Турбопарус - це судновий рушій роторного типу, який створює тягу з вітру завдяки фізичному явищу, відомому як ефект Магнуса.

Турбопарус діє на основі фізичного процесу, що виникає при обтіканні циліндричного або круглого тіла, що обертається потоком рідини або газу і відомого як ефект Магнуса. Явище отримало свою назву від прізвища прусського вченого Генріха Магнуса, який описав його у 1853 році.

Уявімо кулю або циліндр, які обертаються в потоці газу, що омиває їх, або рідини. При цьому циліндричне тіло повинне обертатися вздовж своєї поздовжньої осі. Під час цього процесу виникає сила, вектор якої перпендикулярний напряму потоку. Чому це відбувається? На тій стороні тіла, де напрямок обертання та вектор руху потоку збігаються, швидкість повітряного або рідкого середовища підвищується, а тиск, відповідно до закону Бернуллі, знижується. На протилежному боці тіла, де вектори обертання та потоку різноспрямовані, швидкість руху середовища зменшується, як би гальмується, а тиск наростає. Різниця тисків, що виникає на протилежних сторонах обертового тіла, і породжує поперечну силу. В аеродинаміці вона відома як підйомна сила, що утримує в польоті апарати важчі за повітря. У випадку ж з роторними вітрилами, це сила з вектором, перпендикулярним напряму впливу вітру на вертикально встановлений на палубі і обертається вздовж поздовжньої осі ротор-парус.

Паруси, що обертаються, Флеттнера

Описане фізичне явище використав німецький інженер Антон Флеттнер під час створення нового типу суднового двигуна. Його роторний вітрило мав вигляд циліндричних вітросилових веж, що обертаються. 1922 р. винахідник отримав патент на свій пристрій, і 1924 р. перший в історії роторний корабель – переобладнана шхуна «Букау» зійшов зі стапелів.
Турбопаруса «Букау» рухалися від електродвигунів. З того боку, де поверхня ротора оберталася назустріч вітру, відповідно до ефекту Магнуса, створювалася область підвищеного тиску, а з протилежного боку – зниженого. Внаслідок цього виникала тяга, яка й рухала судно за умови наявності бічного вітру. Зверху на ротори-циліндри Флеттнер поставив плоскі тарілки для кращої орієнтації повітряних потоків навколо циліндра. Це дозволило вдвічі збільшити рушійну силу. Порожнистий металевий циліндр-ротор, що обертається, використовує ефект Магнуса для створення бічної тяги, згодом був названий на честь свого творця.

На випробуваннях турбопарусу Флеттнер показали себе чудово. На відміну від звичайного вітрильника, сильний бічний вітер лише покращував ходові якості експериментального судна. Два циліндричні ротори дозволяли краще збалансувати судно. При цьому, змінивши напрямок обертання роторів, можна було змінити рух судна вперед чи назад. Зрозуміло, найвигіднішим напрямом вітру до створення тяги було суворо перпендикулярне до поздовжньої осі судна.

Турбопарус від Кусто

Вітрильники будувалися у XX столітті, будуються й у ХХІ. Сучасні вітрила виготовляються з більш легких та міцних синтетичних матеріалів, а вітрильне озброєння швидко згортають електромотори, звільняючи людину від фізичної роботи.

Однак ідея принципово нової системи, яка використовує для створення тяги судна енергію вітру, витала у повітрі. Її підхопив французький дослідник та винахідник Жак-Ів Кусто. Йому як океанографу дуже імпонувало використання як тяга вітру – безкоштовного, відновлюваного та абсолютно екологічно чистого джерела енергії. На початку 1980-х він розпочав роботу над створенням таких рушіїв для сучасного судна. За основу він взяв турбопарус Флеттнера, але значно модернізував систему, ускладнивши, але, водночас, підвищивши її ефективність.

Чим відрізняється турбопарус Кусто від рушіїв Флеттнера? Конструкція Кусто являє собою вертикально встановлену порожнисту металеву трубу, що має аеродинамічний профіль і чинна за тим же принципом, що крило літака. У поперечному перерізі труба має краплеподібну або яйцеподібну форму. З боків її розташовані решітки повітря, через які за допомогою системи насосів нагнітається повітря. А далі в гру вступає ефект Магнуса. Завихрення повітря створюють усередині та зовні вітрила різницю тисків. В одного боку труби створюється розрідження, з іншого – ущільнення. В результаті виникає поперечна сила, яка змушує судно рухатися. По суті турбопарус - це встановлене вертикально аеродинамічне крило: з одного боку повітря протікає повільніше, ніж з іншого, створюючи різницю тисків і поперечну тягу. За аналогічним принципом створюється підйомна сила літаком. Турбопарус забезпечений автоматичними датчиками та змонтований на поворотній платформі, яка керується комп'ютером. Розумна машина має ротор з урахуванням вітру і задає тиск повітря в системі.

Вперше Кусто випробував прототип свого турбопарусу в 1981 році на катамарані Moulin à Vent в ході плавання через Атлантичний океан. Під час подорожі катамаран для безпеки супроводжував більший корабель експедиції. Експериментальний турбопарус давав тягу, але менше, ніж традиційні вітрила та мотори. Крім того, до кінця подорожі зварювальні шви внаслідок втоми металу лопнули під натиском вітру і конструкція впала у воду. Тим не менш, сама ідея підтвердилася, і Кусто з колегами зосередилися на розробці більшого роторного судна - Алсіон. Воно було спущено на воду в 1985 р. Турбопаруси на ній є доповненням до агрегації з двох дизелів та кількох гвинтів і дозволяють на третину заощаджувати витрати пального. Навіть через 20 років після смерті свого творця, Алсіон все ще на ходу і залишається флагманом флотилії Кусто.

Турбопарус проти крил з парусини

Навіть у порівнянні з кращими сучасними вітрилами, турбопарус-ротор забезпечує вчетверо більший коефіцієнт тяги. На відміну від вітрильника, сильний бічний вітер не тільки не страшний для роторного судна, але найвигідніший для його ходу. Воно непогано рухається навіть при зустрічному вітрі під кутом 250. Разом з тим, судно на традиційних вітрилах найбільше любить попутний вітер.

Висновки та перспективи

Наразі точні аналоги вітрил Флеттнера встановлені як допоміжні рушії на німецькому вантажному судні «E-Ship-1». А також їхня вдосконалена модель використовується на яхті «Алсіон», що належить фонду Жака-Іва Кусто.
Таким чином, в даний час існує два типи рушіїв системи турбопарусів. Звичайне роторне вітрило, винайдений Флеттнером на початку XX ст., та його модернізована версія від Жака-Іва Кусто. У першій моделі результуюча сила виникає зовні циліндрів, що обертаються; у другому складнішому варіанті електронасоси створюють різницю тиску повітря всередині порожнистої труби.

