Magnus-efekti ja turbosail

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-10 20:51

Australiassa amatöörifyysikot ovat osoittaneet Magnus-ilmiön toiminnassa. YouTube-isännöintiin julkaistu kokeiluvideo on kerännyt yli 9 miljoonaa katselukertaa.

Magnus-ilmiö on fysikaalinen ilmiö, joka syntyy, kun neste- tai kaasuvirta virtaa pyörivän kappaleen ympäri. Kun lentävä pyöreä kappale pyörii sen ympärillä, lähellä olevat ilmakerrokset alkavat kiertää. Tämän seurauksena keho muuttaa liikesuuntaansa lennon aikana.

Kokeeseen amatöörifyysikot valitsivat 126,5 metriä korkean padon ja tavallisen koripallon. Aluksi pallo yksinkertaisesti heitettiin alas, se lensi yhdensuuntaisesti padon kanssa ja laskeutui merkittyyn kohtaan. Toisella kerralla pallo pudotettiin ja rullasi hieman akselinsa ympäri. Lentävä pallo lensi epätavallista lentorataa, mikä osoitti selvästi Magnus-ilmiön.

Magnus-efekti selittää, miksi joissakin urheilulajeissa, kuten jalkapallossa, pallo lentää oudolla liikeradalla. Silmiinpistävin esimerkki "epänormaalista" pallon lennosta voidaan nähdä jalkapalloilija Roberto Carlosin vapaapotkun jälkeen 3. kesäkuuta 1997 Brasilian ja Ranskan maajoukkueiden välisessä ottelussa.

Laiva on turbopurjeiden alla

Kuuluisan dokumenttisarjan "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" kuvasi suuri ranskalainen valtameritutkija 1960-1970-luvuilla. Cousteaun päälaiva muutettiin sitten brittiläisestä miinanraivaajasta "Calypso". Mutta yhdessä myöhemmistä elokuvista - "Maailman uudelleen löytäminen" - ilmestyi toinen alus, jahti "Alcyone".

Sitä katsoessaan monet katsojat kysyivät itseltään kysymyksen: mitä nämä omituiset putket ovat asennettuna jahtiin?.. Ehkä ne ovat kattiloiden tai propulsiojärjestelmien putkia? Kuvittele ihmetyksesi, jos huomaat, että nämä ovat PURJEITA … turbopurjeita …

Cousteau-rahasto osti huvijahdin "Alkion" vuonna 1985, ja tätä alusta ei pidetty niinkään tutkimusaluksena, vaan pohjana tutkittaessa turbopurjeiden - alkuperäisen laivan propulsiojärjestelmän - tehokkuutta. Ja kun 11 vuotta myöhemmin legendaarinen "Calypso" upposi, "Alkiona" otti hänen paikkansa retkikunnan pääaluksena (muuten, tänään "Calypso" nostettiin ja on puoliksi ryöstetyssä tilassa Concarneaun satama).

Itse asiassa turbopurjeen keksi Cousteau. Sekä sukellusvarusteet, vedenalainen lautanen ja monia muita laitteita meren syvyyksien ja valtamerten pinnan tutkimiseen. Idea syntyi 1980-luvun alussa ja sen tarkoituksena oli luoda vesilintujen ympäristöystävällisin, mutta samalla kätevä ja nykyaikainen käyttövoimajärjestelmä. Tuulivoiman käyttö vaikutti lupaavimmalta tutkimusalueelta. Mutta tässä on huono onni: ihmiskunta keksi purjeen useita tuhansia vuosia sitten, ja mikä voisi olla yksinkertaisempaa ja loogisempaa?

Tietenkin Cousteau ja hänen yrityksensä ymmärsivät, että oli mahdotonta rakentaa laivaa, joka käyttää yksinomaan purjetta. Tarkemmin sanottuna ehkä, mutta sen ajokyky on erittäin keskinkertainen ja riippuvainen sään ja tuulen suunnasta. Siksi alun perin suunniteltiin, että uusi "purje" tulee olemaan vain apuvoima, jota voidaan soveltaa auttamaan tavanomaisia dieselmoottoreita. Samalla turbopurjehtiminen vähentäisi merkittävästi dieselpolttoaineen kulutusta, ja kovalla tuulella siitä voisi tulla aluksen ainoa käyttövoima. Ja tutkimusryhmän ilme kääntyi menneisyyteen - saksalaisen insinöörin Anton Flettnerin, kuuluisan lentokonesuunnittelijan, keksintöön, joka antoi merkittävän panoksen laivanrakennukseen.

