Magnuso efektas ir turbosail

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-10 21:46

Australijoje fizikai mėgėjai įrodė Magnuso efektą. Eksperimento vaizdo įrašas, paskelbtas „YouTube“priegloboje, sulaukė daugiau nei 9 mln.

Magnuso efektas yra fizinis reiškinys, atsirandantis, kai aplink besisukantį kūną teka skysčio ar dujų srautas. Kai aplink jį sukasi skraidantis apvalus kūnas, ima cirkuliuoti šalia esantys oro sluoksniai. Dėl to skrendant kūnas keičia savo judėjimo kryptį.

Eksperimentui fizikai mėgėjai pasirinko 126,5 metro aukščio užtvanką ir paprastą krepšinio kamuolį. Iš pradžių kamuolys buvo tiesiog numestas žemyn, jis skriejo lygiagrečiai užtvankai ir nusileido pažymėtame taške. Antrą kartą kamuolys buvo numestas, šiek tiek slinkdamas aplink savo ašį. Skraidantis kamuolys skriejo neįprasta trajektorija, aiškiai parodydamas Magnuso efektą.

Magnuso efektas paaiškina, kodėl kai kuriose sporto šakose, pavyzdžiui, futbole, kamuolys skrieja keista trajektorija. Ryškiausią „nenormalaus“kamuolio skraidymo pavyzdį galima pamatyti po futbolininko Roberto Carloso baudos smūgio per 1997 metų birželio 3 dieną vykusias Brazilijos ir Prancūzijos rinktinių rungtynes.

Laivas po turbo burėmis

Garsųjį dokumentinį serialą „Kusto komandos povandeninė odisėja“septintajame – aštuntajame dešimtmečiuose nufilmavo didysis prancūzų okeanografas. Tada pagrindinis Kusto laivas buvo perdarytas iš britų minų tranzito „Calypso“. Tačiau viename iš vėlesnių filmų – „Pasaulio atradimas iš naujo“– pasirodė kitas laivas, jachta „Alcyone“.

Žvelgdami į tai, ne vienam žiūrovui kilo klausimas: kas čia per jachtoje sumontuoti keisti vamzdžiai?.. Gal tai katilų ar varomųjų sistemų vamzdžiai? Įsivaizduokite savo nuostabą, jei sužinosite, kad tai BURĖS … turboburės …

Kusto fondas jachtą „Alkion“įsigijo 1985 metais, ir šis laivas buvo laikomas ne tiek mokslinių tyrimų laivu, kiek turboburių – originalios laivo varomosios sistemos – efektyvumo tyrimo pagrindu. O kai po 11 metų nuskendo legendinis „Kalipsas“, jos vietą kaip pagrindinį ekspedicijos laivą užėmė „Alkiona“(beje, šiandien „Kalipsas“buvo iškeltas ir yra pusiau apiplėštos būklės. Konkarno uostas).

Tiesą sakant, turboburę išrado Kusto. Taip pat akvalango reikmenys, povandeninė lėkštė ir daug kitų prietaisų, skirtų jūros gelmių ir vandenynų paviršių tyrinėjimui. Idėja gimė devintojo dešimtmečio pradžioje ir buvo sukurti aplinkai draugiškiausią, bet kartu patogiausią ir moderniausią vandens paukščių varymo sistemą. Vėjo energijos naudojimas atrodė perspektyviausia tyrimų sritis. Tačiau čia yra nesėkmė: žmonija išrado burę prieš kelis tūkstančius metų, o kas gali būti paprasčiau ir logiškiau?

Žinoma, Kusto ir jo kompanija suprato, kad neįmanoma pastatyti laivo, varomo vien tik burėmis. Tiksliau gal, bet jo vairavimo charakteristikos bus labai vidutiniškos ir priklausys nuo oro ir vėjo krypties kaprizų. Todėl iš pradžių buvo planuota, kad naujoji „burė“bus tik pagalbinė jėga, pritaikyta padėti įprastiems dyzeliniams varikliams. Tuo pačiu turboburė gerokai sumažintų dyzelinio kuro sąnaudas, o pučiant stipriam vėjui galėtų tapti vienintele laivo varomoji jėga. O tyrėjų komandos žvilgsnis nukrypo į praeitį – į vokiečių inžinieriaus Antono Flettnerio, garsaus orlaivių konstruktoriaus, svariai prisidėjusio prie laivų statybos, išradimą.