Перший турбопарус здатний давати хід судну лише за бічному вітрі. Саме з цієї причини турбопарус Флеттнер не набув поширення у світовому суднобудуванні. Конструктивна особливістьтурбопарус від Кусто дозволяє отримати рушійну силу незалежно від напрямку вітру. Обладнане такими рушіями судно може пливти навіть проти вітру, що є незаперечною перевагою як над звичайними вітрилами, так і над роторними. Але, незважаючи на ці переваги, система Кусто також не введена у виробництво.

Не можна сказати, що в наші дні не роблять спроби втілити в життя ідею Флеттнера. Є низка аматорських проектів. У 2010 році було побудовано третє в історії після «Букау» та «Алсіон» судно з роторними вітрилами – 130-метрову німецьку вантажівку класу Ro-Lo. Двигуна система судна представлена ​​двома парами роторів, що обертаються, і зчіпкою з дизелів на випадок штилю і для створення додаткової тяги. Роторні вітрила відіграють роль допоміжних двигунів: для судна водотоннажністю 10,5 тисячі тонн чотирьох вітросилових веж на палубі недостатньо. Проте ці пристрої дозволяють заощадити до 40% палива на кожному рейсі.
А ось система Кусто несправедливо забута, хоча економічна доцільність проекту була доведена. На сьогоднішній день "Алсіон" - єдиний повноцінний корабель з таким типом рушія. Видається незрозумілим, чому система не використовується в комерційних цілях, зокрема на вантажних суднах, адже вона дозволяє заощаджувати до 30% дизельного пального, тобто. гроші.

П. МАНТАШ'ЯН.

Продовжуємо публікувати журнальний варіант статті П. М. Манташьяна "Вихори: від молекули до Галактики" (див. "Наука і життя №"). мова піде про смерчі і торнадо - природні утворення величезної руйнівної сили, механізм виникнення яких досі не цілком зрозумілий.

Наука та життя // Ілюстрації

Наука та життя // Ілюстрації

Малюнок із книги американського фізика Бенжаміна Франкліна, що пояснює механізм виникнення смерчів.

Марсохід Spirit виявив, що в розрідженій атмосфері Марса виникають смерчі, і зняв їх. Знімок із сайту НАСА.

Гігантські смерчі та торнадо, що виникають на рівнинах півдня США та Китаю, - явище грізне та дуже небезпечне.

Наука та життя // Ілюстрації

Смерч може досягати кілометра заввишки, упираючись вершиною в грозову хмару.

Смерч на морі піднімає і втягує десятки тонн води разом з морською живністю і може розламати і потопити невелике судно. В епоху вітрильних кораблів смерч намагалися зруйнувати, стріляючи по ньому з гармат.

На знімку добре видно, що смерч обертається, закручуючи спіраллю повітря, пил та дощову воду.

Місто Канзас-сіті, перетворене на руїни потужним торнадо.

Сили, що діють на тайфун у потоці пасатного вітру.

Закон Ампера.

Сили Коріоліса на плеєрі.

Ефект Магнуса на столі та в повітрі.

Вихровий рух повітря спостерігається не лише у тайфунів. Існують вихори розмірами, що перевищують тайфун, - це циклони та антициклони, найбільші повітряні вихори на планеті. Їх розміри значно перевищують розміри тайфунів і можуть сягати понад тисячу кілометрів у діаметрі. У певному сенсі це вихори-антиподи: вони практично все навпаки. Циклони Північної та Південної півкуль обертаються в той же бік, що й тайфуни цих півкуль, а антициклони – у протилежну. Циклон приносить із собою негоду, що супроводжується опадами, антициклон ж, навпаки, приносить ясну, сонячну погоду. Схема утворення циклону досить проста - все починається із взаємодії холодного та теплого атмосферних фронтів. При цьому частина теплого атмосферного фронту проникає всередину холодної у вигляді своєрідної атмосферної «мови», внаслідок чого тепле повітря, легше, починає підніматися, і при цьому відбуваються два процеси. По-перше, молекули пар води під впливом магнітного поля Землі починають обертатися і залучають у обертальний рух все повітря, що піднімається, утворюючи гігантський повітряний вир (див. «Наука і життя» № ). По-друге, нагорі тепле повітря охолоджується, і пари води в ньому конденсуються в хмари, які випадають опадами у вигляді дощу, граду чи снігу. Такий циклон може зіпсувати погоду на строк від кількох днів до двох-трьох тижнів. Його «життєдіяльність» підтримується рахунок надходження нових порцій вологого теплого повітря та взаємодії його з холодним повітряним фронтом.

Антициклони пов'язані з опусканням повітряних мас, які при цьому адіабатично, тобто без теплообміну з навколишнім середовищем, нагріваються, їх відносна вологість падає, що і призводить до випаровування хмар. При цьому за рахунок взаємодії молекул води з магнітним полем Землі відбувається антициклонічне обертання повітря: у Північній півкулі – за годинниковою стрілкою, у Південній – проти. Антициклони приносять із собою стійку погоду на період від кількох днів до двох-трьох тижнів.

Мабуть, механізми утворення циклонів, антициклонів і тайфунів ідентичні, а питома енергоємність (енергія одиниці маси) тайфунів набагато більша, ніж циклонів та антициклонів, лише за рахунок більше високої температуриповітряних мас, нагрітих сонячним промінням.

СМЕРЧІ

З усіх вихорів, що утворюються в природі, найбільш загадкові смерчі, по суті, частина грозової хмари. Спочатку, на першій стадії виникнення смерчу, обертання видно лише у нижній частині грозової хмари. Потім частина цієї хмари відвисає донизу у вигляді гігантської лійки, яка все більше подовжується і нарешті досягає поверхні землі чи води. Виникає ніби гігантський хобот, що звисає з хмари, що складається з внутрішньої порожнини та стінок. Висота смерчу становить від сотень метрів до кілометра і, як правило, дорівнює відстані від нижньої частини хмари до землі. Характерна особливість внутрішньої порожнини - знижений тиск повітря, що знаходиться в ній. Така особливість смерчу призводить до того, що порожнина смерчу служить своєрідним насосом, який може втягнути в себе величезну кількість води з моря або озера, причому разом із тваринами та рослинами, перенести їх на значні відстані та скинути вниз разом із дощем. Смерч здатний переносити і досить великі вантажі - автомобілі, вози, малотоннажні судна, невеликі будівлі, причому іноді навіть з людьми, що в них знаходяться. Смерч має величезну руйнівну силу. При зіткненні з будовами, мостами, лініями електропередач та іншими об'єктами інфраструктури він завдає їм величезних руйнувань.