Flettnerin roottori ja Magnus-efekti

16. syyskuuta 1922 Anton Flettner sai saksalaisen patentin niin sanotulle pyörivälle alukselle. Ja lokakuussa 1924 kokeellinen pyörivä alus Buckau lähti laivanrakennusyhtiö Friedrich Kruppin varastoista Kielissä. Totta, kuunaria ei rakennettu tyhjästä: ennen Flettnerin roottorien asennusta se oli tavallinen purjelaiva.

Flettnerin ideana oli käyttää ns. Magnus-ilmiötä, jonka ydin on seuraava: kun ilma- (tai neste-) virta virtaa pyörivän kappaleen ympärillä, syntyy voima, joka on kohtisuorassa virtaussuuntaan nähden ja vaikuttaa Vartalo. Tosiasia on, että pyörivä esine luo pyörreliikkeen ympärilleen. Kohteen puolella, jossa pyörteen suunta on sama kuin nesteen tai kaasun virtaussuunta, väliaineen nopeus kasvaa ja vastakkaisella puolella se pienenee. Paine- ja paine-ero luo leikkausvoiman, joka suuntautuu siltä puolelta, jossa pyörimissuunta ja virtaussuunta ovat vastakkaisia sille puolelle, jossa ne kohtaavat.

Tämän vaikutuksen löysi vuonna 1852 berliiniläinen fyysikko Heinrich Magnus.

Magnus-efekti

Saksalainen ilmailuinsinööri ja keksijä Anton Flettner (1885-1961) jäi merenkulun historiaan miehenä, joka yritti vaihtaa purjeita. Hänellä oli mahdollisuus matkustaa pitkään purjelaivalla Atlantin ja Intian valtamerten yli. Monet purjeet laskettiin tuon aikakauden purjelaivojen mastoihin. Purjehdusvarusteet olivat kalliita, monimutkaisia eivätkä aerodynaamisesti kovin tehokkaita. Jatkuvat vaarat uhkasivat merimiehiä, jotka myrskyn aikana joutuivat purjehtimaan 40-50 metrin korkeudessa.

Matkan aikana nuori insinööri sai idean korvata enemmän vaivaa vaativat purjeet yksinkertaisemmalla mutta tehokkaalla laitteella, jonka päävoimana olisi myös tuuli. Tätä pohtiessaan hän muisteli maanmiehensä fyysikon Heinrich Gustav Magnuksen (1802-1870) aerodynaamisia kokeita. He havaitsivat, että kun sylinteri pyörii ilmavirrassa, syntyy poikittaisvoima, jonka suunta riippuu sylinterin pyörimissuunnasta (Magnus-ilmiö).

Yksi hänen klassisista kokeistaan näytti tältä: Mesinsisylinteri saattoi pyöriä kahden pisteen välillä; sylinterin nopea pyöriminen välitettiin, kuten yläosassa, narulla.

Pyörivä sylinteri asetettiin runkoon, jota puolestaan oli helppo pyörittää. Tähän järjestelmään lähetettiin voimakas ilmasuihku pienellä keskipakopumpulla. Sylinteri poikkesi ilmavirtaan ja sylinterin akseliin nähden kohtisuoraan suuntaan, lisäksi suuntaan, josta pyörimissuunnat ja suihku olivat samat "(L. Prandtl" Magnus-ilmiö ja tuulilaiva", 1925).

A. Flettner ajatteli heti, että purjeet voitaisiin korvata laivaan asennetuilla pyörivillä sylintereillä.

Osoittautuu, että missä sylinterin pinta liikkuu ilmavirtausta vastaan, tuulen nopeus laskee ja paine kasvaa. Sylinterin toisella puolella asia on päinvastoin - ilmavirran nopeus kasvaa ja paine laskee. Tämä paine-ero sylinterin eri puolilta on käyttövoima, joka saa aluksen liikkumaan. Tämä on pyörivien laitteiden toiminnan perusperiaate, joka käyttää tuulen voimaa aluksen liikuttamiseen. Kaikki on hyvin yksinkertaista, mutta vain A. Flettner "ei mennyt ohi", vaikka Magnus-ilmiö on ollut tiedossa yli puoli vuosisataa.

