Ett turbosegel är en marin framdrivningsanordning av rotortyp som skapar dragkraft från vindenergi tack vare ett fysiskt fenomen som kallas Magnus-effekten.

Ett turbosegel fungerar baserat på en fysisk process som uppstår när en vätska eller gas strömmar runt en roterande cylindrisk eller rund kropp, känd som Magnus-effekten. Fenomenet fick sitt namn från namnet på den preussiske vetenskapsmannen Heinrich Magnus, som beskrev det 1853.

Låt oss föreställa oss en kula eller cylinder som roterar i ett flöde av gas eller vätska som tvättar dem. I detta fall måste den cylindriska kroppen rotera längs sin längdaxel. Under denna process uppstår en kraft vars vektor är vinkelrät mot flödesriktningen. Varför händer det här? På den sida av kroppen där rotationsriktningen och flödesvektorn sammanfaller ökar luftens eller flytande mediets hastighet, och trycket minskar i enlighet med Bernoullis lag. På motsatt sida av kroppen, där rotations- och flödesvektorerna är flerriktade, minskar mediets hastighet, som om den saktats ner, och trycket ökar. Tryckskillnaden som uppstår på motsatta sidor av en roterande kropp genererar tvärkraft. Inom aerodynamik är det känt som den lyftkraft som håller tyngre än luftfarkoster i flygning. I fallet med rotorsegel är detta en kraft med en vektor vinkelrät mot vindriktningen som verkar på ett rotorsegel som är monterat vertikalt på däcket och som roterar längs längdaxeln.

Flettner roterande segel

Det beskrivna fysiska fenomenet användes av den tyske ingenjören Anton Flettner när han skapade en ny typ av marinmotor. Dess rotorsegel såg ut som roterande cylindriska vindkraftstorn. 1922 fick uppfinnaren patent på sin anordning, och 1924 lämnade historiens första roterande fartyg, den ombyggda skonaren Bukau, bestånden.
Bukau turboseglen drevs av elmotorer. På den sida där rotorytan roterade mot vinden, i enlighet med Magnus-effekten, skapades ett område med ökat tryck, och på motsatt sida - ett minskat. Som ett resultat uppstod en dragkraft, som flyttade fartyget, med förbehåll för närvaron av en sidovind. Flettner placerade plana plattor ovanpå rotorcylindrarna för bättre orientering av luftflödet runt cylindern. Detta gjorde det möjligt att fördubbla drivkraften. En spinnande ihålig metallcylinderrotor som använder Magnus-effekten för att skapa sidokraft fick senare sitt namn efter sin skapare.

Vid testning presterade Flettners turbosegel utmärkt. Till skillnad från en konventionell segelbåt förbättrade en stark sidovind bara experimentfartygets prestanda. Två cylindriska rotorer gjorde det möjligt att bättre balansera fartyget. Samtidigt, genom att ändra rotorernas rotationsriktning, var det möjligt att ändra fartygets rörelse framåt eller bakåt. Naturligtvis var den mest fördelaktiga vindriktningen för att skapa dragkraft strikt vinkelrät mot fartygets längdaxel.

Turbosegel från Cousteau

Segelbåtar byggdes på 1900-talet och byggs på 2000-talet. Moderna segel är gjorda av lättare och starkare syntetmaterial och segelriggen fälls snabbt ihop av elmotorer, vilket befriar människor från fysiskt arbete.

Men idén om ett i grunden nytt system, som använder vindenergi för att skapa fartygets dragkraft, låg i luften. Den plockades upp av den franske upptäcktsresanden och uppfinnaren Jacques-Yves Cousteau. Som oceanograf var han mycket imponerad av användningen av vind som dragkraft – en gratis, förnybar och absolut miljövänlig energikälla. I början av 1980-talet började han arbeta med att skapa sådana framdrivare för moderna fartyg. Han tog Flettners turbosegel som grund, men moderniserade systemet avsevärt, vilket gjorde det mer komplext, men ökade samtidigt dess effektivitet.

Vad är skillnaden mellan ett Cousteau turbosegel och ett Flettner framdrivningssystem? Cousteaus design är ett vertikalt monterat ihåligt metallrör som har en aerodynamisk profil och fungerar på samma princip som en flygplansvinge. I tvärsnitt har röret en droppformad eller äggformad form. På dess sidor finns luftintagsgaller genom vilka luft pumpas genom ett system av pumpar. Och då spelar Magnuseffekten in. Luftturbulens skapar en tryckskillnad i och utanför seglet. Ett vakuum skapas på ena sidan av röret och en tätning skapas på den andra. Som ett resultat uppstår en sidokraft som gör att fartyget rör sig. I huvudsak är ett turbosegel en vertikalt monterad aerodynamisk vinge: på ena sidan strömmar luften långsammare än på den andra, vilket skapar en tryckskillnad och sidokraft. En liknande princip används för att skapa lyft på ett flygplan. Turboseglet är utrustat med automatiska sensorer och är monterat på en roterande plattform, som styrs av en dator. Den smarta maskinen positionerar rotorn med hänsyn till vinden och ställer in lufttrycket i systemet.

Cousteau testade först en prototyp av sitt turbosegel 1981 på katamaranen Moulin à Vent när han seglade över Atlanten. Under resan åtföljdes katamaranen av ett större expeditionsfartyg för säkerhets skull. Det experimentella turboseglet gav dragkraft, men mindre än traditionella segel och motorer. Dessutom, i slutet av resan, på grund av metalltrötthet, brast svetssömmarna under vindens tryck och strukturen föll i vattnet. Men själva idén bekräftades och Cousteau och hans kollegor fokuserade på att utveckla ett större roterande fartyg, Halsion. Den lanserades 1985. Turboseglen på den är ett tillägg till aggregatet av två dieselmotorer och flera propellrar och gör det möjligt att spara bränsleförbrukningen med en tredjedel. Även 20 år efter dess skapares död är Alsion fortfarande på resande fot och är fortfarande flaggskeppet för Cousteau-flottiljen.

Turbosegel kontra canvas vingar

Även i jämförelse med de bästa moderna seglen ger en turbosegel-rotor 4 gånger dragkraftskoefficienten. Till skillnad från en segelbåt är en stark sidovind inte bara inte farlig för ett roterande fartyg, utan är mest fördelaktigt för dess framfart. Det rör sig bra även med motvind i en vinkel på 250. Samtidigt "älskar" ett fartyg med traditionella segel en medvind mest av allt.

Slutsatser och framtidsutsikter

Nu är exakta analoger av Flettners segel installerade som hjälpframdrivare på det tyska lastfartyget E-Ship-1. Och deras förbättrade modell används på yachten Alsion, som ägs av Jacques-Yves Cousteau Foundation.
Det finns alltså idag två typer av framdrivningssystem för Turbosail-systemet. Ett konventionellt rotorsegel, uppfann av Flettner i början av 1900-talet, och dess moderniserade version av Jacques-Yves Cousteau. I den första modellen uppstår nettokraften från utsidan av de roterande cylindrarna; i den andra, mer komplexa versionen skapar elektriska pumpar en skillnad i lufttryck inuti ett ihåligt rör.