Смерчі мають максимальну питому енергоємність, яка пропорційна квадрату швидкості повітряних потоків вихору. За метеорологічною класифікацією при швидкості вітру в замкнутому вихорі, що не перевищує 17 м/с, він називається тропічною депресією, якщо швидкість вітру не перевищує 33 м/с, то це тропічний шторм, і якщо швидкість вітру становить від 34 м/с і вище , то це вже тайфун. У потужних тайфунах швидкість вітру може перевищувати 60 м/с. У смерчі, за даними різних авторів, швидкість повітря може досягати від 100 до 200 м/с (деякі автори вказують на надзвукову швидкість повітря в смерчі - понад 340 м/с). Прямі вимірювання швидкості повітряних потоків у смерчах при реальному рівні розвитку техніки практично неможливі. Всі прилади, призначені для фіксації параметрів смерчу, безжально їм ламаються при першому зіткненні. Про швидкість потоків у смерчах судять за непрямими ознаками, головним чином за тими руйнуваннями, які вони виробляють, або вагою вантажів, які вони переносять. Крім того, відмінна рисакласичного смерчу - наявність розвиненої грозової хмари, своєрідного електричного акумулятора, що підвищує питому енергоємність смерчу. Щоб розібратися в механізмі виникнення та розвитку смерчу, розглянемо спочатку пристрій грозової хмари.

ГРОЗОВА Хмара

У типовій грозовій хмарі вершина заряджена позитивно, а основа несе негативний заряд. Тобто в повітрі підтримується висхідними потоками ширяє гігантський електричний конденсатор багатокілометрових розмірів. Наявність такого конденсатора призводить до того, що на поверхні землі або води, над якими знаходиться хмара, з'являється його електричний слід - наведений електричний заряд, що має знак, протилежний знаку заряду хмари, тобто земна поверхня буде заряджена позитивно.

До речі, досвід створення наведеного електричного заряду можна провести вдома. Насипте на поверхню столу дрібні папірці, розчешіть пластмасовою гребінцем сухе волосся і наблизьте гребінець до насипаних папірців. Всі вони, відірвавшись від столу, попрямують до гребінця і прилипнуть до неї. Результат цього простого досвіду пояснюється дуже просто. гребінець отримала електричний заряд в результаті тертя про волосся, а на папірці він наводить заряд протилежного знака, який притягує папірці до гребінця в повній відповідності до закону Кулона.

Біля основи розвиненої грозової хмари існує потужний висхідний потік повітря, насиченого вологою. Крім дипольних молекул води, які в магнітному полі Землі починають обертатися, передаючи імпульс нейтральним молекулам повітря, залучаючи їх у обертання, у висхідному потоці є позитивні іони та вільні електрони. Вони можуть утворюватися внаслідок впливу на молекули сонячного випромінювання, природного радіоактивного фону місцевості та, у разі грозової хмари, за рахунок енергії електричного поля між основою грозової хмари та землею (згадаймо про наведений електричний заряд!). До речі, рахунок наведеного позитивного заряду лежить на поверхні землі число позитивних іонів у потоці висхідного повітря значно перевищує кількість іонів негативних. Всі ці заряджені частинки під дією висхідного потоку повітря спрямовуються до основи грозової хмари. Однак вертикальні швидкості позитивних і негативних частинок електричному полі різні. Напруженість поля можна оцінити по різниці потенціалів між основою хмари і поверхнею землі - за вимірами дослідників, вона становить кілька десятків мільйонів вольт, що при висоті основи грозової хмари в один - два кілометри дає напруженість електричного поля в десятки тисяч вольт на метр. Це поле прискорюватиме позитивні іони та гальмуватиме негативні іони та електрони. Тому в одиницю часу через поперечний переріз висхідного потоку позитивних зарядів пройде більше, ніж негативних. Іншими словами, між земною поверхнею та основою хмари виникне електричний струм, хоча правильніше було б говорити про величезну кількість елементарних струмів, що з'єднують земну поверхню з основою хмари. Всі ці струми паралельні та течуть в одному напрямку.

Зрозуміло, що вони за законом Ампера взаємодіятимуть між собою, а саме притягуватимуться. З курсу фізики відомо, що сила взаємного тяжіння одиниці довжини двох провідників з електричними струмами, поточними в одному напрямку, прямо пропорційна добутку сил цих струмів і обернено пропорційна відстані між провідниками.

Тяжіння двох електричних провідників обумовлено силами Лоренца. Електрони, що рухаються всередині кожного провідника, знаходяться під дією магнітного поля, яке створюється електричним струмом у сусідньому провіднику. На них діє сила Лоренца, спрямована прямою, що з'єднує центри провідників. Але для виникнення сили взаємного тяжіння наявність провідників абсолютно необов'язково - досить струмів. Наприклад, дві частинки, що покоїться, мають однаковий електричний заряд, відштовхуються одна від одної згідно із законом Кулона, але ці ж частинки, що рухаються в одному напрямку, притягуються, причому до тих пір, поки сили тяжіння і відштовхування не врівноважують один одного. Неважко бачити, що відстань між частинками в положенні рівноваги залежить лише від їхньої швидкості.

Через взаємне тяжіння електричних струмів заряджені частинки прямують до центру грозової хмари, по дорозі взаємодіючи з електрично нейтральними молекулами і також переміщуючи їх до центру грозової хмари. Площа поперечного перерізу висхідного потоку зменшиться наскільки разів, а оскільки потік обертається, то за законом збереження моменту кількості руху його кутова швидкість зросте. З висхідним потоком станеться те саме, що з фігуристкою, яка, обертаючись на льоду з розставленими руками, притискає їх до тіла, через що швидкість її обертання різко збільшується (хрестоматійний приклад із підручників фізики, який ми можемо спостерігати по телевізору!). Таке різке збільшення швидкості обертання повітря у смерчі з одночасним зменшенням його діаметра призведе відповідно до збільшення лінійної швидкості вітру, яка, як згадувалося, може навіть перевищити швидкість звуку.

Саме наявність грозової хмари, електричне поле якої поділяє заряджені частинки за знаком, призводить до того, що швидкості повітряних потоків у смерчі перевищують швидкості повітряних потоків у тайфуні. Образно кажучи, грозова хмара служить свого роду «електричною лінзою», у фокусі якої концентрується енергія висхідного потоку вологого повітря, що призводить до виникнення смерчу.

МАЛІ Віхорі

Існують також і вихори, механізм утворення яких ніяк не пов'язаний з обертанням дипольної молекули води в магнітному полі. Найбільш поширені серед них - курні вихори. Вони утворюються в пустельних, степових та гірських місцевостях. За своїми розмірами вони поступаються класичним смерчам, їхня висота становить близько 100-150 метрів, а діаметр - кілька метрів. Для утворення запорошених вихорів необхідною умовою є пустельна, добре нагріта рівнина. Утворившись, такий вихор існує досить недовго, 10-20 хвилин, весь час переміщаючись під впливом вітру. Незважаючи на те, що повітря пустель практично не містить вологи, обертальний рух його забезпечується взаємодією елементарних зарядів з магнітним полем Землі. Над рівниною, сильно прогрітою сонцем, виникає потужний висхідний потік повітря, частина молекул якого під впливом сонячного випромінювання і особливо його ультрафіолетової частини іонізується. Фотони сонячного випромінювання вибивають із зовнішніх електронних оболонок атомів повітря електрони, утворюючи у своїй пари позитивних іонів та вільних електронів. Внаслідок того, що електрони і позитивні іони мають суттєво різні маси при рівних за величиною зарядах, їх внесок у створення моменту кількості руху вихору різний і напрямок обертання пильного вихору визначається напрямом обертання позитивних іонів. Такий стовп сухого повітря, що обертається, при своєму русі піднімає з поверхні пустелі пил, пісок і дрібні камінчики, які самі по собі не відіграють ніякої ролі в механізмі формування пильного вихору, але служать своєрідним індикатором обертання повітря.

