Магнус эффектісі және турбозайл

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-10 21:37

Австралияда әуесқой физиктер Магнус эффектісін іс жүзінде көрсетті. YouTube хостингінде жарияланған эксперименттік бейнеролик 9 миллионнан астам қаралды.

Магнус эффектісі – айналмалы дененің айналасында сұйық немесе газ ағыны ағып жатқанда пайда болатын физикалық құбылыс. Ұшатын дөңгелек дене оның айналасында айналса, жақын ауа қабаттары айнала бастайды. Нәтижесінде ұшу кезінде дене қозғалыс бағытын өзгертеді.

Тәжірибе үшін әуесқой физиктер биіктігі 126,5 метр бөгет пен кәдімгі баскетбол добын таңдады. Алғашында доп жай ғана лақтырылды, ол бөгетке параллель ұшып, белгіленген нүктеге қонды. Екінші рет доп өз осін аздап айналдырып тастады. Ұшатын доп әдеттен тыс траектория бойынша ұшып, Магнус әсерін анық көрсетті.

Магнус эффектісі кейбір спорт түрлерінде, мысалы, футболда доптың неге біртүрлі траекториямен ұшатынын түсіндіреді. Доптың «анормальды» ұшуының ең жарқын мысалын 1997 жылы 3 маусымда Бразилия мен Франция құрамалары арасындағы матчта футболшы Роберто Карлостың айып соққысынан кейін көруге болады.

Кеме турбо желкендердің астында

Атақты «Кусто командасының су асты одиссеясы» деректі сериясын ұлы француз океанографы 1960 – 1970 жылдары түсірген. Содан кейін Кустоның негізгі кемесі британдық мина іздеуші «Калипсодан» ауыстырылды. Бірақ кейінгі фильмдердің бірінде - «Әлемнің қайта ашылуы» - басқа кеме, «Альсионе» яхтасы пайда болды.

Оған қарап, көптеген көрермендер өздеріне сұрақ қойды: яхтаға орнатылған бұл оғаш құбырлар қандай?.. Мүмкін олар қазандықтардың немесе қозғалтқыш жүйелерінің құбырлары шығар? Егер сіз бұл желкендер … турбо желкендер … екенін білсеңіз, таңғаларыңызды елестетіп көріңіз.

Кусто қоры 1985 жылы «Алькион» яхтасын сатып алды және бұл кеме ғылыми-зерттеу кемесі ғана емес, турбожелкендердің тиімділігін зерттеу үшін база ретінде қарастырылды - кеменің бастапқы қозғалтқышы. Ал, 11 жылдан кейін аты аңызға айналған «Калипсо» суға батқанда, «Алькиона» экспедицияның негізгі кемесі ретінде оның орнын алды (айтпақшы, бүгінде «Калипсо» көтеріліп, жартылай талан-таражға түскен күйде. Конкарно порты).

Шындығында турбозалды Кусто ойлап тапқан. Сондай-ақ акваланг, су астындағы табақша және теңіздің тереңдігі мен мұхит бетін зерттеуге арналған көптеген басқа құрылғылар. Идея 1980 жылдардың басында дүниеге келген және суда жүзетін құстар үшін ең экологиялық таза, бірақ сонымен бірге ыңғайлы және заманауи қозғалтқыш жүйесін жасау болды. Жел энергиясын пайдалану зерттеудің ең перспективалы бағыты болып көрінді. Бірақ бақытсыздық мынада: адамзат бірнеше мың жыл бұрын желкенді ойлап тапты және одан қарапайым және қисынды не болуы мүмкін?

Әрине, Кусто және оның компаниясы тек қана желкенмен жүретін кеме жасау мүмкін емес екенін түсінді. Дәлірек айтқанда, мүмкін, бірақ оның жүргізу өнімділігі өте орташа және ауа-райы мен жел бағытының құбылмалылығына байланысты болады. Сондықтан, бастапқыда жаңа «парус» қарапайым дизельдік қозғалтқыштарға көмектесетін көмекші күш болады деп жоспарланған болатын. Сонымен қатар, турбозанды дизельдік отын шығынын айтарлықтай азайтады, ал қатты желде ол кеменің жалғыз қозғаушы күші бола алады. Ал зерттеу тобының көзқарасы өткенге – кеме жасау саласына елеулі үлес қосқан әйгілі авиаконструктор, неміс инженері Антон Флеттнердің өнертабысына бұрылды.