Flettnerio rotorius ir Magnuso efektas

1922 m. rugsėjo 16 d. Antonas Flettneris gavo Vokietijos patentą vadinamajam rotaciniam laivui. O 1924 metų spalį eksperimentinis rotacinis laivas „Buckau“paliko laivų statybos įmonės „Friedrich Krupp“atsargas Kylyje. Tiesa, škuna buvo pastatyta ne nuo nulio: iki Flettnerio rotorių montavimo tai buvo paprastas burlaivis.

Flettnerio idėja buvo panaudoti vadinamąjį Magnuso efektą, kurio esmė tokia: oro (arba skysčio) srovei tekant aplink besisukantį kūną susidaro jėga, statmena tėkmės krypčiai ir veikianti kūnas. Faktas yra tas, kad besisukantis objektas aplink save sukuria sūkurinį judėjimą. Toje objekto pusėje, kur sūkurio kryptis sutampa su skysčio ar dujų tekėjimo kryptimi, terpės greitis didėja, o priešingoje – mažėja. Slėgio skirtumas ir sukuria šlyties jėgą, nukreiptą iš tos pusės, kurioje sukimosi kryptis ir srauto kryptis yra priešingos tos pusės, kurioje jos sutampa.

Šį efektą 1852 metais atrado Berlyno fizikas Heinrichas Magnusas.

Magnuso efektas

Vokiečių aeronautikos inžinierius ir išradėjas Antonas Flettneris (1885-1961) į navigacijos istoriją įėjo kaip žmogus, bandantis pakeisti bures. Jis turėjo galimybę ilgą laiką keliauti burlaiviu per Atlanto ir Indijos vandenynus. Ant to laikmečio burlaivių stiebų buvo iškelta daug burių. Buriavimo įranga buvo brangi, sudėtinga ir aerodinamiškai ne itin efektyvi. Nuolatiniai pavojai tykojo jūreivių, kurie net per audrą turėjo plaukti 40-50 metrų aukštyje.

Kelionėje jaunajam inžinieriui kilo mintis daugiau pastangų reikalaujančias bures pakeisti paprastesniu, bet efektyvesniu įrenginiu, kurio pagrindinė varomoji jėga taip pat būtų vėjas. Tai apmąstydamas jis prisiminė savo tautiečio fiziko Heinricho Gustavo Magnuso (1802–1870) atliktus aerodinaminius eksperimentus. Jie nustatė, kad kai cilindras sukasi oro srautu, atsiranda skersinė jėga, kurios kryptis priklauso nuo cilindro sukimosi krypties (Magnus efektas).

Vienas iš jo klasikinių eksperimentų atrodė taip: „Žalvarinis cilindras galėjo suktis tarp dviejų taškų; greitas cilindro sukimasis, kaip ir viršuje, buvo suteiktas laidu.

Besisukantis cilindras buvo patalpintas į rėmą, kurį savo ruožtu buvo galima lengvai pasukti. Į šią sistemą, naudojant nedidelį išcentrinį siurblį, buvo siunčiama stipri oro srovė. Cilindras nukrypo statmena oro srovei ir cilindro ašiai kryptimi, be to, ta kryptimi, nuo kurios sukimosi kryptys ir čiurkšlė buvo tos pačios“(L. Prandtl „Magnuso efektas ir vėjo laivas“, 1925 m.).

A. Flettneris iškart pagalvojo, kad bures galima pakeisti laive sumontuotais besisukančiais cilindrais.

Pasirodo, ten, kur cilindro paviršius juda prieš oro srautą, vėjo greitis mažėja ir slėgis didėja. Kitoje cilindro pusėje yra atvirkščiai – oro srauto greitis didėja, o slėgis mažėja. Šis slėgio skirtumas iš skirtingų cilindro pusių yra varomoji jėga, verčianti indą judėti. Tai yra pagrindinis rotacinės įrangos, kuri naudoja vėjo jėgą laivui judėti, veikimo principas. Viskas labai paprasta, bet tik A. Flettneris „nepraėjo pro šalį“, nors Magnuso efektas žinomas jau daugiau nei pusę amžiaus.