Det första turboseglet kan endast driva fartyget i sidvind. Det är av denna anledning som Flettners turbosegel inte har blivit utbredd i den globala varvsindustrin. Designfunktion Turbosegel från Cousteau låter dig få drivkraft oavsett vindriktning. Ett fartyg utrustat med sådana framdrivare kan till och med segla mot vinden, vilket är en obestridlig fördel jämfört med både konventionella segel och rotorsegel. Men trots dessa fördelar sattes inte heller Cousteau-systemet i produktion.

Därmed inte sagt att det i dagarna inte görs försök att förverkliga Flettners idé. Det finns ett antal amatörprojekt. 2010 byggdes det tredje fartyget i historien, efter Bukau och Alsion, med rotorsegel - en 130 meter lång lastbil av tysk Ro-Lo-klass. Fartygets framdrivningssystem består av två par roterande rotorer och ett par dieselmotorer vid lugn och för att skapa ytterligare dragkraft. Rotorsegel spelar rollen som hjälpmotorer: för ett fartyg med en deplacement på 10,5 tusen ton räcker inte fyra vindkraftstorn på däck. Dessa enheter kan dock spara upp till 40 % bränsle på varje flygning.
Men Cousteau-systemet förpassades orättvist till glömska, även om projektets ekonomiska genomförbarhet bevisades. Idag är Alsion det enda fullfjädrade fartyget med denna typ av framdrivning. Det verkar oklart varför systemet inte används för kommersiella ändamål, i synnerhet på lastfartyg, eftersom det gör det möjligt att spara upp till 30 % av dieselbränslet, dvs. pengar.

P. MANTASHYAN.

Vi fortsätter att publicera tidskriftsversionen av P. N. Mantashyans artikel "Vortices: from the Molecule to the Galaxy" (se "Science and Life No."). Vi kommer att prata om tornados och tornados - naturliga formationer med enorm destruktiv kraft, mekanismen för deras förekomst är fortfarande inte helt klar.

Vetenskap och liv // Illustrationer

Vetenskap och liv // Illustrationer

En teckning från en bok av den amerikanske fysikern Benjamin Franklin, som förklarar mekanismen för tornados.

Spirit-rovern upptäckte att tornados uppstår i Mars tunna atmosfär och fotograferade dem. Foto från NASAs hemsida.

Jättetromber och tromber som uppstår på slätterna i södra USA och Kina är ett formidabelt och mycket farligt fenomen.

Vetenskap och liv // Illustrationer

En tromb kan nå en kilometer i höjd och vilar sin spets på ett åskmoln.

En tromb till havs lyfter och drar in tiotals ton vatten tillsammans med marint liv och kan krossa och sänka ett litet fartyg. Under segelfartygens era försökte de förstöra en tromb genom att skjuta på den från kanoner.

Bilden visar tydligt att tromben roterar och vrider luft, damm och regnvatten till en spiral.

Staden Kansas City, förvandlades till ruiner av en kraftfull tromb.

Krafter som verkar på en tyfon i passadvinden.

Amperes lag.

Coriolis tvingar på en skivspelare.

Magnus effekt på bordet och i luften.

Vortex luftrörelse observeras inte bara i tyfoner. Det finns virvlar större än en tyfon - dessa är cykloner och anticykloner, de största luftvirvlarna på planeten. Deras storlekar överstiger avsevärt storleken på tyfoner och kan nå mer än tusen kilometer i diameter. På sätt och vis är dessa antipodiska virvlar: de har nästan allt tvärtom. Cykloner på norra och södra halvklotet roterar i samma riktning som tyfonerna på dessa halvklot, och anticykloner roterar i motsatt riktning. En cyklon för med sig dåligt väder åtföljt av nederbörd, medan en anticyklon tvärtom ger klart, soligt väder. Formationsschemat för en cyklon är ganska enkelt - allt börjar med växelverkan mellan kalla och varma atmosfäriska fronter. I det här fallet tränger en del av den varma atmosfäriska fronten in i den kalla i form av en slags atmosfärisk "tunga", som ett resultat av vilken varm luft, lättare, börjar stiga, och samtidigt uppstår två processer. För det första börjar vattenångamolekyler, under påverkan av jordens magnetfält, att rotera och involvera all stigande luft i rotationsrörelsen och bildar en gigantisk luftvirvel (se "Vetenskap och liv" nr.). För det andra kyls den varma luften ovanför, och vattenångan i den kondenseras till moln, som faller som nederbörd i form av regn, hagel eller snö. En sådan cyklon kan förstöra vädret under en period av flera dagar till två till tre veckor. Dess "livsaktivitet" stöds av ankomsten av nya delar av fuktig varm luft och dess interaktion med kallluftsfronten.

Anticykloner är förknippade med nedstigningen av luftmassor, som samtidigt värms upp adiabatiskt, det vill säga utan värmeväxling med omgivningen, sjunker deras relativa fuktighet, vilket leder till avdunstning av befintliga moln. Samtidigt, på grund av växelverkan mellan vattenmolekyler och jordens magnetfält, sker anticyklonisk rotation av luften: på norra halvklotet - medurs, på södra - moturs. Anticykloner för med sig stabilt väder under en period från flera dagar till två till tre veckor.

Uppenbarligen är bildningsmekanismerna för cykloner, anticykloner och tyfoner identiska, och den specifika energiintensiteten (energi per massenhet) för tyfoner är mycket större än för cykloner och anticykloner, bara på grund av mer hög temperatur luftmassor som värms upp av solstrålning.

TOrnados

Av alla virvlar som bildas i naturen är de mest mystiska tornados faktiskt, de är en del av ett åskmoln. Till en början, i det första skedet av en tornado, är rotation endast synlig i den nedre delen av åskmolnet. Sedan hänger en del av detta moln ner i form av en gigantisk tratt, som blir allt längre och slutligen når jordens eller vattnets yta. En gigantisk stam dyker upp, hängande från ett moln, som består av en inre hålighet och väggar. Höjden på en tromb sträcker sig från hundratals meter till en kilometer och är vanligtvis lika med avståndet från molnets botten till jordens yta. En karakteristisk egenskap hos den inre kaviteten är det reducerade trycket av luften i den. Denna egenskap hos en tornado leder till att trombens hålighet fungerar som en slags pump, som kan dra in en enorm mängd vatten från havet eller sjön, tillsammans med djur och växter, transportera dem över avsevärda avstånd och kasta dem ner tillsammans med regnet. En tornado kan bära ganska stora laster - bilar, vagnar, små fartyg, små byggnader och ibland även med människor i dem. En tornado har gigantisk destruktiv kraft. När det kommer i kontakt med byggnader, broar, kraftledningar och annan infrastruktur orsakar det enorm förstörelse.

