Turboyelken, Magnus etkisi olarak bilinen fiziksel bir olay sayesinde rüzgar enerjisinden itme gücü oluşturan, rotor tipi bir deniz tahrik cihazıdır.

Bir turboyelken, Magnus etkisi olarak bilinen, dönen silindirik veya yuvarlak bir gövde etrafında bir sıvı veya gaz aktığında meydana gelen fiziksel bir sürece dayalı olarak çalışır. Bu fenomen adını, onu 1853'te tanımlayan Prusyalı bilim adamı Heinrich Magnus'un adından almıştır.

Onları yıkayan bir gaz veya sıvı akışında dönen bir top veya silindir hayal edelim. Bu durumda silindirik gövdenin uzunlamasına ekseni boyunca dönmesi gerekir. Bu işlem sırasında vektörü akış yönüne dik olan bir kuvvet ortaya çıkar. Bu neden oluyor? Vücudun dönme yönü ile akış vektörünün çakıştığı tarafta havanın veya sıvı ortamın hızı artar ve Bernoulli yasasına göre basınç azalır. Dönme ve akış vektörlerinin çok yönlü olduğu gövdenin karşı tarafında ortamın hızı yavaşlamış gibi azalır ve basınç artar. Dönen bir cismin karşıt taraflarında oluşan basınç farkı, enine kuvvet üretir. Aerodinamikte havadan ağır taşıtları uçuşta tutan kaldırma kuvveti olarak bilinir. Rotor yelkenleri durumunda bu, güverteye dikey olarak monte edilen ve uzunlamasına eksen boyunca dönen bir rotor yelkenine etki eden, rüzgarın yönüne dik bir vektöre sahip bir kuvvettir.

Flettner dönen yelkenler

Tanımlanan fiziksel olay, Alman mühendis Anton Flettner tarafından yeni bir deniz motoru türü oluştururken kullanıldı. Rotor yelkeni, dönen silindirik rüzgar enerjisi kulelerine benziyordu. 1922'de mucit, cihazı için bir patent aldı ve 1924'te tarihteki ilk döner gemi olan dönüştürülmüş gulet Bukau stoklardan ayrıldı.
Bukau turbo yelkenleri elektrik motorlarıyla çalıştırılıyordu. Rotor yüzeyinin rüzgara doğru döndüğü tarafta Magnus etkisine uygun olarak artan basınç alanı, karşı tarafta ise azalan basınç alanı oluşturuldu. Sonuç olarak, yan rüzgarın varlığına bağlı olarak gemiyi hareket ettiren bir itme kuvveti ortaya çıktı. Flettner, silindir etrafındaki hava akışının daha iyi yönlendirilmesi için rotor silindirlerinin üzerine düz plakalar yerleştirdi. Bu, itici gücün iki katına çıkarılmasını mümkün kıldı. Yanal itme kuvveti oluşturmak için Magnus etkisini kullanan dönen içi boş metal silindir rotora daha sonra yaratıcısının adı verildi.

Testlerde Flettner'ın turbo yelkenleri mükemmel performans gösterdi. Geleneksel bir yelkenli teknenin aksine, güçlü bir yan rüzgar yalnızca deney gemisinin performansını artırdı. İki silindirik rotor, geminin daha iyi dengelenmesini mümkün kıldı. Aynı zamanda rotorların dönüş yönünü değiştirerek geminin ileri veya geri hareketini değiştirmek mümkün oldu. Elbette, itme kuvveti oluşturmak için en avantajlı rüzgar yönü, geminin boylamasına eksenine kesinlikle dikti.

Cousteau'dan turbo yelken

Yelkenli tekneler 20. yüzyılda inşa edildi ve 21. yüzyılda hala inşa ediliyor. Modern yelkenler daha hafif ve daha güçlü sentetik malzemelerden yapılıyor ve yelken teçhizatı elektrik motorları tarafından hızla katlanarak insanları fiziksel işten kurtarıyor.

Ancak geminin itiş gücünü oluşturmak için rüzgar enerjisini kullanan temelde yeni bir sistem fikri henüz havadaydı. Fransız kaşif ve mucit Jacques-Yves Cousteau tarafından ele geçirildi. Bir oşinograf olarak, ücretsiz, yenilenebilir ve kesinlikle çevre dostu bir enerji kaynağı olan rüzgarın itici güç olarak kullanılmasından çok etkilendi. 1980'lerin başında modern gemiler için bu tür itici güçler yaratma çalışmalarına başladı. Flettner'ın turbo yelkenlerini temel aldı, ancak sistemi önemli ölçüde modernize ederek daha karmaşık hale getirdi, ancak aynı zamanda verimliliğini de artırdı.

Cousteau turbo yelkeni ile Flettner tahrik sistemi arasındaki fark nedir? Cousteau'nun tasarımı, aerodinamik profile sahip ve uçak kanadıyla aynı prensipte çalışan, dikey olarak monte edilmiş içi boş bir metal borudur. Borunun kesiti damla şeklinde veya yumurta şeklindedir. Yanlarında, havanın bir pompa sistemi aracılığıyla pompalandığı hava giriş ızgaraları vardır. Ve sonra Magnus etkisi devreye giriyor. Hava türbülansı yelkenin içinde ve dışında basınç farkı yaratır. Borunun bir tarafında vakum, diğer tarafında ise sızdırmazlık oluşturulur. Sonuç olarak geminin hareket etmesine neden olan yanal bir kuvvet ortaya çıkar. Esas olarak, bir turbo yelken dikey olarak monte edilmiş bir aerodinamik kanattır: bir tarafta hava diğerine göre daha yavaş akar, bu da bir basınç farkı ve yanal itme yaratır. Benzer bir prensip uçakta kaldırma kuvveti oluşturmak için kullanılır. Turboyelken otomatik sensörlerle donatılmıştır ve bilgisayar tarafından kontrol edilen dönen bir platform üzerine monte edilmiştir. Akıllı makine, rüzgarı dikkate alarak rotoru konumlandırıyor ve sistemdeki hava basıncını ayarlıyor.

Cousteau, turbo yelkeninin bir prototipini ilk kez 1981 yılında Atlantik Okyanusu'nu geçerken Moulin à Vent katamaranında test etti. Yolculuk sırasında katamarana güvenlik açısından daha büyük bir sefer gemisi eşlik etti. Deneysel turbo yelken, geleneksel yelken ve motorlardan daha az itme gücü sağladı. Ayrıca yolculuk sonunda metal yorgunluğu nedeniyle rüzgarın baskısı altında kaynak dikişleri patladı ve yapı suya düştü. Ancak fikir doğrulandı ve Cousteau ile meslektaşları daha büyük bir döner gemi olan Halsion'u geliştirmeye odaklandılar. 1985 yılında denize indirildi. Üzerindeki turbo yelkenler, iki dizel motor ve birkaç pervanenin birleşimine ek olarak yakıt tüketiminde üçte bir oranında tasarruf sağlıyor. Yaratıcısının ölümünden 20 yıl sonra bile Alsion hâlâ hareket halinde ve Cousteau filosunun amiral gemisi olmaya devam ediyor.

Turbosail ve kanvas kanatlar

En iyi modern yelkenlerle karşılaştırıldığında bile turbo yelken rotoru 4 kat daha fazla itme katsayısı sağlar. Bir yelkenli teknenin aksine, güçlü bir yandan rüzgar, dönen bir gemi için sadece tehlikeli olmakla kalmaz, aynı zamanda ilerlemesi için de son derece faydalıdır. 250 derecelik bir açıyla karşıdan esen rüzgarda bile iyi hareket eder. Aynı zamanda, geleneksel yelkenli bir gemi, en çok arkadan esen rüzgarı "sever".

Sonuçlar ve beklentiler

Artık Flettner'ın yelkenlerinin tam analogları, Alman kargo gemisi E-Ship-1'e yardımcı itici güçler olarak kuruluyor. Geliştirilmiş modelleri ise Jacques-Yves Cousteau Vakfı'na ait Alsion yatında kullanılıyor.
Dolayısıyla Turbosail sistemi için şu anda iki tip tahrik sistemi bulunmaktadır. 20. yüzyılın başında Flettner tarafından icat edilen geleneksel bir rotor yelkeni ve Jacques-Yves Cousteau tarafından modernize edilmiş versiyonu. Birinci modelde net kuvvet dönen silindirlerin dışından kaynaklanmaktadır; ikinci, daha karmaşık versiyonda, elektrikli pompalar içi boş bir borunun içindeki hava basıncında bir fark yaratır.