Planą jis pradėjo įgyvendinti 1923 m. ežere netoli Berlyno. Tiesą sakant, Flettneris padarė gana paprastą dalyką. Jis metro ilgio bandomojoje valtyje sumontavo apie metro aukščio ir 15 cm skersmens popierinį cilindrą-rotorių, jam sukti pritaikė laikrodžio mechanizmą. Ir valtis nuplaukė.

Burlaivių kapitonai šaipėsi iš A. Flettnerio cilindrų, kuriais jis norėjo pakeisti bures. Išradėjas savo išradimu sugebėjo sudominti turtingus meno mecenatus. 1924 metais 54 metrų škunoje „Buckau“vietoj trijų stiebų buvo sumontuoti du rotoriniai cilindrai. Šie cilindrai buvo varomi 45 AG dyzelinio generatoriaus.

Bucau rotoriai buvo varomi elektros varikliais. Tiesą sakant, dizainas nesiskyrė nuo klasikinių Magnuso eksperimentų. Toje pusėje, kur rotorius sukosi prieš vėją, buvo sukurta padidinto slėgio zona, priešingoje pusėje - žemo slėgio sritis. Gauta jėga yra tai, kas varė laivą. Be to, ši jėga buvo maždaug 50 kartų didesnė už vėjo slėgio jėgą ant stovinčio rotoriaus!

Tai Flettneriui atvėrė dideles perspektyvas. Be kita ko, rotoriaus plotas ir jo masė buvo kelis kartus mažesnė už burinės platformos plotą, o tai būtų davusi vienodą varomąją jėgą. Rotorių buvo daug lengviau valdyti, o jo gamyba buvo gana pigi. Iš viršaus Flettneris uždengė rotorius plokštelinėmis plokštumomis - tai padidino varomąją jėgą maždaug du kartus dėl teisingos oro srautų orientacijos rotoriaus atžvilgiu. Optimalus rotoriaus aukštis ir skersmuo „Bukau“buvo apskaičiuotas vėjo tunelyje pučiant būsimo laivo modelį.

Flettnerio rotorius pasirodė puikus. Skirtingai nei įprastas burlaivis, rotacinis laivas praktiškai nebijo blogo oro ir stipraus šoninio vėjo, jis galėjo lengvai plaukti kintamomis takomis 25º kampu priešpriešinio vėjo atžvilgiu (įprastai burei riba yra apie 45º). Du cilindriniai rotoriai (aukštis 13,1 m, skersmuo 1,5 m) leido puikiai subalansuoti laivą - jis pasirodė stabilesnis nei burlaivis, kuriuo Bukau buvo prieš pertvarką.

Bandymai buvo atlikti esant ramiam orui ir audrai, ir sąmoningai perkrovus – rimtų trūkumų nenustatyta. Laivo judėjimui naudingiausia buvo vėjo kryptis tiksliai statmena laivo ašiai, o judėjimo kryptis (pirmyn arba atgal) – pagal rotorių sukimosi kryptį.

1925 m. vasario viduryje škuna „Buckau“, kurioje vietoj burių buvo sumontuoti Flettnerio rotoriai, išvyko iš Dancigo (dabar Gdanskas) į Škotiją. Oras buvo blogas ir dauguma burlaivių nedrįso išplaukti iš uostų. Šiaurės jūroje „Buckau“turėjo rimtai susidoroti su stipriu vėju ir didelėmis bangomis, tačiau škuna pasviro mažiau nei kiti sutikti burlaiviai.

