Magnus-effektus és turbosaiil

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-10 21:16

Ausztráliában amatőr fizikusok működés közben mutatták be a Magnus-effektust. A YouTube-on közzétett kísérleti videót több mint 9 millióan nézték meg.

A Magnus-effektus egy olyan fizikai jelenség, amely akkor következik be, amikor egy forgó test körül folyadék- vagy gázáram áramlik. Amikor egy repülő kerek test forog körülötte, a közeli légrétegek keringeni kezdenek. Ennek eredményeként repülés közben a test megváltoztatja a mozgás irányát.

A kísérlethez az amatőr fizikusok egy 126,5 méter magas gátat és egy közönséges kosárlabdát választottak. Először egyszerűen ledobták a labdát, párhuzamosan repült a gáttal és a megjelölt ponton landolt. A második alkalommal a labdát elejtették, kissé gördülve a tengelye körül. A repülő labda szokatlan pályán repült, egyértelműen demonstrálva a Magnus-effektust.

A Magnus Effect megmagyarázza, hogy egyes sportágakban, például a fociban miért repül a labda furcsa pályán. A "rendellenes" labdarepülés legszembetűnőbb példája Roberto Carlos futballista szabadrúgása után volt látható a brazil–francia válogatott 1997. június 3-i mérkőzésén.

A hajó turbóvitorlák alatt áll

A híres „A Cousteau-csapat víz alatti odüsszeája” című dokumentumfilm-sorozatát a nagy francia óceánográfus forgatta az 1960-as és 1970-es években. A Cousteau fő hajóját ezután átalakították a "Calypso" brit aknakeresőből. De az egyik következő filmben - "A világ újrafelfedezése" - egy másik hajó jelent meg, az "Alcyone" jacht.

Ránézésre sok néző feltette magának a kérdést: mik ezek a furcsa csövek a jachton?.. Talán kazánok vagy meghajtórendszerek csövei? Képzeld el a csodálkozásodat, ha megtudod, hogy ezek VITORLÁK… turbóvitorlák…

A Cousteau-alap 1985-ben vásárolta meg az "Alkion" jachtot, és ezt a hajót nem annyira kutatóhajónak tekintették, hanem a turbóvitorlák - az eredeti hajómeghajtási rendszer - hatékonyságának tanulmányozásának alapjaként. És amikor 11 évvel később a legendás "Calypso" elsüllyedt, az "Alkiona" átvette a helyét az expedíció fő hajójaként (egyébként ma a "Calypso" felemelkedett, és félig kifosztott állapotban van Concarneau kikötője).

Valójában a turbóvitorlát Cousteau találta fel. Valamint búvárfelszerelés, víz alatti csészealj és sok más eszköz a tenger mélyének és az óceánok felszínének felfedezéséhez. Az ötlet az 1980-as évek elején született, és az volt, hogy a legkörnyezetbarátabb, ugyanakkor kényelmes és modern meghajtási rendszert hozzuk létre egy vízimadarak számára. A szélenergia felhasználása tűnt a legígéretesebb kutatási területnek. De itt van a balszerencse: az emberiség több ezer évvel ezelőtt feltalált egy vitorlát, és mi lehetne egyszerűbb és logikusabb?

Természetesen Cousteau és társasága megértette, hogy lehetetlen kizárólag vitorlával hajtott hajót építeni. Pontosabban talán, de a menetteljesítménye nagyon közepes lesz, és az időjárás és a szélirány szeszélyeitől függ. Ezért eredetileg úgy tervezték, hogy az új "vitorla" csak segéderő lesz, a hagyományos dízelmotorok megsegítésére alkalmazható. A turbóvitorla ugyanakkor jelentősen csökkentené a dízel üzemanyag-fogyasztást, erős szélben pedig a hajó egyetlen meghajtójává válhatna. A kutatócsoport tekintete pedig a múlt felé fordult - Anton Flettner német mérnök, a híres repülőgép-tervező találmánya felé, aki jelentős mértékben hozzájárult a hajógyártáshoz.

Flettner forgórésze és a Magnus-effektus

1922. szeptember 16-án Anton Flettner német szabadalmat kapott az úgynevezett forgóedényre. 1924 októberében pedig a Buckau kísérleti forgóhajó elhagyta a Friedrich Krupp hajóépítő cég készleteit Kielben. Igaz, a szkúner nem a semmiből épült: a Flettner rotorjainak felszerelése előtt közönséges vitorlás volt.