İlk turbo yelken, gemiyi yalnızca yan rüzgarlarda itme yeteneğine sahiptir. Bu nedenle Flettner'ın turbo yelkenleri küresel gemi yapımında yaygınlaşamadı. Tasarım özelliği Cousteau'nun turbo yelkenleri rüzgarın yönünden bağımsız olarak itici güç elde etmenizi sağlar. Bu tür itici güçlerle donatılmış bir gemi, rüzgara karşı bile yol alabilir; bu, hem geleneksel yelkenlere hem de rotor yelkenlere göre yadsınamaz bir avantajdır. Ancak bu avantajlara rağmen Cousteau sistemi de üretime alınmadı.

Bu, Flettner'ın fikrini hayata geçirmek için bugünlerde girişimlerde bulunulmadığı anlamına gelmiyor. Çok sayıda amatör proje var. 2010 yılında, Bukau ve Alsion'dan sonra tarihteki üçüncü gemi, 130 metrelik Alman Ro-Lo sınıfı bir kamyon olan rotor yelkenleriyle inşa edildi. Geminin tahrik sistemi, iki çift döner rotordan ve sakin durumda ve ek çekiş gücü oluşturmak için birkaç dizel motordan oluşur. Rotor yelkenleri yardımcı motorların rolünü oynuyor: 10,5 bin ton deplasmanlı bir gemi için güvertede dört rüzgar enerjisi kulesi yeterli değil. Ancak bu cihazlar her uçuşta %40’a varan yakıt tasarrufu sağlayabiliyor.
Ancak projenin ekonomik fizibilitesi kanıtlanmış olmasına rağmen Cousteau sistemi haksız yere unutulmaya mahkum edildi. Bugün Alsion, bu tip itiş gücüne sahip tek tam teşekküllü gemidir. Sistemin neden ticari amaçlarla, özellikle de kargo gemilerinde kullanılmadığı açık değil; çünkü dizel yakıttan %30'a kadar tasarruf sağlıyor; para.

P. MANTASHYAN.

P. N. Mantashyan’ın “Vortexler: Molekülden Galaksiye” başlıklı makalesinin dergi versiyonunu yayınlamaya devam ediyoruz (bkz. “Bilim ve Yaşam No”). Kasırgalar ve kasırgalar hakkında konuşacağız - muazzam yıkıcı güce sahip doğal oluşumlar, bunların oluşma mekanizması hala tam olarak belli değil.

Bilim ve yaşam // İllüstrasyonlar

Bilim ve yaşam // İllüstrasyonlar

Amerikalı fizikçi Benjamin Franklin'in kasırga mekanizmasını açıklayan kitabından bir çizim.

Spirit gezgini, Mars'ın ince atmosferinde kasırgaların meydana geldiğini keşfetti ve bunları fotoğrafladı. NASA'nın web sitesinden fotoğraf.

Amerika Birleşik Devletleri'nin güneyindeki ve Çin'in ovalarında meydana gelen dev kasırgalar ve kasırgalar, zorlu ve çok tehlikeli bir olgudur.

Bilim ve yaşam // İllüstrasyonlar

Bir kasırga, zirvesini bir fırtına bulutunun üzerinde tutarak bir kilometre yüksekliğe ulaşabilir.

Denizdeki bir kasırga, deniz yaşamıyla birlikte onlarca ton suyu alıp sürükler ve küçük bir gemiyi parçalayıp batırabilir. Yelkenli gemiler çağında, bir hortumu toplarla ateş ederek yok etmeye çalıştılar.

Resim, kasırganın döndüğünü, havayı, tozu ve yağmur suyunu bir spiral şeklinde büktüğünü açıkça gösteriyor.

Kansas City şehri, güçlü bir kasırga nedeniyle harabeye döndü.

Alize rüzgarı akışında tayfuna etki eden kuvvetler.

Ampere yasası.

Coriolis döner tablayı zorluyor.

Masada ve havada Magnus etkisi.

Girdap hava hareketi sadece tayfunlarda görülmez. Tayfundan daha büyük girdaplar var; bunlar gezegendeki en büyük hava girdapları olan siklonlar ve antisiklonlardır. Boyutları tayfunların boyutunu önemli ölçüde aşıyor ve çapı bin kilometreden fazlaya ulaşabiliyor. Bir bakıma bunlar antipodean girdaplardır: neredeyse her şeyin tersi vardır. Kuzey ve Güney Yarımkürelerin siklonları, bu yarımkürelerin tayfunlarıyla aynı yönde dönerken, antisiklonlar ters yönde döner. Bir kasırga yağışla birlikte sert havayı beraberinde getirirken, antisiklon ise tam tersine açık, güneşli bir hava getirir. Bir kasırganın oluşum şeması oldukça basittir - her şey soğuk ve sıcak atmosferik cephelerin etkileşimi ile başlar. Bu durumda, sıcak atmosferik cephenin bir kısmı soğuk olanın içine bir tür atmosferik "dil" şeklinde nüfuz eder, bunun sonucunda daha hafif olan sıcak hava yükselmeye başlar ve aynı zamanda iki işlem meydana gelir. İlk olarak, Dünya'nın manyetik alanının etkisi altındaki su buharı molekülleri dönmeye başlar ve yükselen tüm havayı dönme hareketine dahil ederek dev bir hava girdabı oluşturur (bkz. “Bilim ve Yaşam” No.). İkinci olarak, yukarıdaki sıcak hava soğur ve içindeki su buharı, yağmur, dolu veya kar şeklinde yağış olarak düşen bulutlar halinde yoğunlaşır. Böyle bir kasırga, havayı birkaç günden iki ila üç haftaya kadar bozabilir. "Yaşam aktivitesi", yeni nemli sıcak hava bölümlerinin gelişi ve bunun soğuk hava cephesiyle etkileşimi ile desteklenir.

Antisiklonlar, aynı zamanda adyabatik olarak ısınan, yani çevre ile ısı alışverişi olmadan bağıl nemleri düşen, mevcut bulutların buharlaşmasına yol açan hava kütlelerinin alçalması ile ilişkilidir. Aynı zamanda, su moleküllerinin Dünya'nın manyetik alanıyla etkileşimi nedeniyle, havanın antisiklonik dönüşü meydana gelir: Kuzey Yarımküre'de - saat yönünde, Güney'de - saat yönünün tersine. Antisiklonlar, birkaç günden iki ila üç haftaya kadar değişen bir süre boyunca yanlarında sabit havayı getirir.

Görünüşe göre siklonların, antisiklonların ve tayfunların oluşum mekanizmaları aynıdır ve tayfunların özgül enerji yoğunluğu (birim kütle başına enerji), siklonlar ve antisiklonlarınkinden çok daha fazladır. Yüksek sıcaklık Güneş ışınımıyla ısıtılan hava kütleleri.

Kasırgalar

Doğada oluşan tüm girdaplar arasında en gizemli olanı kasırgalardır; aslında bunlar bir fırtına bulutunun parçasıdır. İlk başta, bir kasırganın ilk aşamasında, rotasyon yalnızca fırtına bulutunun alt kısmında görülebilir. Daha sonra bu bulutun bir kısmı dev bir huni şeklinde aşağıya doğru sarkar, bu huni gittikçe uzar ve sonunda yer veya su yüzeyine ulaşır. Bir buluttan sarkan, iç boşluk ve duvarlardan oluşan dev bir gövde ortaya çıkıyor. Bir kasırganın yüksekliği yüzlerce metreden bir kilometreye kadar değişir ve genellikle bulutun tabanından dünyanın yüzeyine kadar olan mesafeye eşittir. İç boşluğun karakteristik bir özelliği, içindeki havanın azaltılmış basıncıdır. Bir kasırganın bu özelliği, kasırganın boşluğunun, hayvanlar ve bitkilerle birlikte denizden veya gölden büyük miktarda su çekebilen, onları önemli mesafelere taşıyabilen ve fırlatabilen bir tür pompa görevi görmesine yol açmaktadır. yağmurla birlikte aşağı indiler. Bir kasırga oldukça büyük yükleri taşıyabilir - arabalar, arabalar, küçük gemiler, küçük binalar ve hatta bazen içlerinde insanlar varken. Bir kasırganın devasa bir yıkıcı gücü vardır. Binalara, köprülere, enerji hatlarına ve diğer altyapılara temas ettiğinde çok büyük yıkımlara neden olur.