У літературі описано ще й повітряні вихори, досить рідкісне природне явище. Вони виникають у спеку дня на берегах річок чи озер. Час життя таких вихорів невеликий, вони з'являються зненацька і так само раптово зникають. Очевидно, внесок у створення вносять як молекули води, і іони, що утворюються в теплому і вологому повітрі рахунок сонячного випромінювання.

Набагато небезпечніші водяні вихори, механізм утворення яких аналогічний. Зберігся опис: «У липні 1949 року в штаті Вашингтон у теплий сонячний день при безхмарному небі на поверхні озера виник високий стовп із водяних бризок. Він існував лише кілька хвилин, але мав значну підйомну силу. Насунувшись на берег річки, він підняв досить важкий моторний бот завдовжки близько чотирьох метрів, переніс його на кілька десятків метрів і, вдаривши об землю, розбив на шматки. Водяні вихори найбільш поширені там, де поверхня води сильно нагрівається сонцем, - у тропічних та субтропічних зонах».

Закручування потоків повітря може відбуватися за великих пожеж. У літературі описані такі випадки, наведемо один із них. «Ще 1840 року в США розчищали ліс під поля. На великій галявині було звалено величезну кількість хмизу, гілок та дерев. Їх підпалили. Через деякий час полум'я окремих вогнищ стягнулося разом, утворивши вогняну колону, внизу широку, що загострилася вгорі, висотою 50 - 60 метрів. Ще вище вогонь змінювався димом, що йшов високо в небо. Вогненно-димовий вихор обертався з вражаючою швидкістю. Величне і жахливе видовище супроводжувалося гучним шумом, що нагадував гуркіт грому. Сила вихору була настільки велика, що він піднімав у повітря і відкидав убік великі дерева».

Розглянемо процес утворення вогняного смерчу. При горінні деревини виділяється тепло, яке частково переходить у кінетичну енергію висхідного потоку нагрітого повітря. Однак при горінні відбувається ще один процес - іонізація повітря та продуктів згоряння

палива. І хоча загалом нагріте повітря та продукти згоряння палива електрично нейтральні, у полум'ї утворюються позитивно заряджені іони та вільні електрони. Рух іонізованого повітря на магнітному полі Землі неминуче призведе до утворення вогняного смерчу.

Хочеться відзначити, що вихровий рух повітря виникає не тільки за великих пожеж. У своїй книзі «Смерчі» Д. В. Наливкін ставить запитання: «Ми вже не раз говорили про загадки, пов'язані з маломірними вихорами, намагалися зрозуміти, чому всі вихори крутяться? Виникають інші питання. Чому, коли горить солома, нагріте повітря піднімається не прямою лінією, а спіраллю і починає кружляти. Так само поводиться в пустелі гаряче повітря. Чому він не йде просто вгору без усякого пилу? Те саме відбувається з водяним пилом та бризками, коли гаряче повітря проноситься над поверхнею води».

Існують вихори, які у процесі виверження вулканів, їх, наприклад, спостерігали над Везувієм. У літературі вони отримали назву попелових вихорів - у вихровому русі беруть участь хмари попелу, що вивергаються вулканом. Механізм утворення таких вихорів загалом аналогічний механізму утворення вогненних смерчів.

Подивимося тепер, які сили діють на тайфуни у неспокійній атмосфері нашої Землі.

СИЛА КОРІОЛІСУ

На тіло, що рухається в системі, що обертається, відліку, наприклад, на поверхні обертового диска або кулі, діє інерційна сила, звана силою Коріоліса. Ця сила визначається векторним твором (нумерація формул починається у першій частині статті)

F K =2M[ VΩ], (20)

де М- маса тіла; V – вектор швидкості тіла; Ω - Вектор кутової швидкості обертання системи відліку, у разі земної кулі- Кутова швидкість обертання Землі, а [VΩ] - їхній векторний твір, який у скалярному вигляді виглядає так:

F л = 2M | V | | Ω | sin α де α - кут між векторами.

Швидкість тіла, що рухається на поверхні земної кулі, можна розкласти на дві складові. Одна з них лежить у площині, що стосується кулі в точці знаходження тіла, іншими словами - горизонтальна складова швидкості: друга, вертикальна складова перпендикулярна цій площині. Сила Коріоліса, що діє на тіло, пропорційна синусу географічної широти його місцезнаходження. На тіло, що рухається меридіаном у будь-якому напрямку в Північній півкулі, діє сила Коріоліса, спрямована вправо по руху. Саме ця сила змушує підмивати праві береги річок Північної півкулі, незалежно від того, північ чи південь вони течуть. У Південній півкулі ця ж сила спрямована вліво рухом і річки, що пливуть у меридіональному напрямку, підмивають ліві береги. У географії це явище називається законом Бера. Коли русло річки не збігається з меридіональним напрямом, сила Коріоліса буде меншою на величину косинуса кута між напрямком течії річки та меридіаном.

Практично у всіх дослідженнях, присвячених питанням освіти тайфунів, смерчів, циклонів та всіляких вихорів, а також їх подальшому переміщенню, вказується на те, що саме сила Коріоліса є першопричиною їх виникнення і саме вона задає траєкторію їх пересування поверхнею Землі. Однак якби сила Коріоліса брала участь у створенні смерчів, тайфунів і циклонів, то у Північній півкулі вони мали б праве обертання – за годинниковою стрілкою, а в Південній – ліве, тобто проти. Але тайфуни, смерчі та циклони Північної півкулі обертаються вліво, проти годинникової стрілки, а Південної півкулі – вправо, за годинниковою стрілкою. Це абсолютно не відповідає напряму впливу сили Коріоліса, більше того – прямо їй протилежно. Як уже говорилося, величина сили Коріоліса пропорційна синусу географічної широти і, отже, максимальна на полюсах і відсутня на екваторі. Отже, якби вона вносила внесок у створення вихорів різних масштабів, то найчастіше вони з'являлися в полярних широтах, що цілком суперечить наявним даним.

Таким чином, наведений аналіз переконливо доводить, що сила Коріоліса не має жодного відношення до процесу формування тайфунів, смерчів, циклонів та всіляких вихорів, механізми утворення яких розглянуті у попередніх розділах.