Флеттнер роторы және Магнус эффектісі

1922 жылы 16 қыркүйекте Антон Флеттнер айналмалы кеме деп аталатын неміс патентін алды. Ал 1924 жылдың қазан айында Букау эксперименттік айналмалы кемесі Кильдегі Фридрих Крупп кеме жасау компаниясының қорларын қалдырды. Рас, шхуна нөлден жасалмаған: Флеттнердің роторлары орнатылмай тұрып, ол кәдімгі желкенді кеме болды.

Флеттнердің идеясы Магнус эффектісі деп аталатын әсерді қолдану болды, оның мәні келесідей: ауа (немесе сұйық) ағыны айналатын денені айналып өткенде, ағынның бағытына перпендикуляр және әсер ететін күш пайда болады. дене. Өйткені, айналатын объект өзінің айналасында құйынды қозғалыс жасайды. Нысанның құйынды бағыты сұйық немесе газ ағынының бағытымен сәйкес келетін жағында ортаның жылдамдығы артады, ал қарсы жағында ол төмендейді. Қысымның айырмашылығы және айналу бағыты мен ағынның бағыты сәйкес келетін жаққа қарама-қарсы жақтан бағытталған ығысу күшін тудырады.

Бұл әсерді 1852 жылы Берлин физигі Генрих Магнус ашты.

Магнус эффектісі

Неміс авиаинженері және өнертапқышы Антон Флеттнер (1885-1961) навигация тарихына желкендерді ауыстыруға тырысқан адам ретінде енді. Желкенді кемеде Атлант және Үнді мұхиттары арқылы ұзақ уақыт саяхаттауға мүмкіндік алды. Сол дәуірдегі желкенді кемелердің мачталарында көптеген желкендер орнатылды. Желкенді жабдық қымбат, күрделі және аэродинамикалық тұрғыдан өте тиімді емес болды. Дауыл кезінде де 40-50 метр биіктікте жүзуге мәжбүр болған теңізшілерді үнемі қауіп төндірді.

Саяхат кезінде жас инженерде көп күш жұмсайтын желкендерді қарапайым, бірақ тиімді құрылғыға ауыстыру идеясы пайда болды, оның негізгі қозғаушы күші де жел болады. Осыны ойлай келе ол өзінің отандасы физик Генрих Густав Магнустың (1802-1870) жүргізген аэродинамикалық тәжірибелерін есіне алды. Олар цилиндр ауа ағынында айналғанда цилиндрдің айналу бағытына байланысты бағыты бар көлденең күш пайда болатынын анықтады (Магнус эффектісі).

Оның классикалық тәжірибелерінің бірі келесідей болды: «Жезден жасалған цилиндр екі нүкте арасында айнала алады; цилиндрдің жылдам айналуы, үстіңгі жағындағы сияқты, сым арқылы берілді.

Айналмалы цилиндр жақтауға орналастырылды, ол өз кезегінде оңай айналуы мүмкін. Бұл жүйеге шағын орталықтан тепкіш сорғы арқылы күшті ауа ағыны жіберілді. Цилиндр ауа ағынына және цилиндр осіне перпендикуляр бағытта ауытқиды, сонымен қатар айналу бағыттары мен ағыны бірдей болатын бағытта ауытқиды «(Л. Прандтль «Магнус әсері және жел кемесі», 1925 ж.).

А. Флеттнер бірден желкендерді кемеде орнатылған айналмалы цилиндрлермен ауыстыруға болады деп ойлады.

Цилиндр беті ауа ағынына қарсы қозғалған жерде желдің жылдамдығы азайып, қысым күшейеді екен. Цилиндрдің екінші жағында керісінше - ауа ағынының жылдамдығы артады, ал қысым төмендейді. Цилиндрдің әртүрлі жағындағы қысымның бұл айырмашылығы ыдысты қозғалтатын қозғаушы күш болып табылады. Бұл кемені жылжыту үшін жел күшін пайдаланатын айналмалы жабдықтың жұмысының негізгі принципі. Барлығы өте қарапайым, бірақ тек А. Флеттнер «өтпеді», дегенмен Магнус әсері жарты ғасырдан астам уақыт бойы белгілі.