Tornado har en maximal specifik energiintensitet, som är proportionell mot kvadraten på hastigheten på virvelluftflödena. Enligt meteorologisk klassificering, när vindhastigheten i en sluten virvel inte överstiger 17 m/s, kallas det en tropisk depression, men om vindhastigheten inte överstiger 33 m/s är det en tropisk storm, och om vindhastigheten inte överstiger 33 m/s vindhastigheten är 34 m/s och över, då är detta redan en tyfon. I kraftiga tyfoner kan vindhastigheterna överstiga 60 m/s. I en tornado kan lufthastigheten enligt olika författare nå från 100 till 200 m/s (vissa författare pekar på överljudslufthastighet i en tornado - över 340 m/s). Direkta mätningar av luftflödenas hastighet i tornados är praktiskt taget omöjliga på nuvarande nivå av teknisk utveckling. Alla enheter som är utformade för att registrera parametrarna för en tornado bryts skoningslöst av dem vid den första kontakten. Flödeshastigheten i tornados bedöms av indirekta tecken, främst av förstörelsen de producerar eller av vikten av de laster de bär. Förutom, utmärkande drag klassisk tornado - närvaron av ett utvecklat åskmoln, ett slags elektriskt batteri som ökar tornadons specifika energiintensitet. För att förstå mekanismen för uppkomsten och utvecklingen av en tornado, låt oss först överväga strukturen hos ett åskmoln.

STORM MOLN

I ett typiskt åskmoln är toppen positivt laddad och basen negativt laddad. Det vill säga en gigantisk elektrisk kondensator som är många kilometer stor svävar i luften, uppburen av stigande strömmar. Närvaron av en sådan kondensator leder till det faktum att på jordens eller vattnets yta över vilken molnet ligger, uppträder dess elektriska spår - en inducerad elektrisk laddning som har ett tecken som är motsatt tecknet för laddningen av basen molnet, det vill säga jordens yta kommer att vara positivt laddad.

Förresten, experimentet med att skapa en inducerad elektrisk laddning kan utföras hemma. Lägg små pappersbitar på bordets yta, kamma torrt hår med en plastkam och för kammen närmare de stänkta pappersbitarna. Alla, tittar upp från bordet, kommer att rusa till kammen och hålla sig till den. Resultatet av detta enkla experiment kan förklaras mycket enkelt. Kammen fick en elektrisk laddning till följd av friktion med håret, och på papperslappen framkallar den en laddning av motsatt tecken, vilket drar pappersbitarna till kammen i full överensstämmelse med Coulombs lag.

Nära basen av ett utvecklat åskmoln finns ett kraftfullt uppåtriktat flöde av luft mättad med fukt. Förutom dipolvattenmolekyler, som börjar rotera i jordens magnetfält, överför momentum till neutrala luftmolekyler, drar dem till rotation, finns det positiva joner och fria elektroner i det uppåtgående flödet. De kan bildas som ett resultat av solstrålningens inverkan på molekyler, den naturliga radioaktiva bakgrunden i området och, i fallet med ett åskmoln, på grund av energin från det elektriska fältet mellan åskmolnets bas och marken ( kom ihåg den inducerade elektriska laddningen!). Förresten, på grund av den inducerade positiva laddningen på jordens yta, överstiger antalet positiva joner i flödet av stigande luft betydligt antalet negativa joner. Alla dessa laddade partiklar, under påverkan av det stigande luftflödet, rusar till basen av åskmolnet. Dock är de vertikala hastigheterna för positiva och negativa partiklar i ett elektriskt fält olika. Fältstyrkan kan uppskattas av potentialskillnaden mellan molnets bas och jordens yta - enligt forskarnas mätningar är det flera tiotals miljoner volt, som med en höjd av åskmolnets bas på en till två kilometer, ger en elektrisk fältstyrka på tiotusentals volt per meter. Detta fält kommer att accelerera positiva joner och fördröja negativa joner och elektroner. Därför kommer fler positiva laddningar per tidsenhet att passera genom tvärsnittet av det uppåtgående flödet än negativa. Med andra ord kommer en elektrisk ström att uppstå mellan jordytan och molnets bas, även om det vore mer korrekt att tala om ett stort antal elementära strömmar som förbinder jordytan med molnets bas. Alla dessa strömmar är parallella och flyter i samma riktning.

Det är tydligt att de, enligt Amperes lag, kommer att interagera med varandra, nämligen attrahera. Från fysikens gång är det känt att kraften för ömsesidig attraktion per längdenhet av två ledare med elektriska strömmar som flyter i samma riktning är direkt proportionell mot produkten av krafterna från dessa strömmar och omvänt proportionell mot avståndet mellan ledarna.

Attraktionen mellan två elektriska ledare beror på Lorentz-krafter. Elektronerna som rör sig inuti varje ledare påverkas av magnetfältet som skapas av den elektriska strömmen i den intilliggande ledaren. De påverkas av Lorentz-kraften, riktad längs en rät linje som förbinder ledarnas centrum. Men för att kraften av ömsesidig attraktion ska uppstå är närvaron av ledare helt onödig - själva strömmarna är tillräckliga. Till exempel repellerar två vilande partiklar som har samma elektriska laddning varandra enligt Coulombs lag, men samma partiklar som rör sig i samma riktning attraheras tills attraktionskrafterna och repulsionen balanserar varandra. Det är lätt att se att avståndet mellan partiklarna i jämviktsläget bara beror på deras hastighet.

På grund av den ömsesidiga attraktionen av elektriska strömmar rusar laddade partiklar till mitten av åskmolnet, interagerar med elektriskt neutrala molekyler längs vägen och flyttar dem även till åskmolnets centrum. Tvärsnittsarean för det stigande flödet kommer att minska med flera gånger, och eftersom flödet roterar, enligt lagen om bevarande av vinkelmoment, kommer dess vinkelhastighet att öka. Samma sak kommer att hända med det uppåtgående flödet som för en konståkare som snurrar på isen med armarna utsträckta och pressar dem mot kroppen, vilket gör att hennes rotationshastighet ökar kraftigt (ett läroboksexempel från fysikläroböcker som vi kan se på TV!). En sådan kraftig ökning av luftrotationshastigheten i en tornado med en samtidig minskning av dess diameter kommer att leda till en motsvarande ökning av den linjära vindhastigheten, som, som nämnts ovan, till och med kan överstiga ljudhastigheten.

Det är närvaron av ett åskmoln, vars elektriska fält separerar laddade partiklar med tecken, som leder till att luftflödenas hastigheter i en tornado överstiger luftflödenas hastigheter i en tyfon. Bildligt talat fungerar ett åskmoln som en slags "elektrisk lins", i vars fokus energin från ett uppåtriktat flöde av fuktig luft koncentreras, vilket leder till bildandet av en tornado.