Вважається, що саме сила Коріоліса визначає їх траєкторії, тим більше, що в Північній півкулі тайфуни, як метеорологічні утворення, при своєму русі відхиляються саме вправо, а в Південному - саме вліво, що відповідає напрямку дії сили Коріоліса в цих півкулях. Здавалося б, причину відхилення траєкторій тайфунів знайдено - це сила Коріоліса, але не поспішатимемо з висновками. Як говорилося вище, під час руху тайфуну поверхнею Землі нею, як у єдиний об'єкт, діятиме сила Коріоліса, рівна:

F до = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

де θ – географічна широта тайфуну; α - кут між вектором швидкості тайфуну, як єдиного цілого, та меридіаном.

Для з'ясування справжньої причинивідхилення траєкторій тайфунів спробуємо визначити величину сили Коріоліса, що діє на тайфун, і порівняти її з іншою, як ми зараз переконаємося, більш реальною силою.

СИЛА МАГНУСУ

На тайфун, що переміщається пасатом, діятиме сила, яку в даному контексті, наскільки це відомо автору, досі не розглядав жоден дослідник. Це сила взаємодії тайфуну як єдиного об'єкта з повітряним потоком, який переміщає цей тайфун. Якщо подивитися на малюнок із зображенням траєкторій тайфунів, стане видно, що вони рухаються зі сходу на захід під дією тропічних вітрів, що постійно дмуть, пасатів, які утворюються внаслідок обертання земної кулі. При цьому пасат не лише переносить тайфун зі сходу на захід. Найголовніше - на тайфун, що у пасаті, діє сила, обумовлена ​​взаємодією повітряних потоків самого тайфуну з повітряним потоком пасату.

Ефект виникнення поперечної сили, що діє на тіло, що обертається в потоці рідини або газу, що набігає на нього, був відкритий німецьким ученим Г. Магнусом в 1852 році. Він проявляється в тому, що якщо круговий циліндр, що обертається, обтікає безвихровий (ламінарний) потік, перпендикулярний його осі, то в тій частині циліндра, де лінійна швидкість його поверхні протилежна швидкості набігаючого потоку, виникає область підвищеного тиску. А на протилежному боці, там, де напрямок лінійної швидкості поверхні збігається зі швидкістю потоку, що набігає, - область зниженого тиску. Різниця тисків на протилежних сторонах циліндра призводить до виникнення сили Магнуса.

Винахідники робили спроби використати силу Магнуса. Було спроектовано, запатентовано і побудовано корабель, на якому замість вітрил встановили вертикальні циліндри, що обертаються двигунами. Ефективність таких обертових циліндричних «парусів» у деяких випадках навіть перевершувала ефективність звичайних вітрил. Ефект Магнуса використовують також футболісти, які знають, що якщо при ударі по м'ячу надати йому обертального руху, то траєкторія його польоту стане криволінійною. Таким ударом, який називається "сухий лист", можна послати м'яч у ворота противника практично з кута футбольного поля, що знаходиться на одній лінії з воротами. М'яч при ударі закручують і волейболісти, тенісисти та гравці в пінг-понг. У всіх випадках рух закрученого м'яча складною траєкторією створює чимало проблем противнику.

Однак повернемося до тайфуну, що переміщується пасатом.

Пасати, стійкі повітряні течії (дують постійно більше десяти місяців на рік) у тропічних широтах океанів, охоплюють у Північній півкулі 11 відсотків їхньої площі, а Південному - до 20 відсотків. Основний напрямок пасатів - зі сходу на захід, проте на висоті 1-2 кілометри їх доповнюють вітри меридіонального спрямування, що дмуть до екватора. В результаті в Північній півкулі пасати рухаються на південний захід, а в Південній

На північний захід. Пасати стали відомі європейцям після першої експедиції Колумба (1492-1493), коли її учасники були вражені стійкістю сильних північно-східних вітрів, які каравели від берегів Іспанії через тропічні райони Атлантики.

Гігантську масу тайфуну можна розглядати як циліндр, що обертається повітряному потоці пасату. Як уже говорилося, у Південній півкулі вони обертаються за годинниковою стрілкою, а в Північній – проти. Тому рахунок взаємодії з потужним потоком пасатного вітру тайфуни й у Північному і Південному півкулі відхиляються убік від екватора - північ і південь відповідно. Цей характер їхнього руху добре підтверджують спостереження метеорологів.

(Закінчення слідує.)

ЗАКОН АМПЕРУ

У 1920 році французький фізик Анре Марі Ампер експериментально виявив нове явище – взаємодію двох провідників зі струмом. Виявилося, що два паралельні провідники притягуються або відштовхуються залежно від напрямку струму в них. Провідники прагнуть зблизитися, якщо струми течуть в одному напрямку (паралельні), і відійти один від одного, якщо струми течуть у протилежних напрямках (антипаралельні). Ампер зумів правильно пояснити це явище: відбувається взаємодія магнітних полів струмів, що визначається за «правилом буравчика». Якщо буравчик вкручувати в напрямку струму I, рух його рукоятки вкаже напрямок силових ліній магнітного поля H.

Дві заряджені частинки, що летять паралельно, також утворюють електричний струм. Тому їх траєкторії сходитимуться або розходитимуться залежно від знака заряду частинок та напряму їхнього руху.

Взаємодія провідників доводиться враховувати при конструюванні сильноточних електричних котушок (соленоїдів) - паралельні струми, що течуть їх витків, створюють великі сили, що стискають котушку. Відомі випадки, коли громовідвід, зроблений з трубки, після удару блискавки перетворювався на циліндрик: його стискають магнітні поля струму розряду блискавки силою сотні кілоампер.

За підсумками закону Ампера встановлено стандарт одиниці сили струму в СІ - ампер (А). Державний стандарт "Одиниці фізичних величин" дає визначення:

«Ампер дорівнює силі струму, який при проходженні двома паралельними прямолінійними провідниками нескінченної довжини і мізерно малої площі перерізу, розташованими у вакуумі на відстані 1 м один від одного, викликав би на ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії, рівну 2 . 10 -7 Н».

Подробиці для допитливих

СИЛИ МАГНУСУ І КОРІОЛІСУ

Порівняємо дію сил Магнуса і Коріоліса на тайфун, представивши його в першому наближенні у вигляді повітряного циліндра, що обертається, обтічного пассатом. На такий циліндр діє сила Магнуса, що дорівнює:

F м = DρHV n V m / 2, (22)

де D – діаметр тайфуну; ρ - густина повітря пасату; H-його висота; V n > - швидкість повітря пасаті; V т - лінійна швидкість повітря у тайфуні. Шляхом нескладних перетворень отримаємо

Fм = R 2 HρωV n - (23)

де R – радіус тайфуну; ω – кутова швидкість обертання тайфуну.

Приймаючи у першому наближенні, що щільність повітря пасату дорівнює щільності повітря у тайфуні, отримаємо

М т = R 2 Hρ - (24)

де M т – маса тайфуну.