Kasırgalar, girdap hava akışlarının hızının karesiyle orantılı olan maksimum spesifik enerji yoğunluğuna sahiptir. Meteorolojik sınıflandırmaya göre kapalı bir girdaptaki rüzgar hızı 17 m/s'yi aşmıyorsa tropikal çöküntü, rüzgar hızı 33 m/s'yi aşmıyorsa tropik fırtına, eğer rüzgar hızı 33 m/s'yi aşmıyorsa tropik fırtına, rüzgar hızı 34 m/s ve üzerinde ise bu zaten bir tayfundur. Güçlü tayfunlarda rüzgar hızları 60 m/s'yi aşabilir. Bir kasırgada, çeşitli yazarlara göre, hava hızı 100 ila 200 m/s'ye ulaşabilir (bazı yazarlar bir kasırgada süpersonik hava hızının 340 m/s'nin üzerinde olduğuna işaret eder). Kasırgalardaki hava akış hızının doğrudan ölçülmesi, mevcut teknolojik gelişme düzeyinde neredeyse imkansızdır. Bir kasırganın parametrelerini kaydetmek için tasarlanan tüm cihazlar, ilk temasta onlar tarafından acımasızca bozulur. Kasırgalardaki akışların hızı, esas olarak ürettikleri tahribat veya taşıdıkları yüklerin ağırlığı gibi dolaylı işaretlerle değerlendirilir. Ayrıca, ayırt edici özellik klasik kasırga - kasırganın spesifik enerji yoğunluğunu artıran bir tür elektrik pili olan gelişmiş bir fırtına bulutunun varlığı. Bir kasırganın ortaya çıkma ve gelişme mekanizmasını anlamak için önce fırtına bulutunun yapısını ele alalım.

FIRTINA BULUTU

Tipik bir fırtına bulutunda üst kısım pozitif, taban ise negatif yüklüdür. Yani kilometrelerce büyüklükte dev bir elektrik kondansatörü, yükselen akımlarla desteklenerek havada yüzer. Böyle bir kapasitörün varlığı, bulutun üzerinde bulunduğu toprak veya su yüzeyinde, elektriksel izinin ortaya çıkmasına neden olur - tabanın yükünün işaretine zıt bir işarete sahip indüklenmiş bir elektrik yükü. bulut yani dünyanın yüzeyi pozitif yüklenecektir.

Bu arada, indüklenmiş bir elektrik yükü yaratma deneyi evde yapılabilir. Masanın yüzeyine küçük kağıt parçaları yerleştirin, kuru saçları plastik bir tarakla tarayın ve tarağı serpilen kağıt parçalarına yaklaştırın. Hepsi masadan başını kaldırıp tarağa koşup ona yapışacak. Bu basit deneyin sonucu çok basit bir şekilde açıklanabilir. Tarak, saçla sürtünme sonucu bir elektrik yükü aldı ve kağıt parçası üzerinde, Coulomb yasasına tam uygun olarak kağıt parçalarını tarağa çeken zıt işaretli bir yüke neden oluyor.

Gelişmiş bir fırtına bulutunun tabanının yakınında, neme doymuş, yukarı doğru güçlü bir hava akışı vardır. Dünyanın manyetik alanında dönmeye başlayan, nötr hava moleküllerine momentum ileten, onları dönmeye çeken dipol su moleküllerinin yanı sıra, yukarı doğru akışta pozitif iyonlar ve serbest elektronlar da bulunur. Güneş radyasyonunun moleküller üzerindeki etkisinin, bölgenin doğal radyoaktif arka planının ve fırtına bulutu durumunda, fırtına bulutunun tabanı ile yer arasındaki elektrik alanının enerjisine bağlı olarak oluşabilirler ( indüklenen elektrik yükünü hatırlayın!). Bu arada, dünya yüzeyinde indüklenen pozitif yük nedeniyle, yükselen hava akışındaki pozitif iyonların sayısı, negatif iyonların sayısını önemli ölçüde aşıyor. Tüm bu yüklü parçacıklar, yükselen hava akışının etkisi altında fırtına bulutunun tabanına doğru koşuyor. Ancak bir elektrik alanındaki pozitif ve negatif parçacıkların dikey hızları farklıdır. Alan gücü, bulutun tabanı ile dünyanın yüzeyi arasındaki potansiyel farkla tahmin edilebilir - araştırmacıların ölçümlerine göre, bu, fırtına bulutunun tabanının yüksekliği ile birkaç on milyonlarca volttur. bir ila iki kilometre, metre başına onbinlerce voltluk bir elektrik alan gücü verir. Bu alan pozitif iyonları hızlandıracak ve negatif iyonları ve elektronları geciktirecektir. Bu nedenle, yukarı doğru akışın kesitinden birim zamanda negatif yüklerden daha fazla pozitif yük geçecektir. Başka bir deyişle, dünya yüzeyi ile bulutun tabanı arasında bir elektrik akımı ortaya çıkacaktır, ancak dünya yüzeyini bulutun tabanına bağlayan çok sayıda temel akımdan bahsetmek daha doğru olacaktır. Bütün bu akımlar paraleldir ve aynı yönde akar.

Ampere yasasına göre birbirleriyle etkileşime girecekleri, yani çekecekleri açıktır. Fizik derslerinden, aynı yönde akan elektrik akımlarına sahip iki iletkenin birim uzunluğu başına karşılıklı çekim kuvvetinin, bu akımların kuvvetlerinin çarpımı ile doğru orantılı olduğu ve iletkenler arasındaki mesafeyle ters orantılı olduğu bilinmektedir.

İki elektrik iletkeni arasındaki çekim Lorentz kuvvetlerinden kaynaklanmaktadır. Her bir iletkenin içinde hareket eden elektronlar, bitişikteki iletkende elektrik akımının yarattığı manyetik alandan etkilenir. İletkenlerin merkezlerini birleştiren düz bir çizgi boyunca yönlendirilen Lorentz kuvveti onlara etki eder. Ancak karşılıklı çekim kuvvetinin ortaya çıkması için iletkenlerin varlığı tamamen gereksizdir - akımların kendisi yeterlidir. Örneğin, Coulomb yasasına göre dinlenme halindeki aynı elektrik yüküne sahip iki parçacık birbirini iter, ancak aynı yönde hareket eden aynı parçacıklar, çekim ve itme kuvvetleri birbirini dengeleyene kadar çekilir. Denge konumundaki parçacıklar arasındaki mesafenin yalnızca hızlarına bağlı olduğunu görmek kolaydır.

Elektrik akımlarının karşılıklı çekimi nedeniyle yüklü parçacıklar fırtına bulutunun merkezine hücum eder, yol boyunca elektriksel olarak nötr moleküllerle etkileşime girer ve onları fırtına bulutunun merkezine doğru hareket ettirir. Yükselen akışın kesit alanı birkaç kat azalacak ve akış döndüğü için açısal momentumun korunumu yasasına göre açısal hızı artacaktır. Buz üzerinde kollarını uzatarak dönen ve bu kolları vücuduna bastırarak dönüş hızının keskin bir şekilde artmasına neden olan bir artistik patinajcının yukarıya doğru akışında da aynı şey olacaktır (fizik ders kitaplarından izleyebileceğiniz bir ders kitabı örneği). TELEVİZYON!). Bir kasırgada havanın dönüş hızındaki bu kadar keskin bir artış ve aynı zamanda çapının azalması, doğrusal rüzgar hızında buna karşılık gelen bir artışa yol açacaktır ve bu, yukarıda belirtildiği gibi ses hızını bile aşabilir.

Elektrik alanı yüklü parçacıkları işarete göre ayıran bir fırtına bulutunun varlığı, bir kasırgadaki hava akış hızlarının bir tayfundaki hava akış hızlarını aşmasına yol açar. Mecazi anlamda konuşursak, bir fırtına bulutu, odağında yukarı doğru nemli hava akışının enerjisinin yoğunlaştığı ve bir kasırganın oluşumuna yol açan bir tür "elektrik mercek" görevi görür.

KÜÇÜK VORTEKSLER

Oluşum mekanizması, dipol su molekülünün manyetik alanda dönmesiyle hiçbir şekilde bağlantılı olmayan girdaplar da vardır. Bunların arasında en yaygın olanı toz şeytanlarıdır. Çöl, bozkır ve dağlık bölgelerde oluşurlar. Boyutları klasik kasırgalardan daha düşüktür, yükseklikleri yaklaşık 100-150 metredir ve çapları birkaç metredir. Toz şeytanlarının oluşması için gerekli koşul çöl, iyi ısıtılmış bir ovadır. Böyle bir girdap oluştuktan sonra, 10-20 dakika kadar kısa bir süre boyunca var olur ve tüm bu süre boyunca rüzgarın etkisi altında hareket eder. Çöl havasının neredeyse hiç nem içermemesine rağmen, dönme hareketi, temel yüklerin Dünyanın manyetik alanıyla etkileşimi sayesinde sağlanır. Güneş tarafından kuvvetli bir şekilde ısıtılan bir ovanın üzerinde, bazı molekülleri güneş ışınımının ve özellikle ultraviyole kısmının etkisi altında iyonize olan güçlü bir yukarı doğru hava akışı ortaya çıkar. Güneş radyasyonu fotonları, hava atomlarının dış elektron kabuklarından elektronları kopararak pozitif iyon çiftleri ve serbest elektronlar oluşturur. Elektronların ve pozitif iyonların eşit yüklü ve önemli ölçüde farklı kütlelere sahip olmaları nedeniyle girdabın açısal momentumunun oluşmasına katkıları farklıdır ve toz girdabının dönme yönü pozitif iyonların dönme yönü ile belirlenir. . Böyle dönen bir kuru hava sütunu, hareket ettikçe çöl yüzeyinden tozu, kumu ve küçük çakıl taşlarını kaldırır; bunlar kendi başlarına toz girdabı oluşum mekanizmasında herhangi bir rol oynamayan, ancak bir tür gösterge görevi gören hava rotasyonu.