Šios kelionės metu nereikėjo kviesti įgulos narių denio pakeisti bures, priklausomai nuo vėjo stiprumo ar krypties. Užteko vieno laikrodžio navigatoriaus, kuris, neišeidamas iš vairinės, galėjo kontroliuoti rotorių veiklą. Anksčiau tristiebės škunos įgulą sudarė mažiausiai 20 jūreivių, ją pavertus rotaciniu laivu pakako 10 žmonių.

Tais pačiais metais laivų statykla padėjo pamatus antrajam rotoriniam laivui – galingam krovininiam laineriui „Barbara“, varomam trijų 17 metrų rotorių. Tuo pačiu metu kiekvienam rotoriui užteko vieno nedidelio variklio, kurio galia tik 35 AG. (esant maksimaliam kiekvieno rotoriaus sukimosi greičiui 160 aps./min.)! Rotoriaus trauka buvo lygiavertė sraigto varomo sraigto, sujungto su įprastu laivo dyzeliniu varikliu, kurio galia apie 1000 AG. Tačiau laive buvo ir dyzelinis variklis: be rotorių, jis paleido propelerį (kuris ir liko vieninteliu varomuoju įrenginiu esant ramiems orams).

Daug žadantys eksperimentai paskatino laivybos kompaniją Rob. M. Sloman iš Hamburgo 1926 metais pastatyti laivą „Barbara“. Iš anksto buvo planuota įrengti turbobures – Flettnerio rotorius. 90 m ilgio ir 13 m pločio laive buvo sumontuoti trys apie 17 m aukščio rotoriai.

Barbara, kaip ir planuota, jau kurį laiką sėkmingai veža vaisius iš Italijos į Hamburgą. Maždaug 30–40 % reiso laiko laivas plaukė dėl vėjo jėgos. Pučiant 4-6 balų vėjui „Barbara“išvystė 13 mazgų greitį.

Rotorinį laivą planuota išbandyti ilgesnėse kelionėse Atlanto vandenyne.

Tačiau 1920-ųjų pabaigoje ištiko Didžioji depresija. 1929 m. užsakomųjų skrydžių bendrovė atsisakė tolesnės Barbaros nuomos ir buvo parduota. Naujasis savininkas pašalino rotorius ir laivą sumontavo pagal tradicinę schemą. Visgi, rotorius prarado sraigtinius sraigtus kartu su įprastine dyzeline jėgaine dėl savo priklausomybės nuo vėjo ir tam tikrų galios bei greičio apribojimų. Flettneris pasuko į pažangesnius tyrimus, o Baden-Badenas galiausiai nuskendo per audrą Karibų jūroje 1931 m. Ir jie ilgą laiką pamiršo rotacines bures …

Rotacinių laivų pradžia, atrodytų, buvo gana sėkminga, tačiau jie nebuvo tobulinami ir ilgą laiką buvo pamiršti. Kodėl? Pirmiausia rotacinių laivų „tėvas“A. Flettneris pasinėrė į sraigtasparnių kūrimą ir nustojo domėtis jūrų transportu. Antra, nepaisant visų privalumų, rotoriniai laivai išliko burlaiviai su jiems būdingais trūkumais, kurių pagrindinis yra priklausomybė nuo vėjo.

Flettnerio rotoriai vėl susidomėjo XX amžiaus 80-aisiais, kai mokslininkai ėmė siūlyti įvairias priemones klimato atšilimui mažinti, taršai mažinti ir racionaliau naudoti kurą. Vienas pirmųjų juos prisiminė prancūzų tyrinėtojas Jacques'as-Yves'as Kusto (1910–1997). Norint išbandyti turbosailių sistemos veikimą ir sumažinti degalų sąnaudas, dvistiebis katamaranas „Alcyone“(Alcyone – vėjų dievo Eolo dukra) buvo paverstas rotaciniu laivu. 1985 m. išvykęs į kelionę jūra, jis keliavo į Kanadą ir Ameriką, apkeliavo Horno kyšulį, aplenkė Australiją ir Indoneziją, Madagaskarą ir Pietų Afriką. Jis buvo perkeltas į Kaspijos jūrą, kur plaukė tris mėnesius, atlikdamas įvairius tyrimus. Alcyone vis dar naudoja dvi skirtingas varomąsias sistemas – du dyzelinius variklius ir dvi turbobures.