Тоді (19) можна записати у вигляді

F м = M т ωV п - (25)

або F м = M т V п V т / R. (26)

Розділивши вираз для сили Магнуса на вираз (17) для сили Коріоліса, отримаємо

F м /F до = M т V п V т /2RМV п Ω sinθ cosα (27)

або F м /F до = V т /2RΩ sinθ cosα (28)

Зважаючи на те, що згідно з міжнародною класифікацією тайфуном вважається тропічний циклон, швидкість вітру в якому перевищує 34 м/с, приймемо в розрахунках цю найменшу цифру. Оскільки географічна широта, максимально сприятлива для утворення тайфунів, становить 16 про, приймемо θ = 16 про, оскільки відразу ж після утворення тайфуни рухаються практично по широтних траєкторіях, приймемо α = 80 о. Радіус тайфуну середніх розмірів приймемо 150 кілометрів. Підставивши всі дані у формулу, отримаємо

F м / F до = 205. (29)

Іншими словами, сила Магнуса перевищує силу Коріоліса двісті разів! Таким чином, ясно, що сила Коріоліса не має відношення не лише до процесу створення тайфуну, але й до зміни його траєкторії.

На тайфун, що знаходиться в пасаті, діятимуть дві сили - вищезгадана сила Магнуса та сила аеродинамічного тиску пасату на тайфун, яку можна знайти із простого рівняння

F д = KRHρV 2 п, - (30)

де К - коефіцієнт аеродинамічного опору тайфуну.

Неважко бачити, що рух тайфуну буде обумовлено дією результуючої сили, що є сумою сил Магнуса та аеродинамічного тиску, яка діятиме під кутом р до напрямку руху повітря в пасаті. Тангенс цього кута знайдеться з рівняння

tgβ = F m /F д. (31)

Підставивши в (31) вирази (26) і (30), після нескладних перетворень отримаємо

tgβ = V т /КV п, (32)

Зрозуміло, що результуюча сила F р, що діє на тайфун, буде дотичною до його траєкторії, і якщо відомі напрям і швидкість вітру, то можна буде з достатньою точністю обчислити цю силу для конкретного тайфуну, визначивши, таким чином, його подальшу траєкторію, що дозволить мінімізувати шкоду, яку він завдає. Траєкторія тайфуну може бути спрогнозована покроковим методом, при цьому ймовірний напрямок результуючої сили повинен обчислюватися в кожній точці траєкторії.

У векторному вигляді вираз (25) виглядає так:

Fм = M [ωV п ]. (33)

Неважко бачити, що формула, що описує силу Магнуса, структурно ідентична формулою сили Лоренца:

Fл = q .

Порівнюючи та аналізуючи ці формули, зауважуємо, що структурна подібність формул досить глибоко. Так, ліві частини обох векторних творів (М& #969; та q V) характеризують параметри об'єктів (тайфуну та елементарної частинки), а праві частини ( Vп і B) - середовища (швидкість пасату та індукцію магнітного поля).

Фізпрактикум

СИЛИ КОРІОЛІСУ НА ПРОГРАВАЧІ

У системі координат, що обертається, наприклад на поверхні земної кулі, закони Ньютона не виконуються - така система координат неінерційна. У ній з'являється додаткова сила інерції, яка залежить від лінійної швидкості тіла та кутової швидкості системи. Вона перпендикулярна до траєкторії руху тіла (і його швидкості) і називається силою Коріоліса, на ім'я французького механіка Густава Гаспара Коріоліса (1792-1843), який цю додаткову силу пояснив і розрахував. Сила спрямовано так, що для суміщення з вектором швидкості її потрібно повернути на прямий кут у бік обертання системи.

Побачити, як «працює» сила Коріоліса, можна за допомогою електричного програвача для платівок, поставивши два нескладні досліди. Для їх проведення виріжте із цупкого паперу або картону кружок і покладіть його на диск. Він буде служити системою координат, що обертається. Відразу зробимо зауваження: диск програвача обертається за годинниковою стрілкою, а Земля проти. Тому сили на нашій моделі будуть спрямовані у бік, протилежний спостережуваним на Землі в нашій півкулі.

1. Складіть поруч із програвачем дві стопки книг, трохи вище за його диск. На книги покладіть лінійку або пряму планку так, щоб її край припадав на діаметр диска. Якщо при нерухомому диску провести вздовж планки лінію м'яким олівцем, від центру до краю, вона, природно, буде прямою. Якщо ж тепер запустити програвач і провести олівець уздовж планки, він накреслить криволінійну траєкторію, що йде вліво, - у згоді із законом, розрахованим Г. Коріолісом.

2. Побудуйте зі стопок книг гірку і приклейте до неї скотчем жолоб із щільного паперу, орієнтований діаметром диска. Якщо скотити невелику кульку по жолобу на нерухомий диск, вона покотиться по діаметру. А на диску, що обертається, він буде йти вліво (якщо, звичайно, тертя при його коченні буде невелике).

Фізпрактикум

ЕФЕКТ МАГНУСУ НА СТОЛІ ТА ПОВІТРЯХ

1. Склейте з цупкого паперу невеликий циліндр. Неподалік краю столу поставте стопку книг і з'єднайте її з краєм столу дощечкою. Коли паперовий циліндрик скотиться з гірки, що вийшла, ми вправі очікувати, що він буде рухатися по параболі геть від столу. Однак натомість циліндрик круто зігне траєкторію в інший бік і залетить під стіл!

Його парадоксальна поведінка цілком зрозуміла, якщо згадати закон Бернуллі: внутрішній тиск у потоці газу чи рідини стає тим меншим, чим вища швидкість потоку. Саме на основі цього явища працює, наприклад, пульверизатор: вищий атмосферний тиск вичавлює рідину в потік повітря зі зниженим тиском.

Цікаво, що закону Бернуллі певною мірою підпорядковуються і людські потоки. У метро, ​​біля входу на ескалатор, де рух утруднений, люди збираються в щільний, сильно стислий натовп. А на швидкому ескалаторі вони стоять вільно - «внутрішній тиск» у потоці пасажирів падає.

Коли циліндрик падає, продовжуючи обертатися, швидкість його правої сторони віднімається від швидкості потоку повітря, що набігає, а швидкість лівої - складається з нею. Відносна швидкість потоку повітря ліворуч від циліндра більша, а тиск у ньому нижчий, ніж праворуч. Різниця тисків і змушує цилідрик круто змінювати траєкторію та залітати під стіл.

Закони Коріоліса та Магнуса враховують при запуску ракет, точної стрільби на далекі відстані, розрахунку турбін, гіроскопів та ін.

2. Обмотайте паперовий циліндрик паперовою або текстильною стрічкою в кілька обертів. Якщо тепер різко смикнути за кінець стрічки, вона розкрутить циліндрик і одночасно додасть йому поступального руху. В результаті під дією сил Магнуса циліндрик полетить, описуючи у повітрі мертві петлі.