Hän aloitti suunnitelman toteuttamisen vuonna 1923 Berliinin lähellä sijaitsevalla järvellä. Itse asiassa Flettner teki melko yksinkertaisen asian. Hän asensi metrin pituiseen koeveneeseen noin metrin korkuisen ja 15 cm halkaisijaltaan paperisylinteri-roottorin ja sovitti kellomekanismin sen pyörittämiseen. Ja vene purjehti pois.

Purjelaivojen kapteenit pilkkasivat A. Flettnerin sylintereitä, joilla hän halusi korvata purjeet. Keksijä onnistui kiinnostamaan varakkaita taiteen suojelijoita keksinnöllään. Vuonna 1924 54-metriseen Buckau-kuunariin asennettiin kolmen maston sijasta kaksi roottorisylinteriä. Näissä sylintereissä oli 45 hv:n dieselgeneraattori.

Bucaun roottorit toimivat sähkömoottoreilla. Itse asiassa suunnittelussa ei ollut eroa Magnuksen klassisiin kokeiluihin verrattuna. Sille puolelle, jolla roottori kiertyi tuulta vasten, muodostui kohonneen paineen alue, vastakkaiselle puolelle matalapainealue. Tuloksena oleva voima on se, mikä liikutti laivaa. Lisäksi tämä voima oli noin 50 kertaa suurempi kuin tuulen paineen voima kiinteään roottoriin!

Tämä avasi Flettnerille suuria näkymiä. Muun muassa roottorin pinta-ala ja sen massa olivat useita kertoja pienempiä kuin purjelautan pinta-ala, mikä olisi antanut samanlaisen käyttövoiman. Roottori oli paljon helpompi ohjata, ja se oli melko halpaa valmistaa. Ylhäältä katsottuna Flettner peitti roottorit levytasoilla - tämä lisäsi käyttövoimaa noin kaksinkertaiseksi, koska ilmavirtojen suuntaus oli oikea roottoriin nähden. "Bukau" roottorin optimaalinen korkeus ja halkaisija laskettiin puhaltamalla tulevan laivan malli tuulitunnelissa.

Flettnerin roottori osoittautui erinomaiseksi. Toisin kuin tavallinen purjelaiva, pyörivä alus ei käytännössä pelännyt huonoa säätä ja voimakkaita sivutuulia, se pystyi helposti purjehtimaan vuorotellen 25º kulmassa vastatuulen suhteen (normaalissa purjeessa raja on noin 45º). Kaksi sylinterimäistä roottoria (korkeus 13,1 m, halkaisija 1,5 m) mahdollisti aluksen täydellisen tasapainotuksen - se osoittautui vakaammaksi kuin purjevene, joka Bukau oli ennen rakennemuutosta.

Testit suoritettiin tyynellä säällä ja myrskyssä ja tahallisella ylikuormituksella - eikä vakavia puutteita havaittu. Aluksen liikkeelle edullisin oli tuulen suunta täsmälleen kohtisuorassa aluksen akseliin nähden ja liikkeen suunta (eteen tai taaksepäin) määrättiin roottoreiden pyörimissuunnan mukaan.

Helmikuun puolivälissä 1925 kuunari Buckau, joka oli varustettu Flettnerin roottorilla purjeiden sijaan, lähti Danzigista (nykyinen Gdansk) Skotlantiin. Sää oli huono eikä suurin osa purjeveneistä uskaltanut lähteä satamista. Pohjanmerellä Buckau joutui kohtaamaan vakavasti voimakkaita tuulia ja suuria aaltoja, mutta kuunari kallistui vähemmän kuin muut purjeveneet.

Tämän matkan aikana ei tarvinnut kutsua miehistön kantta vaihtamaan purjeita tuulen voimakkuuden tai suunnan mukaan. Yksi kellon navigaattori riitti, joka pystyi ohjaamaan roottoreiden toimintaa poistumatta ohjaushytistä. Aiemmin kolmimastoisen kuunarin miehistö koostui vähintään 20 merimiehestä, sen jälkeen kun se oli muutettu pyöriväksi alukseksi, riitti 10 henkilöä.