Flettner ötlete az úgynevezett Magnus-effektus alkalmazása volt, melynek lényege a következő: amikor egy forgó test körül levegő (vagy folyadék) áramlik, olyan erő keletkezik, amely merőleges az áramlás irányára és arra hat. a test. A helyzet az, hogy egy forgó tárgy örvénymozgást hoz létre maga körül. Az objektum azon oldalán, ahol az örvény iránya egybeesik a folyadék vagy gáz áramlási irányával, a közeg sebessége nő, az ellenkező oldalon pedig csökken. A nyomáskülönbség és nyíróerőt hoz létre, amely arról az oldalról irányul, ahol a forgásirány és az áramlás iránya ellentétes azzal az oldallal, ahol egybeesnek.

Ezt a hatást Heinrich Magnus berlini fizikus fedezte fel 1852-ben.

Magnus hatás

Anton Flettner német repülőmérnök és feltaláló (1885-1961) úgy vonult be a hajózás történetébe, hogy vitorlákat próbált cserélni. Volt alkalma hosszú ideig utazni egy vitorlás hajón az Atlanti- és az Indiai-óceánon. A korszak vitorlás hajóinak árbocára sok vitorlát állítottak fel. A vitorlás felszerelések drágák, összetettek és aerodinamikailag nem túl hatékonyak voltak. Állandó veszélyek leselkedtek a tengerészekre, akiknek még vihar idején is 40-50 méteres magasságban kellett vitorlázniuk.

Az út során az ifjú mérnöknek az volt az ötlete, hogy a nagyobb erőfeszítést igénylő vitorlákat egy egyszerűbb, de hatékony eszközre cserélje, melynek fő hajtóereje is a szél lenne. Ezen töprengve felidézte honfitársa, Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) fizikusa által végzett aerodinamikai kísérleteket. Azt találták, hogy amikor egy henger forog egy légáramban, akkor keresztirányú erő keletkezik, amelynek iránya a henger forgásirányától függ (Magnus-effektus).

Egyik klasszikus kísérlete így nézett ki: „Egy sárgaréz henger két pont között tudott forogni; a henger gyors forgását, mint egy felsőben, egy zsinór biztosította.

A forgó hengert egy keretben helyezték el, amely viszont könnyen forgatható volt. Erős levegősugarat küldtek ebbe a rendszerbe egy kis centrifugálszivattyú segítségével. A henger a légáramra és a henger tengelyére merőleges irányba tért el, ráadásul abba az irányba, ahonnan a forgásirány és a sugár azonos volt.).

A. Flettner azonnal arra gondolt, hogy a vitorlákat ki lehet cserélni a hajóra szerelt forgó hengerekkel.

Kiderül, hogy ahol a henger felülete a légáramlással szemben mozog, ott a szél sebessége csökken, a nyomás pedig nő. A henger másik oldalán ennek az ellenkezője igaz - a légáramlás sebessége nő, a nyomás csökken. Ez a nyomáskülönbség a henger különböző oldalairól az a hajtóerő, amely az edényt mozgásra készteti. Ez a forgó berendezés működési elve, amely a szél erejét használja a hajó mozgatására. Minden nagyon egyszerű, de csak A. Flettner "nem ment el", pedig a Magnus-effektus már több mint fél évszázada ismert.

A tervet 1923-ban kezdte megvalósítani egy Berlin melletti tavon. Valójában Flettner nagyon egyszerű dolgot csinált. Egy méteres próbacsónakra egy körülbelül egy méter magas és 15 cm átmérőjű papírhenger-rotort szerelt fel, és egy óramechanizmust alakított ki annak forgatásához. És a csónak elvitorlázott.

A vitorlás hajók kapitányai kigúnyolták A. Flettner hengereit, amelyekkel ki akarta cserélni a vitorlákat. A feltalálónak sikerült felkelteni találmányával a művészet gazdag mecénásait. 1924-ben három árboc helyett két rotorhengert szereltek fel az 54 méteres Buckau szkúnerre. Ezeket a hengereket 45 lóerős dízelgenerátor hajtotta.

A Bucau rotorjait villanymotorok hajtották. Valójában a tervezésben nem volt különbség Magnus klasszikus kísérleteihez képest. Azon az oldalon, ahol a forgórész a széllel szemben forgott, megnövekedett nyomású terület, az ellenkező oldalon alacsony nyomású terület jött létre. A keletkező erő mozgatja a hajót. Ráadásul ez az erő körülbelül 50-szer nagyobb volt, mint az álló rotorra ható szélnyomás!