Ол жоспарды 1923 жылы Берлин маңындағы көлде жүзеге асыруға кірісті. Шын мәнінде, Флеттнер өте қарапайым нәрсе жасады. Ол ұзындығы метрлік сынақ қайығына биіктігі бір метрдей, диаметрі 15 см-ге жуық қағаз цилиндр-роторын орнатып, оны айналдыру үшін сағат механизмін бейімдеді. Ал қайық жүзіп кетті.

Желкенді кемелердің капитандары А. Флеттнердің желкендерін ауыстырғысы келген цилиндрлерін мазақ етті. Өнертапқыш өзінің өнертабысы арқылы өнердің бай меценаттарын қызықтыра алды. 1924 жылы 54 метрлік «Букау» шхунасына үш мачтаның орнына екі роторлы цилиндр орнатылды. Бұл цилиндрлер 45 а.к. дизельдік генератордан қуат алды.

Букау роторлары электр қозғалтқыштарымен жұмыс істейтін. Шын мәнінде, дизайндағы Магнустың классикалық эксперименттерінен ешқандай айырмашылық болмады. Ротор желге қарсы айналатын жағында қысымның жоғарылау аймағы, қарама-қарсы жағында төмен қысым аймағы құрылды. Алынған күш кемені қозғады. Оның үстіне, бұл күш тұрақты роторға жел қысымының күшінен шамамен 50 есе артық болды!

Бұл Флеттнер үшін үлкен перспективалар ашты. Сонымен қатар, ротордың ауданы мен оның массасы желкенді қондырғының ауданынан бірнеше есе аз болды, бұл бірдей қозғаушы күш береді. Роторды басқару әлдеқайда оңай болды және оны жасау өте арзан болды. Жоғарыдан Флеттнер роторларды пластина-жазықтықтармен жауып тастады - бұл роторға қатысты ауа ағындарының дұрыс бағдарлануына байланысты қозғаушы күшті шамамен екі есе арттырды. «Букау» үшін ротордың оңтайлы биіктігі мен диаметрі болашақ кеменің үлгісін жел туннельінде үрлеу арқылы есептелді.

Флеттнердің роторы өте жақсы болды. Кәдімгі желкенді кемеден айырмашылығы, айналмалы кеме қолайсыз ауа-райынан және қатты бүйірлік желдерден қорықпады, ол желге 25º бұрышта ауыспалы тіректермен оңай жүзе алады (қалыпты желкен үшін шек шамамен 45º). Екі цилиндрлік ротор (биіктігі 13,1 м, диаметрі 1,5 м) кемені тамаша теңестіруге мүмкіндік берді - бұл Букау қайта құрылымдауға дейін болған желкенді қайыққа қарағанда тұрақты болып шықты.

Сынақтар тыныш ауа-райында да, боранда да, әдейі шамадан тыс жүктелумен де жүргізілді және елеулі кемшіліктер анықталмады. Кеменің қозғалысы үшін ең тиімдісі кеме осіне дәл перпендикуляр желдің бағыты болды, ал қозғалыс бағыты (алға немесе артқа) роторлардың айналу бағытымен анықталды.

1925 жылы ақпан айының ортасында желкендердің орнына Флеттнердің роторларымен жабдықталған шхуна Букау Данцигтен (қазіргі Гданьск) Шотландияға кетті. Ауа-райы қолайсыз болды және желкенді қайықтардың көпшілігі порттардан шығуға батылы жетпеді. Солтүстік теңізде Бакау қатты желдер мен үлкен толқындармен шындап күресуге мәжбүр болды, бірақ шхунер басқа желкенді қайықтарға қарағанда аз өкшелі отырды.

Бұл сапар кезінде желдің күшіне немесе бағытына байланысты желкендерді ауыстыру үшін экипаж мүшелерінің палубасына шақырудың қажеті жоқ. Сағаттың бір навигаторы жеткілікті болды, ол доңғалақ үйінен шықпай-ақ роторлардың жұмысын басқара алады. Бұрын үш діңгекті шхунаның экипажы кем дегенде 20 матростан тұрды, оны айналмалы кемеге айналдырғаннан кейін 10 адам жеткілікті болды.