Samana vuonna telakka loi perustan toiselle pyörivälle alukselle - mahtavalle rahtialukselle "Barbara", jota liikutti kolme 17-metristä roottoria. Samanaikaisesti yksi pieni moottori, jonka teho oli vain 35 hv, riitti jokaiselle roottorille. (kunkin roottorin maksimipyörimisnopeudella 160 rpm)! Roottorin työntövoima vastasi potkurilla toimivaa potkuria yhdistettynä tavanomaiseen laivan dieselmoottoriin, jonka teho oli noin 1000 hv. Alukseen oli kuitenkin saatavilla myös dieselmoottori: se sai roottoreiden lisäksi liikkeelle potkurin (joka pysyi tyynellä säällä ainoana käyttövoimana).

Lupaavat kokeilut saivat hampurilaisen Rob. M. Slomanin rakentamaan Barbara-aluksen vuonna 1926. Suunniteltiin etukäteen varustaa turbopurjeet - Flettnerin roottorit. Alukseen, joka oli 90 m pitkä ja 13 m leveä, asennettiin kolme roottoria, joiden korkeus oli noin 17 m.

Barbara on onnistuneesti kuljettanut hedelmiä Italiasta Hampuriin jo jonkin aikaa suunnitellusti. Noin 30–40 % matkasta alus kulki tuulen voimasta johtuen. 4-6 pisteen tuulella "Barbara" kehitti 13 solmun nopeuden.

Pyörivää alusta oli tarkoitus testata pitemmillä matkoilla Atlantin valtamerellä.

Mutta 1920-luvun lopulla suuri lama iski. Vuonna 1929 charter-yhtiö luopui Barbaran lisävuokrasopimuksesta ja myytiin. Uusi omistaja poisti roottorit ja asensi aluksen uudelleen perinteisen kaavan mukaan. Silti roottori hävisi ruuvipotkureille yhdessä perinteisen dieselvoimalaitoksen kanssa tuulesta riippuvuuden sekä tiettyjen tehon ja nopeuden rajoitusten vuoksi. Flettner siirtyi edistyneempään tutkimukseen, ja Baden-Baden upposi lopulta myrskyn aikana Karibialla vuonna 1931. Ja he unohtivat pyörivät purjeet pitkään …

Pyörivien alusten alku näytti olevan melko onnistunut, mutta ne eivät saaneet kehitystä ja ne unohdettiin pitkään. Miksi? Ensinnäkin pyörivien alusten "isä" A. Flettner syöksyi helikopterien luomiseen ja lakkasi olemasta kiinnostunut meriliikenteestä. Toiseksi, kaikista eduistaan huolimatta pyörivät alukset ovat pysyneet purjelaivoina niiden luontaisten haittojen kanssa, joista suurin on riippuvuus tuulesta.

Flettnerin roottorit kiinnostuivat jälleen 1900-luvun 80-luvulta, jolloin tutkijat alkoivat ehdottaa erilaisia toimenpiteitä ilmaston lämpenemisen hillitsemiseksi, saastumisen vähentämiseksi ja polttoaineen järkevämpään käyttöön. Yksi ensimmäisistä, jotka muistivat ne, oli ranskalainen tutkimusmatkailija Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Turbopurjejärjestelmän toiminnan testaamiseksi ja polttoaineenkulutuksen vähentämiseksi kaksimastoinen katamaraani "Alcyone" (Alcyone on tuulen jumalan Aeolus tytär) muutettiin pyöriväksi alukseksi. Lähdettyään merimatkalle vuonna 1985 hän matkusti Kanadaan ja Amerikkaan, kiersi Cape Hornin, ohitti Australian ja Indonesian, Madagaskarin ja Etelä-Afrikan. Hänet siirrettiin Kaspianmerelle, missä hän purjehti kolme kuukautta tekemällä erilaisia tutkimuksia. Alcyone käyttää edelleen kahta erilaista propulsiojärjestelmää - kahta dieselmoottoria ja kahta turbopurjetta.