Ez nagy távlatokat nyitott Flettner számára. Többek között a rotor területe és tömege többszöröse volt a vitorlás szerelék területének, ami egyenlő hajtóerőt adott volna. A rotort sokkal könnyebb volt vezérelni, és meglehetősen olcsó volt a gyártása. Flettner felülről tányérsíkokkal fedte le a rotorokat - ez körülbelül kétszeresére növelte a hajtóerőt a levegőáramlások forgórészhez viszonyított helyes orientációja miatt. A "Bukau" rotor optimális magasságát és átmérőjét úgy számították ki, hogy a jövő hajójának modelljét egy szélcsatornában fújták.

Flettner rotorja kiválónak bizonyult. A közönséges vitorlás hajókkal ellentétben a forgóhajó gyakorlatilag nem félt a rossz időjárástól és az erős oldalszéltől, könnyen vitorlázhatott váltakozó fogásokkal, 25º-os szögben az ellenszélhez képest (normál vitorla esetén a határ körülbelül 45º). Két hengeres rotor (magasság 13,1 m, átmérő 1,5 m) lehetővé tette a hajó tökéletes kiegyensúlyozását - stabilabbnak bizonyult, mint a Bukau vitorlás az átalakítás előtt.

A teszteket szélcsendben, viharban, szándékos túlterheléssel végezték – komoly hiányosságokat nem tártak fel. A hajó mozgása szempontjából a legelőnyösebb az edény tengelyére pontosan merőleges szélirány volt, a mozgás irányát (előre vagy hátra) pedig a rotorok forgásiránya határozta meg.

1925. február közepén a vitorlák helyett Flettner-rotorokkal felszerelt Buckau szkúner Danzigból (ma Gdansk) Skóciába indult. Az idő rossz volt, és a vitorlások nagy része nem merte elhagyni a kikötőket. Az Északi-tengeren a Buckaunak komoly széllel és nagy hullámokkal kellett megküzdenie, de a szkúner kevésbé dőlt a fedélzeten, mint a többi vitorlás.

Ezen az utazáson nem kellett a legénység fedélzetét felszólítani, hogy vitorlát cseréljenek a szél erősségétől vagy irányától függően. Elég volt az óra egy navigátora, aki anélkül, hogy elhagyta volna a kormányállást, irányítani tudta a rotorok tevékenységét. Korábban egy háromárbocos szkúner legénysége legalább 20 tengerészből állt, forgóhajóvá alakítása után 10 ember is elegendő volt.

Ugyanebben az évben a hajógyár lefektette a második forgóhajó alapjait - a három 17 méteres rotorral hajtott hatalmas Barbara teherszállító hajót. Ugyanakkor minden rotorhoz elegendő volt egy kis motor, amelynek teljesítménye mindössze 35 LE. (az egyes rotorok maximális fordulatszámánál 160 ford./perc)! A rotor tolóereje megegyezett a propeller hajtású légcsavaréval, amely egy körülbelül 1000 LE teljesítményű hagyományos hajó dízelmotorral volt összekapcsolva. A hajón azonban dízelmotor is elérhető volt: a rotorok mellett egy légcsavart is mozgásba hozott (mely nyugodt idő esetén az egyetlen hajtómű maradt).

Ígéretes kísérletek késztették a hamburgi Rob. M. Sloman hajózási társaságot a Barbara hajó megépítésére 1926-ban. Előre tervezték a turbóvitorlák - Flettner rotorok - felszerelését. Egy 90 m hosszú és 13 m széles hajóra három körülbelül 17 m magas rotort szereltek fel.

Barbara a terveknek megfelelően egy ideje sikeresen szállít gyümölcsöt Olaszországból Hamburgba. Az útidő körülbelül 30-40%-ában a hajó a szél erejének köszönhetően közlekedett. 4-6 pontos széllel "Barbara" 13 csomós sebességet fejlesztett ki.

A tervek szerint a forgóhajót hosszabb utakon tesztelték volna az Atlanti-óceánon.

De az 1920-as évek végén beütött a nagy gazdasági világválság. 1929-ben a chartercég feladta a Barbara további bérletét, és eladták. Az új tulajdonos eltávolította a rotorokat, és a hagyományos séma szerint újjáépítette a hajót. Ennek ellenére a rotor elveszett a csavaros légcsavarokkal szemben a hagyományos dízelerőművel kombinálva a széltől való függése, valamint bizonyos teljesítmény- és sebességkorlátozások miatt. Flettner a fejlettebb kutatás felé fordult, és Baden-Baden végül elsüllyedt egy vihar során a Karib-térségben 1931-ben. És sokáig megfeledkeztek a forgóvitorlákról …

Úgy tűnik, hogy a forgóedények kezdete meglehetősen sikeres volt, de nem fejlődtek, és sokáig feledésbe merültek. Miért? Először is, a forgóhajók "atyja", A. Flettner belevetette magát a helikopterek létrehozásába, és megszűnt érdeklődni a tengeri szállítás iránt. Másodszor, minden előnyük ellenére a forgóhajók továbbra is vitorlás hajók maradtak, a magukban rejlő hátrányokkal, amelyek közül a fő a széltől való függés.