Literatürde oldukça nadir görülen bir doğa olayı olan hava girdapları da anlatılmaktadır. Günün sıcak saatlerinde nehir veya göl kıyılarında görülürler. Bu tür girdapların ömrü kısadır; beklenmedik bir şekilde ortaya çıkarlar ve aniden kaybolurlar. Görünüşe göre hem su molekülleri hem de sıcak ve nemli havada güneş ışınımı nedeniyle oluşan iyonlar bunların oluşumuna katkıda bulunuyor.

Oluşum mekanizması benzer olan su girdapları çok daha tehlikelidir. Açıklama korunmuştur: “Temmuz 1949'da Washington eyaletinde, bulutsuz bir gökyüzünün altında sıcak, güneşli bir günde, göl yüzeyinde yüksek bir su spreyi sütunu belirdi. Yalnızca birkaç dakika varlığını sürdürdü ama kayda değer bir kaldırma gücüne sahipti. Nehir kıyısına yaklaşırken, yaklaşık dört metre uzunluğunda oldukça ağır bir motorlu tekneyi kaldırdı, onlarca metre taşıdı ve yere çarparak parçalara ayırdı. Su girdapları, tropik ve subtropikal bölgelerde su yüzeyinin güneş tarafından güçlü bir şekilde ısıtıldığı yerlerde en yaygın olanıdır."

Büyük yangınlar sırasında dönen hava akışları meydana gelebilir. Literatürde anlatılan bu tür vakalardan birini sunuyoruz; “1840 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde ormanlar tarlalar için temizlendi. Büyük bir açıklığa büyük miktarda çalı çırpı, dal ve ağaç atıldı. Ateşe verildiler. Bir süre sonra, tek tek yangınların alevleri bir araya gelerek, alt kısmı geniş, tepeye dönük, 50-60 metre yüksekliğinde bir ateş sütunu oluşturdu. Daha da yükseklere çıkan yangının yerini gökyüzüne yükselen duman aldı. Ateş ve duman kasırgası inanılmaz bir hızla dönüyordu. Görkemli ve dehşet verici manzaraya gök gürültüsünü anımsatan yüksek bir ses eşlik etti. Kasırganın gücü o kadar büyüktü ki, büyük ağaçları havaya kaldırıp bir kenara fırlattı.”

Bir yangın kasırgasının oluşum sürecini ele alalım. Odun yandığında, kısmen ısıtılmış havanın artan akışının kinetik enerjisine dönüştürülen ısı açığa çıkar. Ancak yanma sırasında başka bir süreç meydana gelir - havanın ve yanma ürünlerinin iyonlaşması.

yakıt. Genel olarak ısıtılan hava ve yakıtın yanma ürünleri elektriksel olarak nötr olmasına rağmen, alevde pozitif yüklü iyonlar ve serbest elektronlar oluşur. İyonize havanın Dünya'nın manyetik alanındaki hareketi kaçınılmaz olarak bir yangın hortumunun oluşmasına yol açacaktır.

Girdap hava hareketinin sadece büyük yangınlar sırasında meydana gelmediğini belirtmek isterim. D.V. Nalivkin “Kasırgalar” adlı kitabında şu soruları soruyor: “Küçük boyutlu girdaplarla ilgili gizemler hakkında zaten defalarca konuştuk, tüm girdapların neden döndüğünü anlamaya çalıştık? Başka sorular da ortaya çıkıyor. Neden saman yandığında ısınan hava düz bir çizgide değil, spiral şeklinde yükseliyor ve girdap yapmaya başlıyor. Sıcak hava çölde de aynı şekilde davranır. Neden hiç tozlanmadan yukarı çıkmıyor? Aynı şey, sıcak hava suyun yüzeyine doğru hücum ettiğinde su spreyi ve sıçramalarında da oluyor.”

Volkanik patlamalar sırasında ortaya çıkan girdaplar var; bunlar Vezüv'ün üzerinde gözlemlendi. Literatürde bunlara kül girdapları denir - bir yanardağın püskürttüğü kül bulutları girdap hareketine katılır. Bu tür girdapların oluşma mekanizması genel anlamda yangın kasırgalarının oluşma mekanizmasına benzer.

Şimdi Dünyamızın çalkantılı atmosferinde tayfunlara hangi kuvvetlerin etki ettiğini görelim.

CORIOLIS KUVVETİ

Dönen bir referans çerçevesinde, örneğin dönen bir diskin veya topun yüzeyinde hareket eden bir cisim, Coriolis kuvveti adı verilen bir eylemsizlik kuvvetine maruz kalır. Bu kuvvet vektör çarpımı ile belirlenir (formüllerin numaralandırılması makalenin ilk bölümünde başlar)

FK =2M[ VΩ], (20)

Nerede M- vücut kütlesi; V vücut hızı vektörüdür; Ω - bu durumda referans sisteminin açısal dönme hızı vektörü küre- Dünyanın dönüşünün açısal hızı ve [VΩ] - skaler formda şuna benzeyen vektör çarpımları:

F l = 2M | V | | Ω | sin α, burada α vektörler arasındaki açıdır.

Kürenin yüzeyinde hareket eden bir cismin hızı iki bileşene ayrılabilir. Bunlardan biri, cismin bulunduğu noktada topa teğet bir düzlemde yani hızın yatay bileşeninde yer alır; ikincisi ise dikey bileşen bu düzleme diktir. Bir cisme etki eden Coriolis kuvveti, bulunduğu yerin coğrafi enleminin sinüsüyle orantılıdır. Kuzey Yarımküre'de bir meridyen boyunca herhangi bir yönde hareket eden bir cisim, hareketinde sağa doğru yönlendirilen Coriolis kuvvetine maruz kalır. Kuzey Yarımküre'deki nehirlerin sağ kıyılarının, kuzeye mi yoksa güneye mi aktıklarına bakılmaksızın yıkanmasına neden olan da bu kuvvettir. Güney Yarımküre'de aynı kuvvet hareket halinde sola doğru yönlendirilir ve meridyen yönünde akan nehirler sol kıyıları yıkar. Coğrafyada bu olguya Beer yasası denir. Nehir yatağı meridyen yönü ile çakışmadığında, Coriolis kuvveti nehrin akış yönü ile meridyen arasındaki açının kosinüsü kadar az olacaktır.

Tayfunların, kasırgaların, kasırgaların ve her türlü girdabın oluşumuna ve bunların daha sonraki hareketlerine yönelik hemen hemen tüm çalışmalar, bunların oluşumunun temel nedeninin Coriolis kuvveti olduğunu ve bunların yörüngesini belirlediğini göstermektedir. Dünya yüzeyi boyunca hareket. Bununla birlikte, Coriolis kuvveti kasırgaların, tayfunların ve kasırgaların oluşumuna dahil olsaydı, Kuzey Yarımküre'de saat yönünde sağa ve Güney Yarımküre'de sola, yani saat yönünün tersine dönüşe sahip olacaklardı. Ancak Kuzey Yarımküre'deki tayfunlar, kasırgalar ve kasırgalar saat yönünün tersine sola, Güney Yarımküre'de ise saat yönünde sağa döner. Bu kesinlikle Coriolis kuvvetinin etki yönüne uymuyor, üstelik tam tersi. Daha önce de belirtildiği gibi, Coriolis kuvvetinin büyüklüğü coğrafi enlemin sinüsüyle orantılıdır ve bu nedenle kutuplarda maksimumdur ve ekvatorda yoktur. Sonuç olarak, eğer farklı ölçeklerde girdapların oluşmasına katkıda bulunduysa, o zaman bunlar çoğunlukla kutupsal enlemlerde ortaya çıkar ve bu da mevcut verilerle tamamen çelişir.