Turbo burė Cousteau

Burlaiviai buvo statomi visą XX a. Šiuolaikiniuose tokio tipo laivuose burinė ginkluotė lankstoma elektros variklių pagalba, naujos medžiagos leidžia žymiai palengvinti konstrukciją. Tačiau burlaivis yra burlaivis, o idėja panaudoti vėjo energiją radikaliai nauju būdu sklando ore nuo Flettnerio laikų. Ir ją pasiėmė nenuilstantis nuotykių ieškotojas ir tyrinėtojas Jacques'as-Yves'as Kusto.

1986 m. gruodžio 23 d., kai buvo paleistas straipsnio pradžioje minėtas Alcyone, Cousteau ir jo kolegos Lucien Malavar ir Bertrand Charier gavo bendrą patentą Nr. US4630997 dėl „prietaiso, kuris sukuria jėgą naudojant judantį skystį ar dujas. “. Bendras aprašymas skamba taip: „Įrenginys patalpinamas į aplinką, judančią tam tikra kryptimi; šiuo atveju atsiranda jėga, kuri veikia statmena pirmajai kryptimi. Prietaisas vengia naudoti masyvias bures, kuriose varomoji jėga yra proporcinga burės plotui. Kuo skiriasi Cousteau turboburė ir Flettnerio rotacinė burė?

Skerspjūviu turboburė yra kažkas panašaus į pailgą lašą, suapvalintą nuo aštraus galo. „Lašo“šonuose yra oro paėmimo grotelės, pro vieną iš kurių (priklausomai nuo poreikio judėti pirmyn arba atgal) išsiurbiamas oras. Kad vėjo siurbimas būtų efektyviausias, į turboburės oro paėmimo angą įmontuotas nedidelis ventiliatorius, varomas elektros variklio.

Jis dirbtinai padidina oro judėjimo greitį iš pavėjinės burės pusės, įsiurbdamas oro srovę atsiskyrimo nuo turboburės plokštumos momentu. Tai sukuria vakuumą vienoje turboburės pusėje ir neleidžia susidaryti audringiems sūkuriams. Ir tada veikia Magnuso efektas: išretėjimas vienoje pusėje, dėl to - skersinė jėga, galinti pajudinti laivą. Tiesą sakant, turboburė yra vertikaliai išdėstytas orlaivio sparnas, bent jau varomosios jėgos kūrimo principas yra panašus į orlaivio pakėlimo principą. Kad turboburė visada būtų pasukta į vėją palankiausia kryptimi, joje sumontuoti specialūs jutikliai ir sumontuota ant patefono. Beje, Kusto patentas reiškia, kad orą iš turboburės vidaus gali išsiurbti ne tik ventiliatorius, bet ir, pavyzdžiui, oro siurblys – taip Kusto uždarė vartus vėlesniems „išradėjams“.

Tiesą sakant, pirmą kartą Cousteau išbandė turboburės prototipą ant Moulin à Vent katamarano 1981 m. Didžiausias sėkmingas katamarano plaukimas buvo kelionė iš Tanžero (Marokas) į Niujorką, prižiūrint didesniam ekspediciniam laivui.

O 1985 metų balandį La Rošelio uoste buvo nuleistas pirmasis pilnavertis laivas su turboburėmis „Alcyone“. Dabar ji vis dar juda ir šiandien yra Kusto flotilės flagmanas (ir, tiesą sakant, vienintelis didelis laivas). Ant jo esančios turbo burės nėra vienintelė varomoji jėga, bet padeda įprastai dviejų dyzelinių variklių ir

keli varžtai (o tai, beje, sumažina degalų sąnaudas maždaug trečdaliu). Jei didysis okeanografas būtų gyvas, jis tikriausiai būtų pastatęs dar kelis panašius laivus, tačiau jo bendraminčių entuziazmas, Kusto išvykus, pastebimai sumažėjo.