Flettner rotorjai ismét a huszadik század 80-as évei iránt érdeklődtek, amikor a tudósok különféle intézkedéseket kezdtek javasolni az éghajlat felmelegedésének mérséklésére, a szennyezés csökkentésére és az üzemanyag ésszerűbb felhasználására. Az elsők között Jacques-Yves Cousteau (1910–1997) francia felfedező idézte fel őket. A turbóvitorlás rendszer működésének tesztelése és az üzemanyag-fogyasztás csökkentése érdekében az "Alcyone" kétárbocos katamaránt (Alcyone Aeolus szelek istenének lánya) forgóhajóvá alakították át. Miután 1985-ben tengeri útra indult, beutazta Kanadát és Amerikát, megkerülte a Horn-fokot, megkerülte Ausztráliát és Indonéziát, Madagaszkárt és Dél-Afrikát. Átszállították a Kaszpi-tengerre, ahol három hónapig hajózott, különféle kutatásokat végzett. Az Alcyone továbbra is két különböző hajtásrendszert használ – két dízelmotort és két turbóvitorlát.

Turbó vitorla Cousteau

A vitorlásokat a 20. század folyamán építették. Az ilyen típusú modern hajókban a vitorlás fegyverzetet elektromos motorok segítségével hajtogatják, az új anyagok lehetővé teszik a szerkezet jelentős könnyítését. De a vitorlás az vitorlás, és a szélenergia radikálisan újszerű felhasználásának gondolata Flettner napjai óta a levegőben van. És felkapta a fáradhatatlan kalandor és felfedező Jacques-Yves Cousteau.

1986. december 23-án, a cikk elején említett Alcyone piacra dobása után Cousteau és kollégái, Lucien Malavar és Bertrand Charier megkapták az US4630997 számú közös szabadalmat „olyan eszközre, amely mozgó folyadék vagy gáz használatával erőt hoz létre.." Az általános leírás a következő: „A készüléket meghatározott irányban mozgó környezetbe helyezzük; ebben az esetben olyan erő keletkezik, amely az elsőre merőleges irányban hat. A készülék elkerüli a masszív vitorlák használatát, amelyekben a hajtóerő arányos a vitorla felületével." Mi a különbség a Cousteau-féle turbóvitorla és a Flettner-féle forgóvitorla között?

Keresztmetszetében a turbóvitorla olyan, mint egy hosszúkás csepp, amelyet az éles végétől lekerekítenek. A "csepp" oldalain légbeömlő rácsok találhatók, amelyek közül az egyiken keresztül (előre vagy hátra mozgás szükségességétől függően) kiszívják a levegőt. A leghatékonyabb szélszívás érdekében egy villanymotorral hajtott kis ventilátort szerelnek be a turbóvitorla légbeömlőjébe.

Mesterségesen növeli a légmozgás sebességét a vitorla hátul felőli oldaláról, beszívja a légáramot abban a pillanatban, amikor elválik a turbóvitorla síkjától. Ez vákuumot hoz létre a turbóvitorla egyik oldalán, miközben megakadályozza a turbulens örvények kialakulását. És ekkor hat a Magnus-effektus: ritkulás az egyik oldalon, ennek eredményeként egy keresztirányú erő, amely képes mozgásba hozni a hajót. Valójában a turbóvitorla egy függőlegesen elhelyezett repülőgépszárny, legalábbis a hajtóerő létrehozásának elve hasonló a repülőgép emelésének létrehozásához. Annak érdekében, hogy a turbóvitorla mindig a legelőnyösebb szélirányba forduljon, speciális érzékelőkkel van felszerelve, és forgótányérra szerelik. Cousteau szabadalma egyébként arra utal, hogy a turbóvitorla belsejéből nem csak ventilátor, hanem például légszivattyú is szívhatja ki a levegőt – így Cousteau bezárta a kaput a későbbi „feltalálók” előtt.

Valójában 1981-ben Cousteau először tesztelt egy turbóvitorla prototípust a Moulin à Vent katamaránon. A katamarán legnagyobb sikeres vitorlázása egy nagyobb expedíciós hajó felügyelete mellett egy Tangerből (Marokkó) New Yorkba tartó utazás volt.