Dolayısıyla yukarıdaki analiz, Coriolis kuvvetinin, oluşum mekanizmaları önceki bölümlerde tartışılan tayfun, kasırga, kasırga ve her türlü girdap oluşum süreciyle hiçbir ilgisi olmadığını ikna edici bir şekilde kanıtlamaktadır.

Yörüngelerini belirleyen şeyin Coriolis kuvveti olduğuna inanılıyor, özellikle Kuzey Yarımküre'de meteorolojik oluşumlar olarak tayfunlar hareketleri sırasında sağa ve Güney Yarımküre'de sola doğru sapıyor, bu da yönüne karşılık geliyor. Coriolis kuvvetinin bu yarıkürelerdeki etkisi. Tayfun yörüngelerindeki sapmanın nedeni bulunmuş gibi görünüyor - bu Coriolis kuvveti, ancak aceleyle sonuca varmayalım. Yukarıda bahsedildiği gibi, bir tayfun Dünya yüzeyi boyunca hareket ettiğinde, Coriolis kuvveti tek bir nesne olarak ona şuna eşit etki edecektir:

Fк = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

burada θ tayfunun coğrafi enlemi; α, bir bütün olarak tayfunun hız vektörü ile meridyen arasındaki açıdır.

Öğrenmek için gerçek sebep Tayfun yörüngelerindeki sapmalar için, tayfuna etki eden Coriolis kuvvetinin büyüklüğünü belirlemeye çalışalım ve bunu şimdi göreceğimiz gibi daha gerçek bir kuvvetle karşılaştıralım.

MAGNUS'UN GÜCÜ

Alize rüzgarıyla hareket eden bir tayfun, yazarın bildiği kadarıyla, bu bağlamda henüz hiçbir araştırmacı tarafından ele alınmamış bir kuvvetten etkilenecektir. Bu, tayfunun tek bir nesne olarak, bu tayfunu hareket ettiren hava akışıyla etkileşiminin kuvvetidir. Tayfunların yörüngelerini gösteren resme bakarsanız, sürekli esen tropik rüzgarların, dünyanın dönmesi sonucu oluşan ticaret rüzgarlarının etkisi altında doğudan batıya doğru hareket ettikleri anlaşılacaktır. Aynı zamanda alize rüzgarı tayfunu yalnızca doğudan batıya taşımakla kalmıyor. En önemlisi alize rüzgarında yer alan bir tayfunun, tayfunun hava akışlarının alize rüzgarının hava akışıyla etkileşiminden kaynaklanan bir kuvvetten etkilenmesidir.

Bir sıvı veya gaz akışı içinde dönen bir cismin üzerine etki eden enine kuvvetin ortaya çıkmasının etkisi, 1852'de Alman bilim adamı G. Magnus tarafından keşfedildi. Dönen dairesel bir silindirin eksenine dik dönmeyen (laminer) bir akış etrafında akması durumunda, silindirin yüzeyinin doğrusal hızının gelen akışın hızına zıt olduğu kısmında, bir yüksek basınç alanı ortaya çıkar. Ve yüzeyin doğrusal hızının yönünün gelen akışın hızıyla çakıştığı karşı tarafta ise alçak basınç alanı var. Silindirin karşıt taraflarındaki basınç farkı Magnus kuvvetinin oluşmasına neden olur.

Mucitler Magnus'un gücünden yararlanmaya çalıştılar. Üzerine yelkenler yerine motorlar tarafından döndürülen dikey silindirlerin yerleştirildiği bir gemi tasarlandı, patenti alındı ​​ve inşa edildi. Bu tür dönen silindirik "yelkenlerin" verimliliği bazı durumlarda geleneksel yelkenlerin verimliliğini bile aştı. Magnus etkisi, topa vururken ona dönme hareketi verirlerse uçuş yolunun eğrisel hale geleceğini bilen futbolcular tarafından da kullanılıyor. “Kuru çarşaf” olarak adlandırılan böyle bir vuruşla, futbol sahasının neredeyse kale hizasında bulunan köşesinden topu rakibin kalesine gönderebilirsiniz. Voleybol oyuncuları, tenisçiler ve pinpon oyuncuları da vurulduğunda topu döndürür. Her durumda, kavisli bir topun karmaşık bir yörünge boyunca hareketi rakip için birçok sorun yaratır.

Ancak alize rüzgarının sürüklediği tayfuna dönelim.

Okyanusların tropik enlemlerinde ticaret rüzgarları ve sabit hava akımları (yılda on aydan fazla sürekli olarak esiyor), Kuzey Yarımküre'de alanlarının yüzde 11'ini, Güney Yarımküre'de ise yüzde 20'ye kadar kaplıyor. Alize rüzgarlarının ana yönü doğudan batıya doğrudur, ancak 1-2 kilometre yükseklikte ekvatora doğru esen meridyen rüzgarları ile desteklenirler. Sonuç olarak, Kuzey Yarımküre'de ticaret rüzgarları güneybatıya doğru hareket eder ve Güney Yarımküre'de rüzgarlar güneybatıya doğru hareket eder.

Kuzeybatıya. Alize rüzgarları, Columbus'un ilk seferinden (1492-1493) sonra Avrupalılar tarafından tanındı; katılımcılar, karavelaları İspanya kıyılarından Atlantik'in tropik bölgelerine taşıyan güçlü kuzeydoğu rüzgarlarının istikrarına hayran kaldılar.

Tayfunun devasa kütlesi, alize rüzgarının hava akışında dönen bir silindir gibi düşünülebilir. Daha önce de belirtildiği gibi, Güney Yarımküre'de saat yönünde, Kuzey Yarımküre'de ise saat yönünün tersine dönerler. Bu nedenle, güçlü ticaret rüzgarları akışıyla etkileşim nedeniyle, hem Kuzey hem de Güney Yarımküredeki tayfunlar ekvatordan sırasıyla kuzeye ve güneye doğru sapar. Hareketlerinin bu doğası meteorologların gözlemleriyle de doğrulanmıştır.

(Sonu takip eder.)

AMPERE YASASI

1920'de Fransız fizikçi Anre Marie Ampere deneysel olarak yeni bir fenomeni keşfetti: iki iletkenin akımla etkileşimi. İki paralel iletkenin, içlerindeki akımın yönüne bağlı olarak çektiği veya ittiği ortaya çıktı. İletkenler, akımlar aynı yönde (paralel) akarsa birbirine yaklaşma eğilimindedir ve akımlar zıt yönlerde (antiparalel) akarsa birbirlerinden uzaklaşır. Ampere bu fenomeni doğru bir şekilde açıklayabildi: “Gimlet kuralı” ile belirlenen akımların manyetik alanlarının etkileşimi meydana gelir. Eğer jilet I akımı yönünde vidalanırsa, sapının hareketi manyetik alan çizgilerinin H yönünü gösterecektir.

Paralel olarak uçan iki yüklü parçacık da bir elektrik akımı oluşturur. Bu nedenle yörüngeleri, parçacık yükünün işaretine ve hareketlerinin yönüne bağlı olarak yakınlaşacak veya uzaklaşacaktır.

Yüksek akımlı elektrik bobinleri (solenoidler) tasarlanırken iletkenlerin etkileşimi dikkate alınmalıdır - dönüşlerinden akan paralel akımlar, bobini sıkıştıran büyük kuvvetler oluşturur. Bir tüpten yapılmış bir paratonerin, bir yıldırım çarpmasından sonra silindire dönüştüğü bilinen durumlar vardır: yüzlerce kiloamperlik bir kuvvetle bir yıldırım deşarj akımının manyetik alanları tarafından sıkıştırılmıştır.

Ampere yasasına dayanarak, SI'daki standart akım birimi - amper (A) - kuruldu. “Fiziksel büyüklük birimleri” durum standardı şunları tanımlar:

“Bir amper, birbirinden 1 m uzaklıktaki bir vakumda bulunan, sonsuz uzunlukta ve ihmal edilebilecek kadar küçük kesit alanına sahip iki paralel düz iletkenden geçtiğinde, eşit bir etkileşim kuvvetine neden olan akım gücüne eşittir. 2 iletkenin 1 m uzunluğundaki bir bölümünde . 10-7 K.”

