to pierwszy statek obrotowy Buckau, który opuścił pochylnię przedsiębiorstwa stoczniowego Friedrich Krupp.

Flettner wykorzystał efekt Magnusa i siłę powstającą podczas przepływu wokół obracających się cylindrów i skierowaną prostopadle do kierunku przepływu. Od strony, gdzie kierunek przepływu wiru wytwarzanego przez obracający się korpus pokrywa się z kierunkiem przepływu powietrza, siła i prędkość ruchu gwałtownie rosną. To właśnie tymi wirnikami, które później nazwano jego imieniem, młody inżynier Flettner zastąpił żagle.

Wirniki tego statku napędzane były silnikami elektrycznymi. Tam, gdzie wirnik obracał się pod wiatr, tworzył się obszar zwiększonego ciśnienia. Po przeciwnej stronie - ze spadkiem. Powstała siła poruszyła statek.

Buckau zdał egzamin z honorem. W 1925 roku popłynął z Gdańska do Szkocji w warunkach pogodowych, kiedy żaglowce nie odważyły ​​się wypłynąć w morze. Rejs zakończył się sukcesem, a załoga statku została zredukowana do 10 osób w porównaniu z 20 na żaglowcu.

Wymuszone zapomnienie

Przed wirnikami Flettnera otwierała się świetlana przyszłość. Sukces projektu potwierdził statek hamburskiej firmy „Barbara”. Był to liniowiec towarowy, którego ruch zapewniały trzy 17-metrowe wirniki, rozwijające prędkość 13 węzłów przy wietrze o sile 4-6.

Mimo pozornego sukcesu projektu, na długi czas został on zapomniany. Jest ku temu kilka powodów. Sam Flettner stracił zainteresowanie żeglugą i zainteresował się lotnictwem podczas Wielkiego Kryzysu w latach dwudziestych XX wieku.

Reanimacja statków wraz z instalacjami wirnikowymi

Kontynuacją obrotowego statku Flettnera jest turbożagiel Jacques-Yves Cousteau. Znany odkrywca i bojownik o przyjazne dla środowiska środki transportu w kwietniu 1885 roku zwodował statek Alcyone, wyposażony w opatentowane turbożagle, w którym wykorzystano efekt Magnusa. Ten statek jest nadal w toku.

Niestety, zwolennicy Cousteau nie byli zbytnio zainteresowani instalacjami obrotowymi na statkach i zainteresowanie nimi ponownie osłabło. Przypomniano sobie o nich wraz z nadejściem kryzysu naftowego, a w 2010 roku zwodowano trzeci statek z instalacjami obrotowymi. To ciężki 130-metrowy statek E-Ship 1 firmy Enercon z czterema wirnikami Flettnera. Dziś transportuje generatory wiatrowe z Niemiec do krajów europejskich, wytrzymuje do 9 ton ładunku i osiąga prędkość 17 węzłów. Załoga to tylko 15 osób.

Przedsiębiorstwa okrętowe Wind Again (Singapur), Wartsila (Finlandia) i kilka innych zainteresowały się instalacjami obrotowymi. Wygląda na to, że niedobory ropy i niepokojące ocieplenie klimatu odegrają rolę w powrocie napędu wiatrowego na nowoczesne statki.

Zastosowanie w przemyśle lotniczym

Zastosowanie efektu Magnusa w lotnictwie wdrażano w różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych. W najprostszych formach zastosowano skrzydła w kształcie wału, które obracały się podczas lotu. Do twórców tego kierunku należał austriacki wynalazca Karl Gligorin, który zaproponował zamontowanie na wirniku owiewki odpowiadającej kształtowi skrzydła. W Amsterdamie E.B. pracował nad podobnymi projektami. Wolfa, Amerykanie John D. Gerst i K. Popper przetestowali nawet swoje samoloty ze skrzydłami w kształcie wału w 1932 roku.

North American-Rockwell YOU-10A Bronco, przerobiony na wały obrotowe w 1964 roku, okazał się funkcjonalny. Był to projekt profesora z Peru, Alberto Alvareza-Calderona. Prototyp miał jednak więcej wad niż zalet.

Pomimo wysiłków efekt Magnusa nie zakorzenił się w lotnictwie. Praktyczne zastosowanie skrzydeł typu rotorowego wiąże się z szeregiem problemów i nie znajduje dotychczas uzasadnienia ekonomicznego.