SMÅ VIRKEL

Det finns också virvlar, vars bildningsmekanism inte på något sätt är kopplad till rotationen av en dipolvattenmolekyl i ett magnetfält. De vanligaste bland dem är dammdjävlar. De bildas i öken, stäpp och bergsområden. I storlek är de sämre än klassiska tornados, deras höjd är cirka 100-150 meter, och deras diameter är flera meter. För bildandet av dammjäklar är en nödvändig förutsättning en öken, väluppvärmd slätt. När den väl har bildats existerar en sådan virvel under ganska kort tid, 10-20 minuter, hela denna tid rör sig under påverkan av vinden. Trots det faktum att ökenluften praktiskt taget inte innehåller någon fukt, säkerställs dess rotationsrörelse genom interaktionen av elementära laddningar med jordens magnetfält. Över en slätt, starkt uppvärmd av solen, uppstår ett kraftigt uppåtgående luftflöde, vars en del av molekylerna, under inverkan av solstrålningen och särskilt dess ultravioletta del, joniseras. Solstrålningsfotoner slår ut elektroner från luftatomernas yttre elektronskal och bildar par av positiva joner och fria elektroner. På grund av det faktum att elektroner och positiva joner har signifikant olika massor med lika laddningar, är deras bidrag till skapandet av rörelsemängd hos virveln annorlunda och rotationsriktningen för dammvirveln bestäms av de positiva jonernas rotationsriktning . En sådan roterande kolonn av torr luft, när den rör sig, lyfter damm, sand och små stenar från öknen, som i sig inte spelar någon roll i mekanismen för att bilda dammvirvel, utan fungerar som en slags indikator på luftrotation.

Luftvirvlar, ett ganska sällsynt naturfenomen, beskrivs också i litteraturen. De dyker upp under varma tider på dygnet på stranden av floder eller sjöar. Livslängden för sådana virvlar är kort de dyker upp oväntat och försvinner lika plötsligt. Tydligen bidrar både vattenmolekyler och joner som bildas i varm och fuktig luft på grund av solstrålning till deras skapelse.

Mycket farligare är vattenvirvlar, vars bildningsmekanism är liknande. Beskrivningen har bevarats: ”I juli 1949 i delstaten Washington, en varm solig dag under en molnfri himmel, dök en hög kolonn av vattenstänk upp på sjöns yta. Den fanns bara i några minuter, men hade betydande lyftkraft. När han närmade sig flodstranden lyfte han en ganska tung motorbåt, cirka fyra meter lång, bar den flera tiotals meter och slog i marken och bröt den i bitar. Vattenvirvlar är vanligast där vattenytan värms upp kraftigt av solen - i tropiska och subtropiska zoner."

Virvlande luftflöden kan uppstå vid stora bränder. Sådana fall beskrivs i litteraturen vi presenterar ett av dem. "År 1840 röjdes skogar för åkrar i USA. En enorm mängd buskved, grenar och träd dumpades i en stor glänta. De sattes i brand. Efter en tid drogs lågorna från enskilda bränder samman och bildade en eldpelare, bred i botten, pekade på toppen, 50 - 60 meter hög. Ännu högre gav elden vika för rök som gick högt upp i skyn. Eld- och rökvirvelvinden roterade med otrolig hastighet. Den majestätiska och skrämmande synen åtföljdes av ett högt ljud, som påminde om åska. Virvelvindens kraft var så stor att den lyfte upp stora träd i luften och kastade dem åt sidan.”

Låt oss överväga processen för bildandet av en brandtornado. När ved brinner frigörs värme, som delvis omvandlas till kinetisk energi från det stigande flödet av uppvärmd luft. Men under förbränning sker en annan process - jonisering av luft och förbränningsprodukter.

bränsle. Och även om uppvärmda luft- och bränsleförbränningsprodukter i allmänhet är elektriskt neutrala, bildas positivt laddade joner och fria elektroner i lågan. Rörelsen av joniserad luft i jordens magnetfält kommer oundvikligen att leda till bildandet av en brandtornado.

Jag skulle vilja notera att virvelluftrörelser inte bara sker under stora bränder. I sin bok "Tornadoes" ställer D.V. Nalivkin frågorna: "Vi har redan pratat mer än en gång om mysterierna förknippade med smådimensionella virvlar, försökt förstå varför alla virvlar roterar? Andra frågor dyker också upp. Varför, när halm brinner, stiger den uppvärmda luften inte i en rak linje, utan i en spiral och börjar virvla. Varm luft beter sig på samma sätt i öknen. Varför går det inte bara upp utan damm? Samma sak händer med vattenspray och stänk när varm luft forsar över vattenytan."

Det finns virvlar som uppstår under vulkanutbrott till exempel, de observerades över Vesuvius. I litteraturen kallas de för askvirvlar - askmoln som bryter ut av en vulkan deltar i virvelrörelsen. Mekanismen för bildandet av sådana virvlar liknar i allmänna termer mekanismen för bildandet av brandtornador.

Låt oss nu se vilka krafter som verkar på tyfoner i vår jords turbulenta atmosfär.

CORIOLIS KRAFT

En kropp som rör sig i en roterande referensram, till exempel på ytan av en roterande skiva eller kula, utsätts för en tröghetskraft som kallas Corioliskraften. Denna kraft bestäms av vektorprodukten (numreringen av formler börjar i den första delen av artikeln)

F K =2M[ VΩ], (20)

Var M- kroppsmassa; V är kroppshastighetsvektorn; Ω - vektor för vinkelhastighet för rotation av referenssystemet, i fallet klot- vinkelhastigheten för jordens rotation, och [VΩ] - deras vektorprodukt, som i skalär form ser ut så här:

Fl = 2M | V | | Ω | sin α, där α är vinkeln mellan vektorerna.

Hastigheten hos en kropp som rör sig på jordklotet kan delas upp i två komponenter. En av dem ligger i ett plan som tangerar bollen vid den punkt där kroppen är belägen, med andra ord, den horisontella komponenten av hastigheten: den andra, vertikala komponenten är vinkelrät mot detta plan. Corioliskraften som verkar på en kropp är proportionell mot sinus för den geografiska latituden för dess plats. En kropp som rör sig längs en meridian i valfri riktning på norra halvklotet är föremål för Corioliskraften riktad åt höger i sin rörelse. Det är denna kraft som gör att flodernas högra stränder på norra halvklotet sköljer bort, oavsett om de rinner norrut eller söderut. På södra halvklotet riktas samma kraft åt vänster i rörelse och floder som flyter i meridionalriktningen tvättar bort de vänstra stränderna. I geografi kallas detta fenomen för Beers lag. När flodbädden inte sammanfaller med meridionalriktningen kommer Corioliskraften att vara mindre med cosinus för vinkeln mellan flodflödets riktning och meridianen.

Nästan alla studier som ägnas åt bildandet av tyfoner, tornados, cykloner och alla typer av virvlar, såväl som deras fortsatta rörelse, indikerar att det är Coriolis-kraften som fungerar som grundorsaken till deras förekomst och att den sätter banan för deras uppkomst. rörelse längs jordens yta. Men om Coriolis-styrkan var involverad i skapandet av tornados, tyfoner och cykloner, skulle de på norra halvklotet ha en högerrotation, medurs, och på södra halvklotet, en vänsterrotation, det vill säga moturs. Men tyfoner, tornados och cykloner på norra halvklotet roterar till vänster, moturs och på södra halvklotet - till höger, medurs. Detta överensstämmer absolut inte med Corioliskraftens inflytanderiktning, dessutom är det rakt motsatt den. Som redan nämnts är storleken på Corioliskraften proportionell mot sinus för geografisk latitud och är därför maximal vid polerna och frånvarande vid ekvatorn. Följaktligen, om det bidrog till skapandet av virvlar av olika skalor, skulle de oftast dyka upp på polära breddgrader, vilket helt motsäger tillgängliga data.