Сол жылы кеме жасау зауыты екінші айналмалы кеменің - 17 метрлік үш ротормен қозғалатын қуатты жүк лайнері «Барбараның» негізін қалады. Бұл ретте әрбір роторға қуаты бар болғаны 35 а.к. бір шағын мотор жеткілікті болды. (әр ротордың максималды айналу жылдамдығы 160 айн/мин)! Ротордың күші шамамен 1000 ат күші бар кәдімгі кеме дизельді қозғалтқышымен біріктірілген бұрандамен басқарылатын винтке тең болды. Дегенмен, кемеде дизельдік қозғалтқыш та болды: роторлардан басқа, ол винтті қозғалысқа келтірді (ол тыныш ауа-райында жалғыз қозғалтқыш болып қала берді).

Болашағы бар эксперименттер Гамбургтен келген Rob. M. Sloman кеме компаниясын 1926 жылы Барбара кемесін жасауға итермеледі. Турбо желкендерді - Флеттнер роторларын жабдықтау алдын ала жоспарланған болатын. Ұзындығы 90 м және ені 13 м болатын кемеде биіктігі шамамен 17 м болатын үш ротор орнатылды.

Барбара біраз уақыттан бері Италиядан Гамбургке жоспарланған жемістерді сәтті тасымалдап келеді. Кеме саяхат уақытының шамамен 30-40% желдің күшіне байланысты жүзді. 4-6 баллдық желмен «Барбара» 13 түйін жылдамдықты дамытты.

Айналмалы кемені Атлант мұхитындағы ұзақ сапарларда сынақтан өткізу жоспарланған болатын.

Бірақ 1920 жылдардың аяғында Ұлы депрессия болды. 1929 жылы чартерлік компания Барбараны одан әрі жалға беруден бас тартты және сатылды. Жаңа иесі роторларды алып тастап, кемені дәстүрлі схемаға сәйкес қайта орнатты. Дегенмен, ротор желге тәуелділігіне және қуат пен жылдамдықтағы белгілі бір шектеулерге байланысты кәдімгі дизельдік электр станциясымен біріктірілген бұрандалы бұрандалардан айырылды. Флеттнер неғұрлым озық зерттеулерге бет бұрды, ал Баден-Баден 1931 жылы Кариб теңізіндегі дауыл кезінде батып кетті. Олар айналмалы желкендерді ұзақ уақыт ұмытты …

Айналмалы кемелердің басталуы өте сәтті болған сияқты, бірақ олар дамуға ие болмады және ұзақ уақыт бойы ұмытылды. Неліктен? Біріншіден, айналмалы кемелердің «әкесі» А. Флеттнер тікұшақтарды жасаумен айналысып, теңіз көлігімен айналысуды тоқтатты. Екіншіден, барлық артықшылықтарына қарамастан, айналмалы кемелер өздерінің кемшіліктерімен желкенді кемелер болып қала берді, олардың негізгісі желге тәуелді.

Флеттнердің роторлары ХХ ғасырдың 80-ші жылдарында қайтадан қызығушылық танытты, бұл кезде ғалымдар климаттың жылынуын азайту, ластануды азайту және отынды ұтымды пайдалану үшін әртүрлі шараларды ұсына бастады. Оларды алғаш еске алғандардың бірі француз зерттеушісі Жак-Ив Кусто (1910–1997) болды. Турбозанды жүйенің жұмысын тексеру және отын шығынын азайту үшін екі мачты катамараны «Альционе» (Альционе - жел құдайы Эолдың қызы) айналмалы кемеге айналдырылды. 1985 жылы теңіз саяхатына шыққан ол Канада мен Американы аралап, Горн мүйісін айналып өтіп, Австралия мен Индонезияны, Мадагаскар мен Оңтүстік Африканы айналып өтті. Оны Каспий теңізіне ауыстырып, үш ай бойы жүзіп, түрлі зерттеулер жүргізді. Alcyone әлі күнге дейін екі түрлі қозғалтқыш жүйесін қолданады - екі дизельді қозғалтқыш және екі турбо желкен.