Efekt Magnusa i turbiny wiatrowe

Rozwój branży alternatywnych źródeł energii jest w naszych czasach szczególnie ważny. I w tej branży wykorzystano efekt Magnusa. Generatory wiatrowe łopatkowe zastępowane są przez zespoły wirnikowe, które najskuteczniej sprawdzają się przy częstych i małych prędkościach wiatru rzędu 2-6 m/s. Opierają się na osi, wokół której obracają się cylindry. Pierwsza taka instalacja, wyprodukowana przez firmę Aerolla, pojawiła się pod Mińskiem (Białoruś) w 2015 roku. Jego moc wynosiła 100 kW, średnica wirnika turbiny wynosiła 36 metrów. Działa przy projektowej prędkości wiatru 9,5 m/s.

Prace w tym kierunku trwają w Nowosybirskim Instytucie Mechaniki Stosowanej SB RAS, a istnieją już prototypy generatorów wiatrowych wykorzystujących efekt Magnusa o mocy do 2 MW.

Niezbyt powszechne zastosowanie

Ten efekt zmiany trajektorii piłki jest szeroko stosowany w sporcie: strzały topspinowe i „suche prześcieradło” w piłce nożnej, system Hop Up w airsofcie.

Efekt Magnusa jest obecnie szeroko stosowany w projektowaniu modeli samolotów. Na przykład samolot wykonany z tektury, silnika elektrycznego i papierowych kubków do fast foodów został zaprojektowany przez kanał PeterSripol.

Efekt Magnusa wykorzystywany jest przy produkcji latawców. Na przykład wąż w kształcie wiatraczka zaprojektowany przez D. Edwardsa lub S. Albertsona.

Jednak dla „łowców huraganów” to zjawisko fizyczne może stać się bardzo niebezpieczne. Jeśli dno między samochodem a ziemią nie jest dobrze uszczelnione, to przez szczelinę huraganowy wiatr może wytworzyć ogromną siłę nośną, która z łatwością może unieść samochód w powietrze.

Rozdział 3 Efekt Magnusa i siła Lorentza

Podobnie jak w skrzydle Żukowskiego-Czaplygina, siła Magnusa powstaje w wyniku różnicy ciśnień przepływu medium na powierzchni obracającego się cylindra. Efekt ten odkrył niemiecki naukowiec H. G. Magnus w 1852 roku. Na ryc. Rysunek 8 przedstawia schemat dodawania wektorów prędkości przepływu medium i powierzchni obracającego się cylindra.

Ryż. 8. Efekt Magnusa dla obracającego się cylindra

W górnej części cylindra (widok od końca) kierunek ruchu przepływu medium i powierzchnia obracającego się cylindra pokrywają się, natomiast w dolnej części cylindra jego powierzchnia przesuwa się w kierunku przepływu medium. Ponieważ przepływ w dolnej części obracającego się cylindra jest spowalniany przez jego powierzchnię zbliżającą się do przepływu, ciśnienie dynamiczne przepływu maleje, a wzrasta ciśnienie statyczne ośrodka na powierzchni, zgodnie z prawem Bernoulliego dotyczącym całkowitego ciśnienie przepływu. W rezultacie ciśnienie medium w górnej części obracającego się cylindra staje się mniejsze niż w dolnej części cylindra. Powstaje siła nośna, podobnie jak w przypadku skrzydła o profilu Żukowskiego-Czaplygina.

Efekt Magnusa jest dobrze znany piłkarzom i tenisistom, którzy wykorzystują go do tworzenia zakrzywionego toru lotu wirującej piłki. Po „uderzeniu w krzywą” piłka leci prosto, ale obraca się wokół własnej osi. W locie przepływa w jego stronę strumień powietrza, co wywołuje efekt Magnusa, a tor lotu jest zakrzywiony. W wyniku takiego uderzenia piłka leci po zakręcie i trafia w niewłaściwe miejsce, w którym się spodziewała...

Załóżmy, że skonstruowaliśmy zamknięty przepływ poruszającego się ośrodka (powietrze, woda itp.), w którym umieszczono kilka obracających się cylindrów, jak pokazano na rys. 9. Załóżmy, że obrót każdego cylindra zapewnia niezależny napęd elektryczny, z możliwością regulacji prędkości i kierunku obrotu.