Meraklısı için detaylar

MAGNUS VE CORIOLIS KUVVETLERİ

Magnus ve Coriolis kuvvetlerinin tayfun üzerindeki etkisini, alize rüzgarının uçurduğu dönen bir hava silindiri biçimindeki ilk yaklaşım olarak hayal ederek karşılaştıralım. Böyle bir silindire aşağıdakilere eşit bir Magnus kuvveti etki eder:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

burada D tayfunun çapıdır; ρ - ticaret rüzgarı hava yoğunluğu; H yüksekliğidir; V n > - alize rüzgarındaki hava hızı; V t - tayfundaki doğrusal hava hızı. Basit dönüşümlerle elde ederiz

Fm = R 2 HρωV n, - (23)

burada R tayfunun yarıçapıdır; ω tayfunun açısal dönüş hızıdır.

İlk yaklaşım olarak alize rüzgarının hava yoğunluğunun tayfundaki hava yoğunluğuna eşit olduğunu varsayarak şunu elde ederiz:

M t = R 2 Hρ, - (24)

burada M tayfunun kütlesidir.

O halde (19) şu şekilde yazılabilir:

F m = M t ωV p - (25)

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

Magnus kuvvetine ait ifadeyi Coriolis kuvvetine ait ifadeye (17) bölerek şunu elde ederiz:

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

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

Uluslararası sınıflandırmaya göre tayfunun rüzgar hızının 34 m/s'yi aştığı tropikal bir kasırga olarak kabul edildiğini dikkate alarak hesaplamalarımızda bu en küçük rakamı alacağız. Tayfun oluşumu için en uygun coğrafi enlem 16o olduğundan, θ = 16o'yu alacağız ve tayfunlar oluştuktan hemen sonra neredeyse enlem yörüngeleri boyunca hareket ettiğinden, α = 80o'yu alacağız. Orta büyüklükteki bir tayfunun yarıçapını 150 kilometre olarak alalım. Tüm verileri formülde yerine koyarsak, şunu elde ederiz:

F m / F k = 205. (29)

Başka bir deyişle Magnus kuvveti Coriolis kuvvetinden iki yüz kat daha büyüktür! Dolayısıyla Coriolis kuvvetinin yalnızca tayfun yaratma süreciyle değil, aynı zamanda yörüngesini değiştirmeyle de hiçbir ilgisi olmadığı açıktır.

Alize rüzgarındaki bir tayfun iki kuvvetten etkilenecektir: yukarıda bahsedilen Magnus kuvveti ve basit bir denklemle bulunabilen alize rüzgarının tayfun üzerindeki aerodinamik basıncının kuvveti.

F d = KRHρV 2 p, - (30)

burada K, tayfunun aerodinamik sürükleme katsayısıdır.

Tayfunun hareketinin, Magnus kuvvetleri ile aerodinamik basıncın toplamı olan ve ticarette hava hareketi yönüne p açısında etki edecek olan bileşke kuvvetin hareketinden kaynaklanacağını görmek kolaydır. rüzgâr. Bu açının tanjantı denklemden bulunabilir.

tgβ = Fm /Fd (31)

Basit dönüşümlerden sonra (26) ve (30) ifadelerini (31) yerine koyarsak, şunu elde ederiz:

tgβ = V t /KV p, (32)

Tayfuna etki eden sonuçta ortaya çıkan kuvvet Fp'nin yörüngesine teğet olacağı açıktır ve eğer alize rüzgarının yönü ve hızı biliniyorsa, o zaman bu kuvveti belirli bir tayfun için yeterli doğrulukla hesaplamak mümkün olacaktır, böylece neden olduğu hasarı en aza indirecek olan sonraki yörüngesini belirler. Bir tayfunun yörüngesi, adım adım bir yöntem kullanılarak tahmin edilebilir; ortaya çıkan kuvvetin muhtemel yönü, yörüngesindeki her noktada hesaplanır.

Vektör formunda ifade (25) şuna benzer:

F m = M [ωV p ]. (33)

Magnus kuvvetini tanımlayan formülün yapısal olarak Lorentz kuvveti formülüyle aynı olduğunu görmek kolaydır:

F ben = q .

Bu formülleri karşılaştırıp analiz ettiğimizde formüller arasındaki yapısal benzerliğin oldukça derin olduğunu görüyoruz. Böylece her iki vektör çarpımının (M& #969; ve q V) nesnelerin (tayfun ve temel parçacık) ve sağ tarafların parametrelerini karakterize eder ( V n ve B) - çevre (ticaret rüzgar hızı ve manyetik alan indüksiyonu).

Fiziksel eğitim

BİR OYUNCUYA CORIOLIS GÜÇLERİ

Dönen bir koordinat sisteminde, örneğin dünyanın yüzeyinde, Newton yasaları karşılanmaz; böyle bir koordinat sistemi eylemsiz değildir. İçinde vücudun doğrusal hızına ve sistemin açısal hızına bağlı olan ek bir atalet kuvveti belirir. Vücudun yörüngesine (ve hızına) diktir ve bu ek kuvveti açıklayan ve hesaplayan Fransız tamirci Gustav Gaspard Coriolis'in (1792-1843) adını taşıyan Coriolis kuvveti olarak adlandırılır. Kuvvet, hız vektörüyle hizalanmak için sistemin dönme yönünde dik açıyla döndürülmesi gereken şekilde yönlendirilir.

Bir elektrikli plak çalar kullanarak iki basit deney gerçekleştirerek Coriolis kuvvetinin nasıl "çalıştığını" görebilirsiniz. Bunları gerçekleştirmek için kalın kağıttan veya kartondan bir daire kesin ve diskin üzerine yerleştirin. Dönen bir koordinat sistemi görevi görecek. Hemen bir not düşelim: Oynatıcı diski saat yönünde dönüyor ve Dünya saat yönünün tersine dönüyor. Dolayısıyla modelimizdeki kuvvetler, Dünya'da bizim yarımkürede gözlemlenen kuvvetlerin tersi yönde yönlendirilecektir.

1. İki yığın kitabı oynatıcının yanına, tabağın hemen üstüne yerleştirin. Kitapların üzerine, kenarlarından biri diskin çapına uyacak şekilde bir cetvel veya düz çubuk yerleştirin. Disk sabitken çubuk boyunca yumuşak bir kalemle ortasından kenarına doğru bir çizgi çizerseniz, o zaman doğal olarak düz olacaktır. Şimdi oynatıcıyı çalıştırırsanız ve çubuk boyunca bir kalem çizerseniz, G. Coriolis tarafından hesaplanan yasaya tamamen uygun olarak sola doğru kavisli bir yörünge çizecektir.

2. Kitap yığınlarından bir slayt oluşturun ve diskin çapı boyunca yönlendirilmiş kalın bir kağıt oluğuna bantlayın. Küçük bir topu sabit bir diskin üzerindeki bir oyuk boyunca yuvarlarsanız, çapı boyunca yuvarlanacaktır. Ve dönen bir diskte sola doğru hareket edecektir (tabii ki yuvarlanma sırasındaki sürtünme küçükse).

Fiziksel eğitim

MASA ÜZERİNDE VE HAVADA MAGNUS ETKİSİ

1. Küçük bir silindiri kalın kağıttan birbirine yapıştırın. Masanın kenarından çok uzak olmayan bir yere bir kitap yığını yerleştirin ve bunu bir tahtayla masanın kenarına bağlayın. Kağıt silindiri ortaya çıkan slayttan aşağı doğru yuvarlandığında, bir parabol boyunca masadan uzağa doğru hareket etmesini bekleyebiliriz. Ancak bunun yerine silindir yörüngesini keskin bir şekilde diğer yöne doğru bükecek ve masanın altına uçacak!

Bernoulli yasasını hatırlarsak paradoksal davranışı oldukça anlaşılırdır: Bir gaz veya sıvı akışındaki iç basınç azalır, akış hızı arttıkça. Örneğin bir püskürtme tabancasının çalışması bu olguya dayanmaktadır: daha yüksek atmosferik basınç, sıvıyı daha düşük basınçlı bir hava akımına sıkıştırır.

İnsan akışlarının da bir dereceye kadar Bernoulli yasasına uyması ilginçtir. Trafiğin zor olduğu metroda yürüyen merdiven girişinde insanlar yoğun, sıkıştırılmış bir kalabalık halinde toplanıyor. Ve hızlı hareket eden bir yürüyen merdivende serbestçe duruyorlar - yolcu akışındaki "iç basınç" düşüyor.

Silindir düşüp dönmeye devam ettiğinde, sağ tarafının hızı, gelen hava akışının hızından çıkarılır ve buna sol tarafın hızı eklenir. Silindirin solundaki hava akışının bağıl hızı daha yüksektir ve içindeki basınç sağa göre daha düşüktür. Basınç farkı silindirin aniden yörüngesini değiştirmesine ve masanın altına uçmasına neden olur.

Roket fırlatırken, uzun mesafelerde hassas atış yaparken, türbinleri, jiroskopları vb. hesaplarken Coriolis ve Magnus yasaları dikkate alınır.