Prieš pat savo mirtį 1997-aisiais Kusto aktyviai dirbo prie laivo „Calypso II“su turbobure projekto, tačiau nespėjo jo užbaigti. Naujausiais duomenimis, 2011 metų žiemą „Alkiona“buvo Kano uoste ir laukė naujos ekspedicijos.

Ir vėl Flettneris

Šiandien bandoma atgaivinti Flettnerio idėją ir paversti rotacines bures pagrindine. Pavyzdžiui, garsioji Hamburgo įmonė „Blohm + Voss“po 1973 metų naftos krizės pradėjo aktyviai kurti rotorinį tanklaivį, tačiau iki 1986 metų šį projektą užgožė ekonominiai veiksniai. Tada buvo visa serija mėgėjiškų dizainų.

2007 metais Flensburgo universiteto studentai sukonstravo rotacine bure varomą katamaraną (Uni-cat Flensburg).

2010 metais pasirodė trečiasis visų laikų laivas su rotacinėmis burėmis – sunkiasvoris sunkvežimis E-Ship 1, kuris buvo pastatytas vienos didžiausių pasaulyje vėjo jėgainių gamintojos „Enercon“užsakymu. 2010 m. liepos 6 d. laivas pirmą kartą buvo nuleistas ir trumpam nuplaukė iš Emdeno į Bremerhaveną. O jau rugpjūtį į pirmąją darbo kelionę į Airiją išvyko su devynių vėjo jėgainių kroviniu. Laive yra keturi „Flettner“rotoriai ir, žinoma, tradicinė varomoji sistema ramybės ir papildomos galios atveju. Visgi rotorinės burės tarnauja tik kaip pagalbiniai sraigtai: 130 metrų sunkvežimiui jų galios neužtenka išvystyti reikiamą greitį. Varikliai – devynios „Mitsubishi“jėgainės, o rotorius varo „Siemens“garo turbina, kuri naudoja energiją iš išmetamųjų dujų. Rotacinės burės leidžia sutaupyti nuo 30 iki 40 % degalų važiuojant 16 mazgų greičiu.

Tačiau Kusto turboburė vis dar lieka užmarštyje: „Alcyone“šiandien yra vienintelis pilno dydžio laivas, turintis tokio tipo varomąją jėgą. Ar prasminga toliau plėtoti Magnuso efektu veikiančių burių temą, parodys vokiečių laivų statytojų patirtis. Svarbiausia yra rasti verslo pagrindą ir įrodyti jo efektyvumą. O ten, matai, visa pasaulio laivyba pereis prie principo, kurį talentingas vokiečių mokslininkas aprašė daugiau nei prieš 150 metų.

2010 m. rugpjūčio 2 d. Lindenau laivų statykloje Kylyje didžiausia pasaulyje vėjo jėgainių gamintoja „Enercon“išleido 130 metrų rotacinį 22 m pločio laivą, kuris vėliau buvo pavadintas „E-Ship 1“. Tada jis buvo sėkmingai išbandytas Šiaurės ir Viduržemio jūrose, o šiuo metu vėjo generatorius iš Vokietijos, kur jie gaminami, veža į kitas Europos šalis. Jis išvysto 17 mazgų (32 km/h) greitį, vienu metu gabena daugiau nei 9 tūkst. tonų krovinių, jo įgulą sudaro 15 žmonių.

Singapūre įsikūrusi laivybos bendrovė „Wind Again“, kuro ir išmetamųjų teršalų mažinimo technologija, siūlo specialius „Flettner“rotorius (sulankstomus) tanklaiviams ir krovininiams laivams. Jie sumažins degalų sąnaudas 30-40% ir atsipirks per 3-5 metus.

Suomijos jūrų inžinerijos įmonė „Wartsila“jau planuoja pritaikyti turbobures kruiziniuose keltuose. Taip yra dėl Suomijos keltų operatoriaus „Viking Line“siekio sumažinti degalų sąnaudas ir aplinkos taršą.

Flensburgo universitete (Vokietija) tiria Flettner rotorių naudojimą pramoginiuose laivuose. Kylančios naftos kainos ir nerimą keliantis klimato atšilimas yra palankios sąlygos vėjo turbinoms sugrįžti.