Sålunda bevisar ovanstående analys på ett övertygande sätt att Coriolis-kraften inte har något att göra med processen för bildandet av tyfoner, tornados, cykloner och alla typer av virvlar, vars bildande mekanismer diskuterades i tidigare kapitel.

Man tror att det är Coriolis-kraften som bestämmer deras banor, särskilt eftersom tyfoner på norra halvklotet, som meteorologiska formationer, avviker åt höger under sin rörelse, och på södra halvklotet - till vänster, vilket motsvarar riktningen för verkan av Corioliskraften i dessa hemisfärer. Det verkar som att orsaken till avvikelsen av tyfonbanor har hittats - det här är Coriolis-kraften, men låt oss inte skynda oss att dra slutsatser. Som nämnts ovan, när en tyfon rör sig längs jordens yta, kommer en Coriolis-kraft att verka på den, som ett enda föremål, lika med:

F к = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

där θ är tyfonens geografiska latitud; α är vinkeln mellan hastighetsvektorn för tyfonen som helhet och meridianen.

Att få reda på den verkliga anledningen avvikelser av tyfonbanor, låt oss försöka bestämma storleken på Corioliskraften som verkar på tyfonen och jämföra den med en annan, som vi nu kommer att se, mer verklig kraft.

MAGNUS KRAFT

En tyfon som förs av passadvinden kommer att påverkas av en kraft som, såvitt författaren vet, ännu inte har övervägts av någon forskare i detta sammanhang. Detta är kraften i samverkan mellan tyfonen, som ett enda föremål, med luftflödet som förflyttar denna tyfon. Om du tittar på bilden som visar tyfonernas banor kommer det att bli tydligt att de rör sig från öst till väst under påverkan av ständigt blåsande tropiska vindar, passadvindar, som bildas som ett resultat av jordens rotation. Samtidigt bär passadvinden inte bara tyfonen från öst till väst. Det viktigaste är att en tyfon som ligger i passadvinden påverkas av en kraft som orsakas av växelverkan mellan tyfonens luftströmmar och passadvindens luftflöde.

Effekten av uppkomsten av en tvärkraft som verkar på en kropp som roterar i ett flöde av vätska eller gas som träffar den upptäcktes av den tyske vetenskapsmannen G. Magnus 1852. Det visar sig i det faktum att om en roterande cirkulär cylinder flyter runt ett irroterande (laminärt) flöde vinkelrätt mot dess axel, då i den del av cylindern där den linjära hastigheten på dess yta är motsatt hastigheten för det mötande flödet, område med högt tryck visas. Och på den motsatta sidan, där riktningen för ytans linjära hastighet sammanfaller med hastigheten på det mötande flödet, finns ett område med lågt tryck. Tryckskillnaden på motsatta sidor av cylindern ger upphov till Magnus-kraften.

Uppfinnare har försökt utnyttja Magnus kraft. Ett fartyg designades, patenterades och byggdes, på vilket man istället för segel installerade vertikala cylindrar som roterade av motorer. Effektiviteten hos sådana roterande cylindriska "segel" översteg i vissa fall till och med effektiviteten hos konventionella segel. Magnus-effekten används också av fotbollsspelare som vet att om de, när de slår bollen, ger den en roterande rörelse, kommer dess flygbana att bli kurvlinjär. Med en sådan spark, som kallas "torrt ark", kan du skicka bollen i motståndarens mål nästan från hörnet av fotbollsplanen, som ligger i linje med målet. Volleybollspelare, tennisspelare och pingisspelare snurrar också bollen när de träffas. I alla fall skapar rörelsen av en krökt boll längs en komplex bana många problem för motståndaren.

Men låt oss återvända till tyfonen som rördes av passadvinden.

Passadvindar, stabila luftströmmar (som blåser konstant i mer än tio månader om året) i havens tropiska breddgrader täcker 11 procent av deras yta på norra halvklotet och upp till 20 procent på södra halvklotet. Passadvindarnas huvudriktning är från öst till väst, men på 1-2 kilometers höjd kompletteras de av meridionalvindar som blåser mot ekvatorn. Som ett resultat rör sig passadvindarna sydväst på norra halvklotet och på södra halvklotet

Mot nordväst. Passadvindarna blev kända för européer efter Columbus första expedition (1492-1493), när dess deltagare häpnade över stabiliteten hos starka nordostliga vindar som förde karaveller från Spaniens kust genom Atlantens tropiska regioner.

Tyfonens gigantiska massa kan betraktas som en cylinder som roterar i passadvindens luftflöde. Som redan nämnts, på södra halvklotet roterar de medurs och på norra halvklotet roterar de moturs. Därför, på grund av interaktion med det kraftiga flödet av passadvindar, avviker tyfoner på både norra och södra halvklotet bort från ekvatorn - mot norr respektive söder. Denna karaktär av deras rörelse bekräftas väl av observationer från meteorologer.

(Slutet följer.)

AMPERES LAG

År 1920 upptäckte den franska fysikern Anre Marie Ampere experimentellt ett nytt fenomen - interaktionen mellan två ledare och ström. Det visade sig att två parallella ledare attraherar eller stöter bort beroende på strömriktningen i dem. Ledare tenderar att röra sig närmare varandra om strömmar flyter i samma riktning (parallell), och flytta sig bort från varandra om strömmar flyter i motsatta riktningar (antiparallell). Ampere kunde korrekt förklara detta fenomen: interaktionen mellan magnetiska fält av strömmar inträffar, vilket bestäms av "gimlet-regeln". Om gimlet skruvas in i riktningen för ström I, kommer rörelsen av dess handtag att indikera riktningen för magnetfältslinjerna H.

Två laddade partiklar som flyger parallellt bildar också en elektrisk ström. Därför kommer deras banor att konvergera eller divergera beroende på partikelladdningens tecken och riktningen för deras rörelse.

Samverkan mellan ledarna måste beaktas vid utformning av elektriska spolar med hög ström (solenoider) - parallella strömmar som flyter genom deras varv skapar stora krafter som komprimerar spolen. Det finns kända fall när en blixtstång gjord av ett rör, efter ett blixtnedslag, förvandlades till en cylinder: den komprimerades av magnetfälten i en blixtladdningsström med en kraft på hundratals kiloampere.

Baserat på Amperes lag fastställdes standardenheten för ström i SI - ampere (A) -. Den statliga standarden "Enheter för fysiska kvantiteter" definierar:

”En ampere är lika med den strömstyrka som, när den passerar genom två parallella raka ledare av oändlig längd och försumbar liten tvärsnittsarea, placerade i ett vakuum på ett avstånd av 1 m från varandra, skulle orsaka en samverkanskraft lika med 2 på en sektion av ledaren 1 m lång . 10 -7 N.”

Detaljer för den nyfikna

MAGNUS OCH CORIOLIS KRAFTER

Låt oss jämföra effekten av Magnus- och Corioliskrafterna på tyfonen och föreställa oss den till en första approximation i form av en roterande luftcylinder som flögs av passadvinden. En sådan cylinder påverkas av en Magnus-kraft lika med:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

där D är tyfonens diameter; ρ - passadvinds luftdensitet; H är dess höjd; V n > - lufthastighet i passadvinden; V t - linjär lufthastighet i en tyfon. Genom enkla transformationer får vi

Fm = R 2 HρωV n, - (23)

där R är tyfonens radie; ω är tyfonens vinkelhastighet.