Turbopurje Cousteau

Purjeveneet rakennettiin läpi 1900-luvun. Tämän tyyppisissä nykyaikaisissa aluksissa purjehdusaseet taitetaan sähkömoottoreiden avulla, uudet materiaalit mahdollistavat rakenteen huomattavan keventämisen. Mutta purjevene on purjevene, ja ajatus tuulienergian käytöstä radikaalisti uudella tavalla on ollut ilmassa Flettnerin ajoista lähtien. Ja väsymätön seikkailija ja tutkimusmatkailija Jacques-Yves Cousteau nosti hänet.

23. joulukuuta 1986, artikkelin alussa mainitun Alcyonen lanseerauksen jälkeen Cousteau ja hänen kollegansa Lucien Malavar ja Bertrand Charier saivat yhteispatentin nro US4630997 "laitteelle, joka luo voimaa käyttämällä liikkuvaa nestettä tai kaasua." Yleiskuvaus kuuluu seuraavasti:”Laite sijoitetaan ympäristöön, joka liikkuu tiettyyn suuntaan; tässä tapauksessa syntyy voima, joka vaikuttaa kohtisuoraan ensimmäiseen nähden. Laite välttää massiivisten purjeiden käytön, joissa käyttövoima on verrannollinen purjeen pinta-alaan." Mitä eroa on Cousteaun turbopurjeella ja Flettnerin pyörivällä purjeella?

Poikkileikkaukseltaan turbopurje on kuin pitkänomainen pisara, joka on pyöristetty terävästä päästä. "Pisaran" sivuilla on ilmanottoritilät, joista yhden kautta (riippuen tarpeesta liikkua eteenpäin tai taaksepäin) imetään ilmaa ulos. Tehokkainta tuulen imua varten on asennettu pieni sähkömoottorilla toimiva tuuletin turbopurjeen ilmanottoaukkoon.

Se lisää keinotekoisesti ilman liikkeen nopeutta purjeen suojapuolen puolelta imemällä ilmavirran sen irtautuessa turbopurjeen tasosta. Tämä luo tyhjiön turbopurjeen toiselle puolelle ja estää samalla turbulenttien pyörteiden muodostumisen. Ja sitten Magnus-ilmiö toimii: harvinainen toisella puolella, seurauksena - poikittaisvoima, joka pystyy saattamaan laivan liikkeelle. Itse asiassa turbopurje on pystysuoraan sijoitettu lentokoneen siipi, ainakin propulsiovoiman luomisen periaate on samanlainen kuin lentokoneen noston luomisen periaate. Sen varmistamiseksi, että turbopurje on aina käännetty tuulelle edullisimpaan suuntaan, se on varustettu erityisillä antureilla ja asennettu kääntöpöydälle. Muuten, Cousteaun patentti viittaa siihen, että ilmaa voidaan imeä turbopurjeen sisältä paitsi tuulettimella, myös esimerkiksi ilmapumpulla - näin Cousteau sulki portin myöhemmiltä "keksijöiltä".

Itse asiassa Cousteau testasi ensimmäistä kertaa turbosailin prototyyppiä Moulin à Vent -katamaraanilla vuonna 1981. Katamaraanin suurin onnistunut purjehdus oli matka Tangerista (Marokko) New Yorkiin suuremman tutkimusaluksen valvonnassa.

Ja huhtikuussa 1985 La Rochellen satamassa laskettiin vesille Alcyone, ensimmäinen täysimittainen turbopurjeilla varustettu alus. Nyt hän on edelleen liikkeellä ja on tänään Cousteaun laivaston lippulaiva (ja itse asiassa ainoa suuri alus). Sen turbopurjeet eivät ole ainut liikkuja, mutta ne auttavat tavanomaista kahden dieselin ja

useita ruuveja (mikä muuten vähentää polttoaineen kulutusta noin kolmanneksella). Jos suuri merentutkija olisi elossa, hän olisi todennäköisesti rakentanut useita samanlaisia aluksia, mutta hänen työtovereittensa innostus Cousteaun lähdön jälkeen väheni huomattavasti.

Vähän ennen kuolemaansa vuonna 1997 Cousteau työskenteli aktiivisesti Calypso II -aluksen projektissa turbopurjeella, mutta ei onnistunut saamaan sitä päätökseen. Viimeisimpien tietojen mukaan "Alkiona" oli talvella 2011 Caenin satamassa ja odotti uutta tutkimusmatkaa.