Турбо желкенді Кусто

Желкенді қайықтар 20 ғасыр бойы жасалды. Осы типтегі заманауи кемелерде желкенді қару-жарақ электр қозғалтқыштарының көмегімен бүктеледі, жаңа материалдар құрылымды айтарлықтай жеңілдетуге мүмкіндік береді. Бірақ желкенді қайық - желкенді қайық, және жел энергиясын түбегейлі жаңа жолмен пайдалану идеясы Флеттнердің күндерінен бері ауада болды. Оны шаршамайтын авантюрист және зерттеуші Жак-Ив Кусто алды.

1986 жылы 23 желтоқсанда мақаланың басында айтылған Alcyone іске қосылғаннан кейін Кусто және оның әріптестері Люсьен Малавар мен Бертран Шарье «қозғалатын сұйықтықты немесе газды пайдалану арқылы күш тудыратын құрылғыға» бірлескен патент № US4630997 алды.. Жалпы сипаттама келесідей: «Құрылғы белгілі бір бағытта қозғалатын ортаға орналастырылған; бұл жағдайда біріншіге перпендикуляр бағытта әрекет ететін күш пайда болады. Құрылғы қозғаушы күш желкен аймағына пропорционал болатын массивтік желкендерді пайдалануды болдырмайды ». Кустоның турбозалы мен Флетнердің айналмалы желкенінің айырмашылығы неде?

Көлденең қимада турбо желкені өткір ұшынан дөңгелектенген ұзартылған тамшы тәрізді нәрсе. «Тамшылаудың» бүйірлерінде ауа соратын торлар бар, олардың біреуі арқылы (алға немесе артқа жылжу қажеттілігіне байланысты) ауа сорылады. Желді ең тиімді сору үшін турбо желкендегі ауа сорғышына электр қозғалтқышымен басқарылатын шағын желдеткіш орнатылған.

Ол турбопарус жазықтығынан бөліну сәтінде ауа ағынын сорып, желкеннің тік жағынан ауа қозғалысының жылдамдығын жасанды түрде арттырады. Бұл турбулентті құйындылардың пайда болуына жол бермей, турбозалдың бір жағында вакуум жасайды. Содан кейін Магнус әсері әрекет етеді: бір жағынан сиректеу, нәтижесінде - кемені қозғалысқа келтіруге қабілетті көлденең күш. Шындығында, турбозус - бұл тік орналасқан ұшақ қанаты, кем дегенде, қозғаушы күш құру принципі ұшақтың көтергішін құру принципіне ұқсас. Турбозалдың әрқашан желге ең тиімді бағытта бұрылуын қамтамасыз ету үшін ол арнайы датчиктермен жабдықталған және айналмалы үстелге орнатылған. Айтпақшы, Кусто патенті турбопарустың ішінен ауаны желдеткішпен ғана емес, сонымен қатар, мысалы, ауа сорғымен де сорып алуға болатындығын білдіреді - осылайша Кусто келесі «өнертапқыштар» үшін қақпаны жауып тастады.

Шын мәнінде, Кусто алғаш рет 1981 жылы Moulin à Vent катамаранында турбозалдың прототипін сынады. Катамаранның ең үлкен сәтті жүзуі үлкен экспедициялық кеменің бақылауымен Танжерден (Марокко) Нью-Йоркке сапар болды.

Ал 1985 жылы сәуірде Ла-Рошель портында турбожелкенмен жабдықталған алғашқы толыққанды кеме Alcyone суға жіберілді. Қазір ол әлі де қозғалыста және бүгінде Кусто флотилиясының флагманы (және шын мәнінде жалғыз үлкен кеме). Ондағы турбо желкендер жалғыз қозғаушы емес, бірақ олар екі дизельді әдеттегі байланыстыруға көмектеседі және

бірнеше бұрандалар (айтпақшы, отын шығынын шамамен үштен біріне азайтады). Егер ұлы океанограф тірі болса, ол тағы да бірнеше ұқсас кемелерді салған болар еді, бірақ Кусто кеткеннен кейін оның серіктестерінің ынта-жігері айтарлықтай төмендеді.

1997 жылы қайтыс боларына аз уақыт қалғанда Кусто турбозалы бар «Калипсо II» кемесінің жобасында белсенді түрде жұмыс істеді, бірақ оны аяқтай алмады. Соңғы мәліметтер бойынша, 2011 жылдың қысында «Алькиона» Каен портында болып, жаңа экспедицияны күтіп тұрған.