2. Kağıt silindirini kağıt veya kumaş bantla birkaç tur sarın. Şimdi bandın ucunu keskin bir şekilde çekerseniz, silindiri döndürecek ve aynı zamanda ona ileri doğru hareket verecektir. Sonuç olarak, Magnus'un kuvvetlerinin etkisi altında silindir uçarak havadaki döngüleri tanımlayacak.

Topun yörüngesindeki garip değişiklikler ortalama bir insan için bir mucize gibi görünüyor. Ancak profesyonel futbolcular, basketbolcular ve bilardo oyuncuları için bu tür numaralar bir beceri göstergesidir. Magnus etkisi gibi yetenekleri ortaya çıkaran fizik yasalarını da burada hatırlıyoruz. Başlangıçta aerodinamikte fark edilen, bugün küresel bir nesnenin yörüngesini değiştirmeye ilişkin bu yasa çok geniş bir uygulama alanı buldu. Son zamanlarda internette bu fiziksel fenomeni basketbol örneğini kullanarak açıkça gösteren bir video ortaya çıktı. Video iki gün içinde 9 milyondan fazla izlendi ve Magnus etkisine ve onun inanılmaz uygulamalarına olan ilgiyi artırdı.

Arka plan

Her şey Prusyalı topçuların toplarından çıkan güllelerin neden sürekli yanlış yerlere çarptığını anlayamamaları ile başladı. Çekirdeğin uçuş sırasında dönmesi ve ağırlık merkezinin geometrik merkezle örtüşmemesi uçuş yolunu bozdu. Isaac Newton, dönen bir topun uçuşunu etkileyen aerodinamik kuvvet hakkında yazdı ve Prusyalı komutanlar, topun uçuşunun eğrisel yörüngelerinin açıklığa kavuşturulması için ünlü Alman bilim adamı Heinrich Gustav Magnus'a (1802-1870) başvurdu; o, 1853'te bilimsel bir açıklama yaptı. bu fenomenin.

Bilim adamı, sorunun nesnenin ağırlık merkezinde değil, rotasyonunda olduğunu öne sürdü. Bir dizi deney yaptı ve herhangi bir matematiksel hesaplama yapmamasına rağmen dönen bir cismin uçuş yolunu değiştiren aerodinamik kuvveti ilk kanıtlayan kişi oldu.

Magnus'tan sonra Ludwig Prandtl (1875-1953) gücü ve hızı ölçen bu kuvvetle ilgilenmeye başladı. En önemli başarısı, öteleme hareketini sağlamak için ortaya çıkan kuvveti dönen bir rotor (silindir) üzerinde kullanma olasılığının oluşturulmasıdır. Ancak pratikte bu fikir başka bir Alman mühendis Anton Flettner (1885-1961) tarafından hayata geçirildi. Biraz sonra Flettner ve Cousteau'nun rotor yelkenleri hakkında daha fazla bilgi vereceğiz.

Açıklama fizikçiler için değil

Newton katı hal fiziğinin yasalarını göz önünde bulundurarak, basit kelimelerle Süreç şöyle görünüyor. Dönen yuvarlak bir nesne hızlanır, nesnenin önündeki hava dönme yönünde hareket eder ve merkeze doğru çekilir. Nesnenin diğer tarafında hava, dönüş yönünün tersi yönde hareket eder. Sonuç olarak, akış uzaklaşır ve nesne bir taraftaki havanın yerini değiştirir ve diğer taraftaki hava, nesnenin uçuş yolunu değiştiren, ancak farklı bir yönde bir tepki kuvveti oluşturur. Süreç diyagramı yukarıdaki şekilde gösterilmektedir; bu meşhur Magnus etkisidir.

Flettner rüzgar gemisi

Anton Flettner, 16 Eylül 1922'de döner bir gemi için bir Alman patenti aldı. Ve zaten Ekim 1926'da, Kiel Körfezi'nde, gemide iki büyük boru ve bir delikli direk bulunan alışılmadık bir gemi gerçek bir sansasyon yarattı. Bu, Friedrich Krupp gemi inşa şirketinin kızaklarından ayrılan ilk Buckau döner gemisiydi.

Flettner, Magnus etkisini ve dönen silindirlerin etrafından akarken oluşan ve akış yönüne dik olarak yönlendirilen kuvveti kullandı. Dönen gövdenin oluşturduğu girdap akışının yönünün hava akış yönü ile çakıştığı taraftan hareketin kuvveti ve hızı keskin bir şekilde artar. Genç mühendis Flettner'ın yelkenleri değiştirdiği, daha sonra onun adını alacak olan tam da bu rotorlardı.

Bu geminin rotorları elektrik motorlarıyla çalıştırılıyordu. Rotorun rüzgara karşı döndüğü yerde basıncın arttığı bir alan oluşturuldu. Karşı tarafta - bir düşüşle. Ortaya çıkan kuvvet gemiyi hareket ettirdi.

Buckau testi onurla geçti. 1925 yılında, yelkenli gemilerin denize açılmaya cesaret edemediği hava koşullarında Danzig'den İskoçya'ya doğru yola çıktı. Yolculuk başarılı oldu ve geminin mürettebatı, yelkenli gemideki 20 kişiye kıyasla 10 kişiye düşürüldü.

Zorla unutulma

Flettner rotorları için parlak bir gelecek açılıyordu. Projenin başarısı, Hamburg şirketi "Barbara"nın gemisiyle doğrulandı. Hareketi 17 metrelik üç rotorla sağlanan, 4-6 kuvvet rüzgarında 13 knot hıza ulaşan bir kargo gemisiydi.

Projenin görünen başarısına rağmen uzun süre unutuldu. Bunun birkaç nedeni var. Flettner'ın kendisi de denizciliğe olan ilgisini kaybetti ve 1920'lerdeki Büyük Buhran sırasında havacılığa ilgi duymaya başladı.

Rotor kurulumlu gemilerin yeniden canlandırılması

Flettner'ın döner gemisinin devamı, Jacques-Yves Cousteau'nun turbo yelkenidir. Ünlü kaşif ve çevre dostu ulaşım araçları için bir savaşçı, Nisan 1885'te Magnus etkisinin kullanıldığı patentli turbo yelkenlerle donatılmış Alcyone gemisini denize indirdi. Bu gemi bugün hala yoluna devam etmektedir.

Ne yazık ki Cousteau'nun takipçileri gemilerdeki döner tesislerle pek ilgilenmediler ve bunlara olan ilgi yeniden azaldı. Petrol krizinin başlamasıyla hatırlandılar ve 2010 yılında döner tesisatlı üçüncü bir gemi denize indirildi. Bu, Enercon'un dört Flettner rotorlu ağır 130 metrelik E-Ship 1'idir. Bugün rüzgar jeneratörlerini Almanya'dan Avrupa ülkelerine taşıyor, 9 tona kadar kargoya dayanabiliyor ve 17 deniz mili hıza ulaşıyor. Mürettebat sadece 15 kişiden oluşuyor.

Wind Again (Singapur), Wartsila (Finlandiya) ve diğer bazı gemi şirketleri döner tesislerle ilgilenmeye başladı. Petrol kıtlığı ve endişe verici derecede ısınan iklim, rüzgar enerjisinin modern gemilere geri dönmesinde rol oynayacak gibi görünüyor.

Uçak endüstrisinde uygulama

Magnus etkisinin havacılıkta kullanımı çeşitli tasarım çözümlerinde uygulandı. En basit formlarda uçuş sırasında dönen şaft şeklindeki kanatlar kullanıldı. Bu yönün kurucuları arasında, rotor üzerine kanat şeklini takip eden bir kaporta takılmasını öneren Avusturyalı mucit Karl Gligorin de vardı. Amsterdam'da E.B. benzer projeler üzerinde çalıştı. Wolf, Amerikalı John D. Gerst ve K. Popper, 1932'de şaft şeklindeki kanatlara sahip uçaklarını bile test ettiler.

1964 yılında döner şaftlara dönüştürülen Kuzey Amerika-Rockwell YOU-10A Bronco'nun işlevsel olduğu kanıtlandı. Bu Perulu bir profesör olan Alberto Alvarez-Calderon'un projesiydi. Ancak prototipin avantajlardan çok dezavantajları vardı.

Çabalara rağmen Magnus etkisi havacılıkta kök salmadı. Rotor tipi kanatların pratik kullanımı bir takım problemlerle ilişkilidir ve henüz ekonomik olarak gerekçelendirilmemiştir.