Дивні зміни траєкторії м'яча для обивателя здаються дивом. Але для професійних футболістів, баскетболістів, більярдистів такі трюки – показник майстерності. І ось тут ми згадуємо про закони фізики, яка підкидає такі подарунки, як ефект Магнуса. Спочатку помічений в аеродинаміці, сьогодні цей закон зміни траєкторії кулястого предмета знайшов дуже широке застосування. Зовсім недавно в інтернеті з'явився ролик, який наочно на прикладі баскетбольного м'яча продемонстрував цей фізичний феномен. Ролик зібрав понад 9 мільйонів переглядів за два дні та підігрів інтерес до ефекту Магнуса та його неймовірним застосуванням.

Історія питання

А почалося все з того, що прусські каноніри ніяк не могли зрозуміти, чому ядра з їхніх гармат постійно потрапляють не туди, куди слід. Обертання ядра в польоті з його центром тяжіння, що не збігається з геометричним, викривляло траєкторію польоту. Про аеродинамічній силі, що впливає на політ кулі, що обертається, писав ще Ісаак Ньютон, а прусські командири звернулися за роз'ясненням криволінійних траєкторій польоту ядра до відомого німецького вченого Генріха Густава Магнуса (1802-1870), який в 1853 дав наукове.

Вчений припустив, що справа не в центрі тяжкості об'єкта, а його обертанні. Він провів серію дослідів, і хоча не зробив жодних математичних розрахунків, йому належить першість доказу аеродинамічної сили, що змінює траєкторію польоту тіла, що обертається.

Після Магнуса цією силою зацікавився Людвіг Прандтль (1875–1953), який заміряв силу та швидкість. Найголовніше його досягнення - це встановлення можливості використання сили, що виникає, на обертовому роторі (циліндрі) для забезпечення поступального руху. Але практично цю ідею реалізував вже інший німець - інженер Антон Флеттнер (1885-1961). Про роторні вітрила Флеттнера і Кусто трохи пізніше.

Пояснення не для фізиків

Враховуючи закони ньютонівської фізики твердих тіл, простими словамипроцес виглядає в такий спосіб. Закручений круглий об'єкт набирає швидкість, повітря попереду об'єкта рухається у напрямі його обертання і тягнеться вздовж до центру. На іншій стороні об'єкта повітря здійснює рух у зворотному напрямку по відношенню до напрямку обертання. В результаті потік відсувається і об'єкт витісняє повітря з одного боку, а повітря з іншого боку утворює силу у відповідь, але в іншому напрямку, що і змінює траєкторію польоту об'єкта. Схема процесу відображена на малюнку вище, і є горезвісний ефект Магнуса.

Вітряний корабель Флеттнера

Німецький патент на роторне судно Антон Флеттнер отримав 16 вересня 1922 року. А вже у жовтні 1926 року справжній фурор у Кільській бухті викликало незвичайне судно з двома великими трубами на борту та ажурною щоглою. Це було перше роторне судно Buckau, яке зійшло зі стапелів суднобудівної компанії Friedrich Krupp.

Флеттнер використовував ефект Магнуса і силу, що утворюється при обтіканні циліндрів, що обертаються, і спрямовану перпендикулярно напрямку потоку. З боку, де напрямок вихрового потоку, створеного тілом, що обертається, збігається з напрямком потоку повітря, сила і швидкість руху різко зростають. Саме такими роторами, які пізніше назвуть його ім'ям, замінив вітрила молодий інженер Флеттнер.

Ротори цього судна крутилися від електричних двигунів. Там, де ротор обертався назустріч вітру, створювалася область із підвищеним тиском. З протилежного боку – зі зниженим. Результуюча сила рухала судно.

Buckau з честю пройшов випробування. У 1925 році він вийшов із Данцига до Шотландії за погодних умов, коли вітрильні судна не наважувалися виходити в море. Похід був успішним, і при цьому команда корабля скоротилася до 10 осіб проти 20 на вітрильнику.

Вимушене забуття

Перед роторами Флеттнер відкривалося прекрасне майбутнє. Успішність проекту підтвердило судно гамбурзької компанії Барбара. Це був вантажний лайнер, рух якого забезпечували три 17-метрові ротори, що задають швидкість в 13 вузлів при вітрі в 4-6 балів.

Незважаючи на видиму успішність проекту, про нього надовго забули. І причин цього кілька. Сам Флеттнер втратив інтерес до судноплавства та зацікавився авіацією, настали часи Великої депресії 1920-х років.

Реанімація кораблів із роторними установками

Продовженням роторного судна Флеттнера стад турбопарус Жака-Іва Кусто. Відомий дослідникта борець за екологічно чисті засоби пересування у квітні 1885 року спустив на воду судно «Алкіона», обладнане запатентованими турбопарусами, у роботі яких знайшов застосування ефект Магнуса. Це і сьогодні судно на ходу.

На жаль, послідовники Кусто не дуже зацікавилися роторними настановами на судах, і інтерес до них знову згас. Про них згадали з настанням нафтової кризи, і 2010 року на воду вийшло третє судно з роторними установками. Це важке 130-метрове судно E-Ship 1 компанії Enercon із чотирма роторами Флеттнера. Сьогодні займається перевезеннями вітрогенераторів їх Німеччини до країн Європи, може витримувати до 9 тонн вантажів та розвиває швидкість у 17 вузлів. Екіпаж – лише 15 осіб.

Роторними установками зацікавилися корабельні компанії Wind Again (Сінгапур), Wartsila (Фінляндія) та інші. Схоже, що дефіцит нафти та тривожне потепління клімату відіграють свою роль у поверненні вітряних рушіїв на сучасні кораблі.

Застосування в авіабудуванні

Застосування ефекту Магнуса в авіації реалізовувалося у різних конструктивних рішеннях. У найпростіших формах використовувалися валоподібні крила, що обертаються під час польоту. Серед засновників цього напряму був австрійський винахідник Карл Глігорін, який пропонував встановити на роторі обтічник, що повторює форму крила. В Амстердамі над подібними проектами працював Е.Б. Вольф, американці Джон Д. Герст та К. Поппер у 1932 році навіть провели випробування свого літака з валоподібними крилами.

Працездатною виявилася модель North American-Rockwell YOU-10A Bronco, переобладнана валами, що обертаються, в 1964 році. Це був проект професора Перу Альберто Альварес-Кальдерона. Однак у прототипу було більше недоліків, ніж переваг.

Незважаючи на зусилля, ефект Магнуса в авіації не прижився. Практичне використання крил роторного типу пов'язане з низкою проблем і поки що не виправдовує себе економічно.