Om vi ​​antar som en första approximation att passadvindens luftdensitet är lika med luftdensiteten i tyfonen, får vi

Mt = R2Hρ, - (24)

där M t är tyfonens massa.

Då kan (19) skrivas som

F m = M t ωV p - (25)

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

Genom att dividera uttrycket för Magnus-kraften med uttrycket (17) för Corioliskraften får vi

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

eller F m /F k = Vt /2RΩ sinθ cosα (28)

Med hänsyn till att, enligt den internationella klassificeringen, en tyfon anses vara en tropisk cyklon där vindhastigheten överstiger 34 m/s, kommer vi att ta denna minsta siffra i våra beräkningar. Eftersom den geografiska latituden som är mest gynnsam för bildandet av tyfoner är 16 o kommer vi att ta θ = 16 o och eftersom tyfoner omedelbart efter deras bildande rör sig nästan längs latitudinella banor tar vi α = 80 o. Låt oss ta en medelstor tyfons radie till 150 kilometer. Genom att ersätta all data i formeln får vi

F m / F k = 205. (29)

Magnusstyrkan är med andra ord tvåhundra gånger större än Coriolisstyrkan! Således är det tydligt att Coriolis-styrkan inte har något att göra inte bara med processen att skapa en tyfon, utan också med att ändra dess bana.

En tyfon i passadvinden kommer att påverkas av två krafter - den tidigare nämnda Magnuskraften och kraften från passadvindens aerodynamiska tryck på tyfonen, vilket kan hittas från en enkel ekvation

F d = KRHρV 2 p, - (30)

där K är tyfonens aerodynamiska motståndskoefficient.

Det är lätt att se att tyfonens rörelse kommer att bero på verkan av den resulterande kraften, som är summan av Magnus-krafterna och det aerodynamiska trycket, som kommer att verka i en vinkel p mot luftrörelsens riktning i handeln vind. Tangensen för denna vinkel kan hittas från ekvationen

tgβ = F m/F d (31)

Ersätter uttryck (26) och (30) med (31), efter enkla transformationer får vi

tgβ = Vt/KV p, (32)

Det är tydligt att den resulterande kraften F p som verkar på tyfonen kommer att tangera dess bana, och om passadvindens riktning och hastighet är kända, kommer det att vara möjligt att beräkna denna kraft med tillräcklig noggrannhet för en specifik tyfon, bestämmer därmed dess vidare bana, vilket kommer att minimera skadorna som orsakas av den. En tyfons bana kan förutsägas med en steg-för-steg-metod, där den sannolika riktningen för den resulterande kraften beräknas vid varje punkt i dess bana.

I vektorform ser uttryck (25) ut så här:

F m = M [ωV p ]. (33)

Det är lätt att se att formeln som beskriver Magnus-kraften är strukturellt identisk med formeln för Lorentz-kraften:

F l = q .

När vi jämför och analyserar dessa formler märker vi att den strukturella likheten mellan formlerna är ganska djup. Således är de vänstra sidorna av båda vektorprodukterna (M& #969; och q V) karakterisera parametrarna för objekt (tyfon och elementarpartikel), och de högra sidorna ( V n och B) - miljö (handelsvindhastighet och magnetfältsinduktion).

Fysisk träning

CORIOLIS TRYCKAR PÅ EN SPELARE

I ett roterande koordinatsystem, till exempel på jordklotet, är Newtons lagar inte uppfyllda - ett sådant koordinatsystem är icke-tröghetsmässigt. En ytterligare tröghetskraft uppträder i den, som beror på kroppens linjära hastighet och systemets vinkelhastighet. Den är vinkelrät mot kroppens bana (och dess hastighet) och kallas Corioliskraften, uppkallad efter den franske mekanikern Gustav Gaspard Coriolis (1792-1843), som förklarade och beräknade denna ytterligare kraft. Kraften är riktad på ett sådant sätt att för att passa in med hastighetsvektorn måste den roteras i rät vinkel i systemets rotationsriktning.

Du kan se hur Coriolis-kraften "fungerar" med hjälp av en elektrisk skivspelare genom att utföra två enkla experiment. För att utföra dem, skär ut en cirkel från tjockt papper eller kartong och placera den på skivan. Det kommer att fungera som ett roterande koordinatsystem. Låt oss göra en anteckning direkt: spelarens skiva roterar medurs och jorden roterar moturs. Därför kommer krafterna i vår modell att riktas i motsatt riktning mot de som observeras på jorden i vårt halvklot.

1. Placera två högar med böcker bredvid spelaren, precis ovanför tallriken. Placera en linjal eller rak stång på böckerna så att en av dess kanter passar skivans diameter. Om du, med skivan stillastående, drar en linje längs stången med en mjuk penna, från dess mitt till kanten, så blir den naturligtvis rak. Om du nu startar spelaren och ritar en penna längs stången, kommer den att rita en krökt bana som går till vänster - helt i överensstämmelse med lagen beräknad av G. Coriolis.

2. Bygg en bild av högar av böcker och tejpa fast ett tjockt pappersspår orienterat längs skivans diameter. Om du rullar en liten boll ner i ett spår på en stationär skiva kommer den att rulla längs diametern. Och på en roterande skiva kommer den att röra sig åt vänster (om, naturligtvis, friktionen när den rullar är liten).

Fysisk träning

MAGNUS EFFEKT PÅ BORDET OCH I LUFTEN

1. Limma ihop en liten cylinder av tjockt papper. Placera en hög med böcker inte långt från bordets kant och anslut den till bordets kant med en planka. När papperscylindern rullar nedför den resulterande bilden kan vi förvänta oss att den kommer att röra sig längs en parabel bort från bordet. Men istället kommer cylindern att kraftigt böja sin bana åt andra hållet och flyga under bordet!

Dess paradoxala beteende är ganska förståeligt om vi minns Bernoullis lag: det inre trycket i ett gas- eller vätskeflöde blir lägre ju högre flödeshastigheten är. Det är på grundval av detta fenomen som till exempel en sprutpistol fungerar: högre atmosfärstryck pressar in vätska i en luftström med reducerat tryck.

Intressant nog följer mänskliga flöden också Bernoullis lag till viss del. I tunnelbanan, vid ingången till rulltrappan, där trafiken är svår, samlas människor i en tät, tätt sammanpressad folkmassa. Och på en snabbrörlig rulltrappa står de fritt - det "inre trycket" i passagerarflödet sjunker.

När cylindern faller och fortsätter att rotera, subtraheras hastigheten på dess högra sida från hastigheten på det mötande luftflödet, och hastigheten på vänster sida läggs till den. Den relativa hastigheten för luftflödet till vänster om cylindern är större och trycket i den är lägre än till höger. Tryckskillnaden gör att cylindern plötsligt ändrar sin bana och flyger under bordet.

Coriolis och Magnus lagar beaktas vid raketuppskjutning, precisionsskjutning över långa avstånd, beräkning av turbiner, gyroskop m.m.