1985 áprilisában pedig La Rochelle kikötőjében vízre bocsátották az Alcyonét, az első teljes értékű, turbóvitorlákkal felszerelt hajót. Most még mindig úton van, és ma a Cousteau-flottilla zászlóshajója (és tulajdonképpen az egyetlen nagy hajója). A rajta lévő turbóvitorlák nem az egyedüli mozgató, de segítik a szokásos csatolást két dízel ill

több csavar (ami egyébként körülbelül harmadával csökkenti az üzemanyag-fogyasztást). Ha a nagy oceanográfus élne, valószínűleg még több hasonló hajót épített volna, de Cousteau távozása után munkatársainak lelkesedése érezhetően csökkent.

Nem sokkal 1997-es halála előtt Cousteau aktívan dolgozott a "Calypso II" hajó projektjén egy turbóvitorlával, de nem sikerült befejeznie. A legfrissebb adatok szerint 2011 telén "Alkiona" Caen kikötőjében tartózkodott, és új expedícióra várt.

És megint Flettner

Napjainkban kísérleteket tesznek Flettner ötletének felelevenítésére és a forgóvitorlák általánossá tételére. Például a híres hamburgi, Blohm + Voss cég az 1973-as olajválság után megkezdte egy forgó tartályhajó aktív fejlesztését, de 1986-ra a gazdasági tényezők lefedték ezt a projektet. Aztán volt egy egész sor amatőr terv.

2007-ben a Flensburgi Egyetem hallgatói rotációs vitorlával hajtott katamaránt építettek (Uni-cat Flensburg).

2010-ben megjelent a harmadik forgóvitorlás hajó - az E-Ship 1 nehézteherautó, amelyet az Enercon, a világ egyik legnagyobb szélturbina-gyártója megrendelésére építettek. 2010. július 6-án a hajót először vízre bocsátották, és rövid utat tett meg Emdenből Bremerhavenbe. És már augusztusban elment első munkaútjára Írországba kilenc szélturbinával. A hajót négy Flettner-rotorral, és természetesen a nyugalom és a plusz teljesítmény érdekében hagyományos meghajtó rendszerrel látták el. Ennek ellenére a forgóvitorlák csak segédcsavarként szolgálnak: egy 130 méteres teherautónál erejük nem elegendő a megfelelő sebesség kialakításához. A motorok kilenc Mitsubishi erőműből állnak, a rotorokat pedig egy Siemens gőzturbina hajtja, amely kipufogógázokból származó energiát használ fel. A forgóvitorlák 30-40%-os üzemanyag-megtakarítást biztosítanak 16 csomós sebességnél.

De Cousteau turbóvitorlája még mindig feledésbe merült: az „Alcyone” ma az egyetlen teljes méretű hajó, amely ilyen típusú meghajtással rendelkezik. A német hajóépítők tapasztalatai megmutatják, van-e értelme továbbfejleszteni a Magnus-effektuson működő vitorlák témáját. A lényeg az, hogy találjunk erre üzleti indokot, és bizonyítsuk annak hatékonyságát. És ott, látod, az egész világhajózás arra az elvre fog áttérni, amelyet egy tehetséges német tudós több mint 150 évvel ezelőtt leírt.

2010. augusztus 2-án a világ legnagyobb szélerőművek gyártója, az Enercon vízre bocsátott egy 130 méteres, 22 m széles forgóhajót, amelyet később „E-Ship 1-nek” neveztek el a kieli Lindenau hajógyárban. Ezután sikeresen tesztelték az Északi- és a Földközi-tengeren, és jelenleg Németországból szállítanak szélgenerátorokat, ahol gyártják őket, más európai országokba. 17 csomós (32 km/h) sebességet fejleszt, egyidejűleg több mint 9 ezer tonna rakományt szállít, legénysége 15 fő.

A szingapúri székhelyű hajózási társaság, a Wind Again egy üzemanyag- és kibocsátáscsökkentési technológia, amely speciálisan kialakított (összecsukható) Flettner-rotorokat kínál tankerek és teherhajók számára. 30-40%-kal csökkentik az üzemanyag-fogyasztást, és 3-5 év alatt megtérülnek.

A finn Wartsila hajómérnöki vállalat már tervezi turbóvitorlák adaptálását a tengeri kompokon. Ennek oka a Viking Line finn kompüzemeltető azon törekvése, hogy csökkentsék az üzemanyag-fogyasztást és a környezetszennyezést.

A Flettner rotorok sétahajókon való használatát vizsgálja a Flensburgi Egyetem (Németország). Az emelkedő olajárak és a riasztó éghajlati felmelegedés kedvező feltételeknek tűnik a szélturbinák visszatéréséhez.