Ефект Магнуса та вітрогенератори

Розвиток індустрії альтернативних джерел енергії є особливо актуальним у наш час. І в цій галузі знайшлося застосування ефекту Магнуса. На зміну лопатевим вітрогенераторам приходять роторні установки, які найефективніші при частих і низьких швидкостях вітру 2-6 м/с. Мають у своїй основі вісь, навколо якої обертаються циліндри. Перша така установка виробництва фірми «Аерола» з'явилася поблизу Мінська (Білорусь) у 2015 році. Потужність її становила 100 квт, діаметр турбінного ротора 36 метрів. Працює при розрахунковій швидкості вітру 9,5 м/с.

Роботи у цьому напрямі тривають у Новосибірському інституті прикладної механіки СО РАН, і вже є прототипи вітрогенераторів, які використовують ефект Магнуса з потужністю до 2 МВт.

Не зовсім звичне застосування

Цей ефект зміни траєкторії руху м'яча широко використовується у спорті: удари топ-спін та «сухий лист» у футболі, система Hop Up у страйкболі.

Ефект Магнуса сьогодні широко використовується у проектуванні моделей літаків. Наприклад, літак із картону, електричного двигуна та паперових стаканчиків для фаст-фуду був сконструйований каналом PeterSripol.

Ефект Магнуса використовується під час виробництва повітряних зміїв. Наприклад, змій як вертушки конструктора Д.Эдвардса чи З. Альбертсона.

А ось для «мисливців на урагани» це фізичне явище може стати дуже небезпечним. Якщо днище між машиною і землею недостатньо добре перекрито, то через зазор ураганний вітер може створити величезну підйомну силу, яка легко підніме автомобіль у повітря.

Глава 3 Ефект Магнуса та сила Лоренца

Аналогічно крилу Жуковського – Чаплигіна, сила Магнуса виникає за рахунок різниці тиску потоку середовища на поверхню циліндра, що обертається. Цей ефект був відкритий німецьким вченим Г. Г. Магнусом (H. G. Magnus) у 1852 році. На рис. 8 показана схема складання векторів швидкостей потоку середовища і поверхні циліндра, що обертається.

Мал. 8. Ефект Магнуса для циліндра, що обертається.

У верхній частині циліндра (вигляд з торця), напрям руху потоку середовища і поверхні циліндра, що обертається, збігаються, а в нижній частині циліндра, його поверхня рухається назустріч потоку середовища. Оскільки потік у нижній частині обертового циліндра гальмується його поверхнею, що рухається назустріч потоку, динамічний тиск потоку зменшується, а збільшується статичний тиск середовища на поверхню, відповідно до закону Бернуллі про повний тиск потоку. В результаті тиск середовища на верхню частину обертового циліндра стає менше, ніж на нижню частину циліндра. Виникає підйомна сила, як і за ефекту крила, що має профіль Жуковського – Чаплигіна.

Ефект Магнуса добре відомий футболістам та тенісистам, які використовують його для створення криволінійної траєкторії польоту закрученого м'яча. При «крученому ударі» м'яч летить прямолінійно, але обертається навколо своєї осі. У польоті на нього набігає потік повітря, що створює ефект Магнуса, і траєкторія польоту викривляється. Внаслідок такого удару, м'яч летить по кривій, і потрапляє не туди, де на нього чекають…

Припустимо, що ми сконструювали замкнутий потік середовища, що рухається (повітря, води і т. п.), в якому поставлені кілька обертових циліндрів, як показано на рис. 9. Припустимо, що обертання кожного циліндра забезпечує незалежний електропривод, з регульованою швидкістю та напрямом обертання.

Мал. 9. Двигун на основі ефекту Магнуса

На відміну від конструкції з крилом, встановленим в потоці середовища, що рухається, дана схема має важливу перевагу: величину і напрямок осьової підйомної сили, можна змінювати за рахунок змін величини швидкості і напрямки обертання циліндрів. Швидкість і напрямок циркулюючого потоку можна не змінювати, що дає значні переваги швидкодії та маневреності даного транспортного засобу. Двигун цього типу може бути встановлений вертикально або горизонтально, створюючи силу тяги.

Цікава аналогія з ефектом Магнуса виникає під час розгляду електромагнітного явища, відомого, як сила Лоренца: на провідник зі струмом, що у магнітному полі, діє сила, у бік, показаному на рис. 10. Про причину появи цієї сили раніше не було однозначного пояснення. Припускаючи аналогії з ефектом Магнуса, можна трактувати силу Лоренца як результат градієнта тиску ефірного середовища. У доповіді це було вперше показано 1996 рік.

Мал. 10. Сила Лоренца, як результат градієнта тиску ефіру

Однак на схемі рис. 10 ми отримуємо картину, зворотну суперпозиції векторів, яка була показана на рис. 8. Сила Магнуса діє на циліндр, що обертається в потоці середовища, у напрямку узгодженого руху поверхні циліндра та середовища. На рис. 10 показано, що сила Лоренца діє у напрямку зустрічної суперпозиції векторів. Чому?

Справа в тому, що вектор на рис. 10 показано умовно, згідно з прийнятими позначеннями векторів електричного струму (потоку позитивно заряджених частинок) та магнітного поля. Напрямок руху реальних потоків електронів та ефірних частинок (вектора магнітних полів) відрізняються від умовних позначень. Принципово ефект створюється аналогічно ефекту Магнуса, за рахунок градієнта тиску середовища, обумовленого різною відносною швидкістю, але електромагнітні системи використовують ефірне середовище, а не повітря або воду.

Важливо, що електрон або інша заряджена частка, яка при русі створює магнітне поле, є об'єктом, що обертається. Було б точніше вважати її лінійне переміщення гвинтовою лінією, правою або лівою спіраллю, залежно від знака електричного заряду даної частинки матерії.

Про структуру електрона написано чимало, але мені хотілося б рекомендувати читачеві роботу батька та сина Полякових. Дані автори розглядали у своїй книзі «Експериментальна гравітоніка» будову електрона, і показали, що він може бути представлений як замкнутий на себе фотон кругової поляризації, тобто як динамічний процес руху електромагнітної хвилі кругової поляризації в замкнутому тороїдальному просторі. Пізніше, ми розкриємо це питання докладніше. Тут лише коротко зазначимо, що, при такому розгляді, поява магнітного поля, при русі зарядженої частинки в ефірі, має явну аналогію з обуренням фізичного середовища, яке виникає при русі в даному середовищі циліндра, що обертається, або кулі.

Можна сказати, що взаємодія зовнішнього магнітного поля, упоперек якого рухається електрично заряджена частка, з її власним магнітним полем, відхиляє частинку таким же чином, як і потік повітря відхиляє закручений м'яч, а саме, завдяки створенню градієнта тиску середовища на частинку матерії, що рухається в ній.

У такому разі сили Лоренца і сили Ампера є зовнішніми силами, стосовно провідників зі струмом, на які вони діють, тобто можуть забезпечити їх рух у просторі.

Ці цікаві аналогії між аеродинамікою та ефіродинамікою дають багато конструктивних ідей.