Және тағы да Флеттнер

Бүгінгі күні Флеттнердің идеясын жандандыруға және айналмалы желкендерді негізгі ағымға айналдыруға әрекет жасалуда. Мысалы, әйгілі Гамбург компаниясы Blohm + Voss 1973 жылғы мұнай дағдарысынан кейін айналмалы танкерді белсенді түрде әзірлеуді бастады, бірақ 1986 жылға қарай экономикалық факторлар бұл жобаны жауып тастады. Содан кейін әуесқой дизайнның тұтас сериясы болды.

2007 жылы Фленсбург университетінің студенттері айналмалы желкенмен жұмыс істейтін катамаранды (Uni-cat Flensburg) құрастырды.

2010 жылы айналмалы желкені бар үшінші кеме пайда болды - әлемдегі жел турбиналарын ең ірі өндірушілердің бірі Enercon компаниясының тапсырысы бойынша салынған E-Ship 1 ауыр жүк көлігі. 2010 жылы 6 шілдеде кеме алғаш рет суға жіберіліп, Эмденнен Бремерхафенге дейін қысқа сапар жасады. Ал тамыз айында ол тоғыз жел қондырғысын жүктеп алып, Ирландияға алғашқы жұмыс сапарына аттанды. Кеме төрт Flettner роторымен және, әрине, тыныштық жағдайында және қосымша қуат үшін дәстүрлі қозғалтқыш жүйесімен жабдықталған. Дегенмен, айналмалы желкендер тек қосалқы винт ретінде қызмет етеді: 130 метрлік жүк көлігі үшін олардың күші тиісті жылдамдықты дамыту үшін жеткіліксіз. Қозғалтқыштар тоғыз Mitsubishi электр станциясы, ал роторлар пайдаланылған газдардың энергиясын пайдаланатын Siemens бу турбинасы арқылы жұмыс істейді. Айналмалы желкендер 16 түйінде отынды 30-40% үнемдейді.

Бірақ Кустоның турбо желкені әлі күнге дейін ұмыт қалды: «Альсион» бүгінде мұндай қозғалтқыш түрі бар жалғыз толық өлшемді кеме. Неміс кеме жасаушыларының тәжірибесі Magnus эффектінде жұмыс істейтін желкендер тақырыбын одан әрі дамытудың мағынасы бар-жоғын көрсетеді. Ең бастысы, бұл үшін бизнес-кейс тауып, оның тиімділігін дәлелдеу. Міне, көріп отырсыздар, бүкіл әлемдік кеме қатынасы 150 жылдан астам уақыт бұрын дарынды неміс ғалымы сипаттаған қағидаға көшеді.

2010 жылдың 2 тамызында жел электр станцияларының әлемдегі ең ірі өндірушісі Enercon Кильдегі Линденау верфінде кейінірек «E-Ship 1» деп аталып кеткен ені 22 м болатын 130 метрлік айналмалы кемені суға түсірді. Одан кейін Солтүстік және Жерорта теңіздерінде сәтті сынақтан өтіп, қазіргі уақытта олар өндірілетін Германиядан жел генераторларын Еуропаның басқа елдеріне тасымалдауда. Ол 17 түйін (32 км/сағ) жылдамдықты дамытады, бір уақытта 9 мың тоннадан астам жүкті тасымалдайды, оның экипажы 15 адам.

Сингапурде орналасқан Wind Again жүк тасымалдау компаниясы, отын мен шығарындыларды азайту технологиясы, танкерлер мен жүк кемелері үшін арнайы жасалған Flettner роторларын (бүктейтін) ұсынады. Олар отын шығынын 30-40 пайызға азайтып, 3-5 жылда өзін-өзі ақтайды.

Финдік Wartsila теңіз инжинирингтік компаниясы қазірдің өзінде круиздік паромдарда турбожелкендерді бейімдеуді жоспарлап отыр. Бұл финдік Viking Line паром операторының отын шығыны мен қоршаған ортаның ластануын азайтуға ұмтылуымен түсіндіріледі.

Flettner роторларын ләззаттық кемелерде қолдануды Фленсбург университеті (Германия) зерттеп жатыр. Мұнай бағасының өсуі мен климаттың алаңдатарлық жылынуы жел қондырғыларының қайтарылуына қолайлы жағдай болып көрінеді.