Magnus etkisi ve rüzgar türbinleri

Alternatif enerji kaynakları sektörünün gelişimi günümüzde özellikle önem taşımaktadır. Ve bu sektörde Magnus etkisi kullanıldı. Kanatlı rüzgar jeneratörlerinin yerini, 2-6 m/s gibi sık ve düşük rüzgar hızlarında en etkili olan rotor üniteleri alıyor. Silindirlerin etrafında döndüğü bir eksene dayanırlar. Aerolla tarafından üretilen bu tür ilk kurulum 2015 yılında Minsk (Beyaz Rusya) yakınlarında ortaya çıktı. Gücü 100 kW, türbin rotorunun çapı 36 metredir. 9,5 m/s'lik tasarım rüzgar hızında çalışır.

Novosibirsk Uygulamalı Mekanik Enstitüsü SB RAS'ta bu yönde çalışmalar devam ediyor ve halihazırda 2 MW'a kadar güce sahip Magnus etkisini kullanan rüzgar jeneratörlerinin prototipleri mevcut.

Pek yaygın bir kullanım değil

Topun yörüngesini değiştirmenin bu etkisi sporda yaygın olarak kullanılmaktadır: futbolda topspin şutları ve "kuru çarşaf", airsoft'ta Hop Up sistemi.

Magnus etkisi günümüzde uçak model tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin kartondan yapılmış bir uçak, elektrik motoru ve kağıt fast food kapları PeterSripol kanalı tarafından tasarlandı.

Magnus etkisi uçurtma yapımında kullanılmaktadır. Örneğin, D. Edwards veya S. Albertson tarafından tasarlanan fırıldak şeklindeki bir yılan.

Ancak “kasırga avcıları” için bu fiziksel olay çok tehlikeli olabilir. Araba ile zemin arasındaki alt kısım iyi kapatılmamışsa, kasırga rüzgarı boşluktan geçerek arabayı kolayca havaya kaldırabilecek büyük bir kaldırma kuvveti yaratabilir.

Bölüm 3 Magnus etkisi ve Lorentz kuvveti

Zhukovsky-Chaplygin kanadına benzer şekilde Magnus kuvveti, dönen silindirin yüzeyindeki ortam akışının basınç farkından dolayı ortaya çıkar. Bu etki 1852 yılında Alman bilim adamı H. G. Magnus tarafından keşfedilmiştir. İncirde. Şekil 8, ortam akışının hız vektörlerinin ve dönen silindirin yüzeyinin toplamının bir diyagramını göstermektedir.

Pirinç. 8. Dönen bir silindir için Magnus etkisi

Silindirin üst kısmında (uç görünüm), ortamın akışının hareket yönü ile dönen silindirin yüzeyi çakışır ve silindirin alt kısmında yüzeyi ortamın akışına doğru hareket eder. Dönen silindirin alt kısmındaki akış, yüzeyinin akışa doğru hareket etmesiyle yavaşladığından, Bernoulli'nin toplam kanuna göre akışın dinamik basıncı azalır ve ortamın yüzey üzerindeki statik basıncı artar. akışın basıncı. Sonuç olarak, dönen silindirin üst kısmındaki ortamın basıncı, silindirin alt kısmına göre daha az olur. Zhukovsky-Chaplygin profiline sahip bir kanadın etkisiyle olduğu gibi bir kaldırma kuvveti ortaya çıkar.

Magnus etkisi, dönen bir topun kavisli uçuş yolunu oluşturmak için kullanan futbol ve tenis oyuncuları tarafından iyi bilinmektedir. Bir "eğri vuruşu" ile top düz bir şekilde uçar ancak kendi ekseni etrafında döner. Uçuş sırasında Magnus etkisini yaratan bir hava akımı ona doğru akar ve uçuş yolu kavislidir. Böyle bir darbe sonucunda top bir viraj boyunca uçar ve beklendiği yerde yanlış yere çarpar...

Şekil 2'de gösterildiği gibi, içine birkaç dönen silindirin yerleştirildiği, hareketli bir ortamın (hava, su vb.) kapalı bir akışını oluşturduğumuzu varsayalım. 9. Her bir silindirin dönüşünün, hızı ve dönüş yönü ayarlanabilen bağımsız bir elektrikli tahrik tarafından sağlandığını varsayalım.

Pirinç. 9. Magnus etkisine dayalı itiş

Hareketli bir ortamın akışına monte edilmiş kanatlı bir tasarımın aksine, bu şemanın önemli bir avantajı vardır: eksenel kaldırma kuvvetinin büyüklüğü ve yönü, silindirlerin hızı ve dönme yönü değiştirilerek değiştirilebilir. Dolaşan akışın hızı ve yönü değiştirilemez, bu da bu aracın hız ve manevra kabiliyetinde önemli avantajlar sağlar. Bu tip tahrik ünitesi dikey veya yatay olarak kurularak çekiş kuvveti oluşturulabilir.

Lorentz kuvveti olarak bilinen elektromanyetik olay göz önüne alındığında Magnus etkisi ile ilginç bir benzetme ortaya çıkar: manyetik alanda akım taşıyan bir iletken, Şekil 2'de gösterilen yönde bir kuvvete maruz kalır. 10. Daha önce bu kuvvetin ortaya çıkmasının nedeni hakkında net bir açıklama yoktu. Magnus etkisi ile benzerlikler varsayarsak, Lorentz kuvvetini eterik ortamın basınç gradyanının bir sonucu olarak yorumlayabiliriz. Bu ilk kez 1996 yılındaki raporda gösterildi.

Pirinç. 10. Eter basınç gradyanının bir sonucu olarak Lorentz kuvveti

Ancak Şekil 2'deki şemada. Şekil 10'da, Şekil 1'de gösterilen vektörlerin üst üste binmesinin tersi olan bir resim elde ederiz. 8. Magnus kuvveti, silindir yüzeyinin ve ortamın koordineli hareketi yönünde bir ortam akışı içinde dönen bir silindire etki eder. İncirde. Şekil 10, Lorentz kuvvetinin vektörlerin zıt süperpozisyonu yönünde etki ettiğini göstermektedir. Neden?

Gerçek şu ki, Şekil 2'deki vektörler. Şekil 10, elektrik akımı vektörlerinin (pozitif yüklü parçacıkların akışı) ve manyetik alanın kabul edilen tanımlarına göre geleneksel olarak gösterilmektedir. Elektronların ve eter parçacıklarının (manyetik alan vektörleri) gerçek akışlarının hareket yönü geleneksel tanımlamalardan farklıdır. Temel olarak etki, farklı bağıl hızlar nedeniyle ortamın basınç gradyanı nedeniyle Magnus etkisine benzer şekilde yaratılır, ancak elektromanyetik sistemler hava veya su yerine eterik ortamı kullanır.

Hareket ederken manyetik alan oluşturan bir elektronun veya başka bir yüklü parçacığın dönen bir nesne olduğunu unutmamak önemlidir. Belirli bir madde parçacığının elektrik yükünün işaretine bağlı olarak doğrusal hareketini sarmal bir çizgi, sağ veya sol spiral olarak düşünmek daha doğru olacaktır.

Elektronun yapısı hakkında çok şey yazıldı ama okuyucuya baba ve oğul Polyakov'un çalışmalarını tavsiye etmek istiyorum. Bu yazarlar “Deneysel Gravitonik” kitaplarında elektronun yapısını incelediler ve onun kendi üzerine kapalı dairesel polarizasyonlu bir foton olarak, yani dairesel polarizasyonlu bir elektromanyetik dalganın dinamik bir hareket süreci olarak temsil edilebileceğini gösterdiler. kapalı toroidal uzay. Daha sonra bu konuyu daha ayrıntılı olarak ele alacağız. Burada, bu değerlendirmeyle birlikte, yüklü bir parçacık eter içinde hareket ettiğinde manyetik alanın ortaya çıkmasının, belirli bir ortamda dönen bir silindir veya top hareket ettiğinde meydana gelen fiziksel çevredeki bozulma ile açık bir benzeşime sahip olduğunu kısaca belirtmek isteriz.

Elektrik yüklü bir parçacığın kendi manyetik alanıyla hareket ettiği dış manyetik alanın etkileşiminin, hava akışının dönen bir topu saptırdığı gibi parçacığı saptırdığını söyleyebiliriz: İçinde hareket eden bir madde parçacığı üzerinde ortamın basınç gradyanının yaratılması nedeniyle.

Bu durumda Lorentz kuvvetleri ve Amper kuvvetleri, etki ettikleri akım taşıyan iletkenlere göre dış kuvvetlerdir, yani uzayda hareketlerini sağlayabilirler.

Aerodinamik ve eterdinamik arasındaki bu ilginç analojiler birçok yapıcı fikir sağlar.