2. Linda papperscylindern med papper eller textiltejp flera varv. Om du nu kraftigt drar i änden av tejpen kommer den att snurra cylindern och samtidigt ge den framåt. Som ett resultat, under påverkan av Magnus krafter, kommer cylindern att flyga och beskriva slingor i luften.

Konstiga förändringar i bollens bana verkar vara ett mirakel för en vanlig människa. Men för professionella fotbollsspelare, basketspelare och biljardspelare är sådana trick en indikator på skicklighet. Och det är här vi minns fysikens lagar, som kastar upp sådana gåvor som Magnus-effekten. Från början uppmärksammats inom aerodynamiken, idag har denna lag om att ändra banan för ett sfäriskt föremål funnit en mycket bred tillämpning. Ganska nyligen dök en video upp på Internet som tydligt demonstrerade detta fysiska fenomen med exemplet med en basketboll. Videon fick mer än 9 miljoner visningar på två dagar och väckte intresset för Magnus-effekten och dess otroliga tillämpningar.

Bakgrund

Allt började med att de preussiska skyttarna inte kunde förstå varför kanonkulorna från deras kanoner hela tiden träffade fel ställen. Rotationen av kärnan under flygning med dess tyngdpunkt som inte sammanfaller med den geometriska förvrängde flygbanan. Isaac Newton skrev om den aerodynamiska kraften som påverkar en roterande bolls flygning, och preussiska befälhavare vände sig till den berömda tyske vetenskapsmannen Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) för att klargöra de krökta banorna för bollens flygning, som 1853 gav en vetenskaplig förklaring av detta fenomen.

Forskaren föreslog att problemet inte ligger i föremålets tyngdpunkt, utan i dess rotation. Han genomförde en rad experiment, och även om han inte gjorde några matematiska beräkningar, var han den första som bevisade den aerodynamiska kraften som förändrar flygbanan för en roterande kropp.

Efter Magnus blev Ludwig Prandtl (1875-1953) intresserad av denna kraft, som mätte styrka och snabbhet. Hans viktigaste prestation är etableringen av möjligheten att använda den resulterande kraften på en roterande rötor (cylinder) för att säkerställa translationsrörelse. Men i praktiken genomfördes denna idé av en annan tysk - ingenjör Anton Flettner (1885-1961). Mer om rotorsegeln hos Flettner och Cousteau lite senare.

Förklaringen är inte för fysiker

Med tanke på lagarna i Newtons fasta tillståndsfysik, med enkla ord Processen ser ut så här. Ett virvlande runt föremål tar fart, luften framför föremålet rör sig i dess rotationsriktning och dras längs och mot mitten. På andra sidan av föremålet rör sig luften i motsatt riktning mot rotationsriktningen. Som ett resultat av detta går flödet bort och föremålet tränger undan luft på ena sidan, och luften på andra sidan bildar en svarskraft, men i en annan riktning, vilket ändrar föremålets flygbana. Processdiagrammet visas i figuren ovan detta är den ökända Magnus-effekten.

Flettner vindskepp

Anton Flettner fick ett tyskt patent på ett roterande kärl den 16 september 1922. Och redan i oktober 1926 orsakades en verklig sensation i Kiel Bay av ett ovanligt fartyg med två stora rör ombord och en genombruten mast. Detta var det första Buckaus roterande fartyg som lämnade varvsföretaget Friedrich Krupps slipbanor.

Flettner använde Magnus-effekten och kraften som genererades när den flödade runt roterande cylindrar och riktad vinkelrätt mot flödesriktningen. Från den sida där riktningen för virvelflödet som skapas av den roterande kroppen sammanfaller med luftflödets riktning ökar kraften och rörelsehastigheten kraftigt. Det var just dessa rotorer som senare skulle döpas efter honom som den unge ingenjören Flettner ersatte seglen med.

Rotorerna på detta fartyg drevs av elmotorer. Där rotorn roterade mot vinden skapades ett område med ökat tryck. På motsatt sida - med en minskning. Den resulterande kraften flyttade skeppet.

Buckau klarade provet med ära. 1925 seglade han från Danzig till Skottland under väderförhållanden när segelfartyg inte vågade gå till sjöss. Resan var framgångsrik och fartygets besättning reducerades till 10 personer, jämfört med 20 på segelfartyget.

Påtvingad glömska

En ljus framtid öppnade sig för Flettners rotorer. Framgången för projektet bekräftades av fartyget från Hamburg-företaget "Barbara". Det var ett lastfartyg, vars rörelse tillhandahölls av tre 17-meters rotorer, som satte en hastighet på 13 knop i en vind på 4-6 krafter.

Trots projektets uppenbara framgång var det glömt länge. Och det finns flera anledningar till detta. Flettner tappade själv intresset för sjöfart och blev intresserad av flyg under den stora depressionen på 1920-talet.

Reanimering av fartyg med rotorinstallationer

En fortsättning på Flettners roterande fartyg är Jacques-Yves Cousteaus turbosegel. Berömd upptäcktsresande och en kämpe för miljövänliga transportmedel sjösatte i april 1885 Alcyone-skeppet, utrustat med patenterade turbosegel, i vilket Magnus-effekten användes. Detta fartyg är fortfarande på väg idag.

Tyvärr var Cousteaus anhängare inte särskilt intresserade av roterande installationer på fartyg, och intresset för dem bleknade igen. De kom ihåg när oljekrisen började, och 2010 sjösattes ett tredje fartyg med roterande installationer. Detta är Enercons tunga 130m E-Ship 1 med fyra Flettner-rotorer. Idag transporterar den vindkraftverk från Tyskland till europeiska länder, tål upp till 9 ton last och når en hastighet på 17 knop. Besättningen är bara 15 personer.

Fartygsföretagen Wind Again (Singapore), Wartsila (Finland) och några andra blev intresserade av roterande installationer. Det ser ut som oljebrist och ett alarmerande värmande klimat kommer att spela en roll för att vindkraften ska återgå till moderna fartyg.

Tillämpning inom flygindustrin

Användningen av Magnus-effekten inom flyget implementerades i olika designlösningar. De enklaste formerna använde skaftformade vingar som roterade under flygningen. Bland grundarna av denna riktning var den österrikiske uppfinnaren Karl Gligorin, som föreslog att installera en kåpa på rotorn som följer vingens form. I Amsterdam arbetade E.B med liknande projekt. Wolf, amerikanerna John D. Gerst och K. Popper testade till och med sina flygplan med axelformade vingar 1932.

North American-Rockwell YOU-10A Bronco, konverterad till roterande axlar 1964, visade sig vara funktionell. Det var ett projekt av en professor från Peru, Alberto Alvarez-Calderon. Prototypen hade dock fler nackdelar än fördelar.

Trots ansträngningar slog Magnuseffekten inte rot inom flyget. Den praktiska användningen av vingar av rotortyp är förknippad med ett antal problem och är ännu inte ekonomiskt motiverad.