Ryż. 9. Napęd oparty na efekcie Magnusa

W przeciwieństwie do konstrukcji ze skrzydłem zainstalowanym w przepływie poruszającego się medium, ten schemat ma ważną zaletę: wielkość i kierunek osiowej siły nośnej można zmieniać poprzez zmianę prędkości i kierunku obrotu cylindrów. Nie można zmienić prędkości i kierunku przepływu krążącego, co zapewnia znaczne korzyści w zakresie prędkości i zwrotności tego pojazdu. Ten typ jednostki napędowej można montować pionowo lub poziomo, tworząc siłę uciągu.

Ciekawa analogia z efektem Magnusa pojawia się, gdy rozważamy zjawisko elektromagnetyczne znane jako siła Lorentza: na przewodnik z prądem w polu magnetycznym działa siła o kierunku pokazanym na ryc. 10. Wcześniej nie było jasnego wyjaśnienia przyczyny pojawienia się tej siły. Zakładając analogie z efektem Magnusa, możemy zinterpretować siłę Lorentza jako wynik gradientu ciśnienia ośrodka eterycznego. Po raz pierwszy wykazano to w raporcie z 1996 r.

Ryż. 10. Siła Lorentza wynikająca z gradientu ciśnienia eteru

Jednakże na schemacie z rys. 10 otrzymujemy obraz odwrotny do superpozycji wektorów, co pokazano na ryc. 8. Siła Magnusa działa na cylinder obracający się w strumieniu ośrodka w kierunku skoordynowanego ruchu powierzchni cylindra i ośrodka. Na ryc. Rysunek 10 pokazuje, że siła Lorentza działa w kierunku przeciwnej superpozycji wektorów. Dlaczego?

Faktem jest, że wektory na ryc. 10 pokazano umownie, zgodnie z przyjętymi oznaczeniami wektorów prądu elektrycznego (przepływu cząstek naładowanych dodatnio) i pola magnetycznego. Kierunek ruchu rzeczywistych przepływów elektronów i cząstek eteru (wektorów pola magnetycznego) różni się od konwencjonalnych oznaczeń. Zasadniczo efekt jest tworzony podobnie do efektu Magnusa, ze względu na gradient ciśnienia ośrodka ze względu na różne prędkości względne, ale systemy elektromagnetyczne wykorzystują ośrodek eteryczny, a nie powietrze czy wodę.

Należy zauważyć, że elektron lub inna naładowana cząstka, która podczas ruchu wytwarza pole magnetyczne, jest obiektem wirującym. Bardziej trafne byłoby rozpatrywanie jej ruchu liniowego jako linii helikalnej, prawej lub lewej spirali, w zależności od znaku ładunku elektrycznego danej cząstki materii.

Wiele napisano o budowie elektronu, ale chciałbym polecić czytelnikowi pracę ojca i syna Polyakova. Autorzy ci zbadali w swojej książce „Experimental Gravitonics” strukturę elektronu i wykazali, że można go przedstawić jako zamknięty w sobie foton o polaryzacji kołowej, czyli jako dynamiczny proces ruchu fali elektromagnetycznej o polaryzacji kołowej w zamknięta przestrzeń toroidalna. Później omówimy to zagadnienie bardziej szczegółowo. Tutaj tylko pokrótce zauważymy, że przy tym rozważaniu pojawienie się pola magnetycznego, gdy naładowana cząstka porusza się w eterze, ma wyraźną analogię z zaburzeniem środowiska fizycznego, które ma miejsce, gdy obracający się cylinder lub kula porusza się w danym środowisku.

Można powiedzieć, że oddziaływanie zewnętrznego pola magnetycznego, po którym porusza się elektrycznie naładowana cząstka, z jej własnym polem magnetycznym powoduje ugięcie cząstki w taki sam sposób, w jaki przepływ powietrza odchyla wirującą kulę, a mianowicie: w wyniku wytworzenia gradientu ciśnienia ośrodka na poruszającą się w nim cząstkę materii.

W tym przypadku siły Lorentza i siły Ampera są siłami zewnętrznymi w stosunku do przewodników przewodzących prąd, na które działają, to znaczy mogą zapewnić ich ruch w przestrzeni.

Te interesujące analogie między aerodynamiką i eterodynamiką dostarczają wielu konstruktywnych pomysłów.