Ja taas Flettner

Nykyään yritetään elvyttää Flettnerin ideaa ja tehdä pyörivistä purjeista valtavirtaa. Esimerkiksi kuuluisa hampurilainen Blohm + Voss aloitti vuoden 1973 öljykriisin jälkeen aktiivisen pyörivän säiliöaluksen kehittämisen, mutta vuoteen 1986 mennessä taloudelliset tekijät peittivät tämän projektin. Sitten oli kokonainen sarja amatöörimalleja.

Vuonna 2007 Flensburgin yliopiston opiskelijat rakensivat katamaraanin pyörivällä purjeella (Uni-cat Flensburg).

Vuonna 2010 ilmestyi kaikkien aikojen kolmas pyörivillä purjeilla varustettu laiva - raskas kuorma-auto E-Ship 1, joka rakennettiin Enerconin, yhden maailman suurimmista tuuliturbiinien valmistajista, tilauksesta. Alus laskettiin vesille 6. heinäkuuta 2010, ja se teki lyhyen matkan Emdenistä Bremerhaveniin. Ja jo elokuussa hän lähti ensimmäiselle työmatkalleen Irlantiin yhdeksän tuuliturbiinin kuorman kanssa. Alus on varustettu neljällä Flettner-roottorilla ja tietysti perinteisellä propulsiojärjestelmällä tyyneyttä ja lisävoimaa varten. Silti pyörivät purjeet toimivat vain apupotkureina: 130 metrin kuorma-autolle niiden teho ei riitä oikean nopeuden kehittämiseen. Moottorit ovat yhdeksän Mitsubishi-voimalaa, ja roottorit saavat voimansa Siemensin höyryturbiinista, joka käyttää pakokaasujen energiaa. Pyörivät purjeet säästävät 30-40 % polttoainetta 16 solmun nopeudella.

Mutta Cousteaun turbopurje on edelleen unohduksessa: "Alcyone" on nykyään ainoa täysikokoinen alus, jolla on tällainen käyttövoima. Saksalaisten laivanrakentajien kokemus näyttää, onko Magnus-ilmiöllä toimivien purjeiden teemaa järkevää kehittää edelleen. Tärkeintä on löytää tälle liiketoimintaperusteet ja osoittaa sen tehokkuus. Ja siellä, näet, kaikki maailman merenkulku siirtyy periaatteelle, jonka lahjakas saksalainen tiedemies kuvaili yli 150 vuotta sitten.

Maailman suurin tuulivoimaloiden valmistaja Enercon laski 2. elokuuta 2010 Kielin Lindenaun telakalla vesille 130-metrisen, 22 m leveän pyörivän aluksen, joka sai myöhemmin nimen "E-Ship 1". Sitten sitä testattiin menestyksekkäästi Pohjanmerellä ja Välimerellä, ja tällä hetkellä se kuljettaa tuuligeneraattoreita Saksasta, jossa niitä valmistetaan, muihin Euroopan maihin. Se kehittää 17 solmun (32 km / h) nopeuden, kuljettaa samanaikaisesti yli 9 tuhatta tonnia rahtia, sen miehistö on 15 henkilöä.

Singaporelainen varustamo Wind Again, polttoaineen ja päästöjen vähentämistekniikka, tarjoaa erityisesti suunniteltuja Flettner-roottoreita (taitettavat) säiliöaluksiin ja rahtilaivoihin. Ne vähentävät polttoaineen kulutusta 30-40 % ja maksavat itsensä takaisin 3-5 vuodessa.

Suomalainen laivanrakennusyhtiö Wartsila suunnittelee jo turbopurjeiden mukauttamista risteilyaluksiin. Tämä johtuu suomalaisen lauttayhtiön Viking Linen halusta vähentää polttoaineen kulutusta ja ympäristön saastumista.

Flettner-roottoreiden käyttöä huviveneissä tutkii Flensburgin yliopisto (Saksa). Öljyn hinnan nousu ja hälyttävä ilmaston lämpeneminen näyttävät olevan suotuisia edellytyksiä tuuliturbiinien palautumiselle.