Magnus effekt och vindkraftverk

Utvecklingen av industrin för alternativa energikällor är särskilt viktig i vår tid. Och i den här branschen har Magnus-effekten använts. Bladvindsgeneratorer ersätts av rotorenheter, som är mest effektiva vid frekventa och låga vindhastigheter på 2-6 m/s. De är baserade på en axel runt vilken cylindrarna roterar. Den första sådana installationen, tillverkad av Aerolla, dök upp nära Minsk (Vitryssland) 2015. Dess effekt var 100 kW, diametern på turbinrotorn var 36 meter. Fungerar med en designvindhastighet på 9,5 m/s.

Arbetet i denna riktning fortsätter vid Novosibirsk Institute of Applied Mechanics SB RAS, och det finns redan prototyper av vindgeneratorer som använder Magnus-effekten med en effekt på upp till 2 MW.

Inte helt vanlig användning

Denna effekt av att ändra bollens bana används flitigt inom sport: topspin-skott och "dry sheet" i fotboll, Hop Up-systemet i airsoft.

Magnus-effekten används flitigt inom flygplansmodelldesign idag. Till exempel designades ett flygplan av kartong, en elmotor och snabbmatsmuggar av papper av PeterSripol-kanalen.

Magnus-effekten används vid tillverkning av drakar. Till exempel en orm i form av en pinwheel designad av D. Edwards eller S. Albertson.

Men för "orkanjägare" kan detta fysiska fenomen bli mycket farligt. Om botten mellan bilen och marken inte är väl tätad kan en orkanvind genom springan skapa en enorm lyftkraft som lätt kan lyfta upp bilen i luften.

Kapitel 3 Magnus effekt och Lorentz kraft

I likhet med Zhukovsky-Chaplygin-vingen uppstår Magnus-kraften på grund av skillnaden i tryck av mediumflödet på ytan av den roterande cylindern. Denna effekt upptäcktes av den tyske vetenskapsmannen H. G. Magnus 1852. I fig. Figur 8 visar ett diagram över additionen av hastighetsvektorerna för mediumflödet och ytan på den roterande cylindern.

Ris. 8. Magnus effekt för en roterande cylinder

I cylinderns övre del (ändvy) sammanfaller rörelseriktningen för mediets flöde och den roterande cylinderns yta, och i den nedre delen av cylindern rör sig dess yta mot mediets flöde. Eftersom flödet i den nedre delen av den roterande cylindern bromsas av att dess yta rör sig mot flödet, minskar flödets dynamiska tryck, och mediets statiska tryck på ytan ökar, i enlighet med Bernoullis lag om det totala flödets tryck. Som ett resultat blir mediets tryck på den övre delen av den roterande cylindern mindre än på den nedre delen av cylindern. En lyftkraft uppstår, som med effekten av en vinge som har en Zhukovsky-Chaplygin-profil.

Magnus-effekten är välkänd för fotbolls- och tennisspelare, som använder den för att skapa en krökt flygbana för en snurrande boll. Med en "kurvträff" flyger bollen rakt men roterar runt sin axel. Under flygning strömmar en luftström mot den, vilket skapar Magnus-effekten, och flygbanan är krökt. Som ett resultat av ett sådant slag flyger bollen längs en kurva och träffar fel plats där den förväntas...

Låt oss anta att vi har konstruerat ett slutet flöde av ett rörligt medium (luft, vatten, etc.), i vilket flera roterande cylindrar är placerade, som visas i fig. 9. Låt oss anta att varje cylinders rotation tillhandahålls av en oberoende elektrisk drivning, med justerbar hastighet och rotationsriktning.

Ris. 9. Framdrivning baserad på Magnuseffekten

Till skillnad från en design med en vinge installerad i ett flöde av ett rörligt medium, har detta schema en viktig fördel: storleken och riktningen för den axiella lyftkraften kan ändras genom att ändra hastigheten och rotationsriktningen för cylindrarna. Hastigheten och riktningen för det cirkulerande flödet kan inte ändras, vilket ger betydande fördelar i detta fordons hastighet och manövrerbarhet. Denna typ av framdrivningsenhet kan installeras vertikalt eller horisontellt, vilket skapar dragkraft.

En intressant analogi med Magnus-effekten uppstår när man betraktar det elektromagnetiska fenomenet känt som Lorentz-kraften: en strömförande ledare i ett magnetfält utsätts för en kraft i den riktning som visas i fig. 10. Tidigare fanns det ingen tydlig förklaring till orsaken till att denna styrka uppträdde. Om vi ​​antar analogier med Magnuseffekten kan vi tolka Lorentzkraften som ett resultat av tryckgradienten hos det eteriska mediet. Detta visades första gången i rapporten 1996.

Ris. 10. Lorentzkraft, som ett resultat av etertryckgradienten

Men i diagrammet i fig. 10 får vi en bild invers mot superpositionen av vektorer, som visades i fig. 8. Magnus-kraften verkar på en cylinder som roterar i ett mediumflöde i riktningen för koordinerad rörelse av cylinderns yta och mediet. I fig. Figur 10 visar att Lorentz-kraften verkar i riktning mot den motsatta superpositionen av vektorer. Varför?

Faktum är att vektorerna i fig. 10 visas på konventionellt sätt, enligt de accepterade beteckningarna för vektorerna för elektrisk ström (flöde av positivt laddade partiklar) och magnetfält. Rörelseriktningen för verkliga flöden av elektroner och eterpartiklar (magnetfältsvektorer) skiljer sig från de konventionella beteckningarna. I grund och botten skapas effekten på samma sätt som Magnus-effekten, på grund av mediets tryckgradient på grund av olika relativa hastigheter, men elektromagnetiska system använder det eteriska mediet, inte luft eller vatten.

Det är viktigt att notera att en elektron eller annan laddad partikel som skapar ett magnetfält när den rör sig är ett roterande föremål. Det skulle vara mer korrekt att betrakta dess linjära rörelse som en spirallinje, en höger eller vänster spiral, beroende på tecknet på den elektriska laddningen hos en given materia.

Det har skrivits mycket om elektronens struktur, men jag skulle vilja rekommendera till läsaren far och son Polyakovs arbete. Dessa författare undersökte i sin bok "Experimental Gravitonics" elektronens struktur och visade att den kan representeras som en foton av cirkulär polarisation stängd om sig själv, det vill säga som en dynamisk process av rörelse av en elektromagnetisk våg av cirkulär polarisation i ett slutet toroidalt utrymme. Senare kommer vi att täcka denna fråga mer i detalj. Här noterar vi bara kortfattat att med detta övervägande har uppkomsten av ett magnetfält när en laddad partikel rör sig i etern en tydlig analogi med störningen av den fysiska miljön som uppstår när en roterande cylinder eller kula rör sig i en given miljö.

Vi kan säga att växelverkan mellan det yttre magnetfältet som en elektriskt laddad partikel rör sig över med sitt eget magnetfält avleder partikeln på samma sätt som ett luftflöde avleder en snurrande boll, nämligen, på grund av skapandet av en tryckgradient av mediet på en partikel av materia som rör sig i det.

I detta fall är Lorentzkrafter och Amperekrafter yttre krafter i förhållande till de strömförande ledarna som de verkar på, det vill säga de kan säkerställa sin rörelse i rymden.

Dessa intressanta analogier mellan aerodynamik och eterdynamik ger många konstruktiva idéer.