Magnus effek en turboseil

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2024-01-10 19:49

In Australië het amateurfisici die Magnus-effek in aksie getoon. Die eksperimentvideo, wat op YouTube-hosting geplaas is, het meer as 9 miljoen kyke ontvang.

Die Magnus-effek is 'n fisiese verskynsel wat plaasvind wanneer 'n stroom vloeistof of gas om 'n roterende liggaam vloei. Wanneer 'n vlieënde ronde liggaam om dit draai, begin nabygeleë luglae sirkuleer. As gevolg hiervan, tydens vlug, verander die liggaam sy bewegingsrigting.

Vir die eksperiment het amateurfisici 'n dam van 126,5 meter hoog en 'n gewone basketbal gekies. Aanvanklik is die bal eenvoudig neergegooi, dit het parallel met die dam gevlieg en by die gemerkte punt beland. Die tweede keer is die bal laat val, effens om sy as gerol. Die vlieënde bal het langs 'n ongewone trajek gevlieg, wat die Magnus-effek duidelik demonstreer.

Die Magnus-effek verduidelik hoekom in sommige sportsoorte, soos sokker, die bal in 'n vreemde baan vlieg. Die treffendste voorbeeld van die "abnormale" vlug van die bal kon gesien word na 'n vryskop deur die sokkerspeler Roberto Carlos tydens die 3 Junie 1997-wedstryd tussen die nasionale spanne van Brasilië en Frankryk.

Die skip is onder turboseile

Die bekende dokumentêre reeks "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" is in die 1960's – 1970's deur die groot Franse oseanograaf geskiet. Die hoofskip van die Cousteau is toe omskep van die Britse mynveer "Calypso". Maar in een van die daaropvolgende films - "Rediscovery of the World" - het 'n ander skip verskyn, die seiljag "Alcyone".

As hulle daarna kyk, het baie kykers hulself die vraag gevra: wat is hierdie vreemde pype wat op die seiljag geïnstalleer is?.. Miskien is dit pype van ketels of aandrywingstelsels? Stel jou verbasing voor as jy uitvind dat dit SEILE … turboseile …

Die Cousteau-fonds het die seiljag "Alkion" in 1985 bekom, en hierdie skip is nie soseer as 'n navorsingskip beskou nie, maar as 'n basis vir die bestudering van die doeltreffendheid van turboseile - die oorspronklike skeepsaandrywingstelsel. En toe, 11 jaar later, die legendariese "Calypso" gesink het, het die "Alkiona" haar plek ingeneem as die hoofvaartuig van die ekspedisie (terloops, vandag is die "Calypso" grootgemaak en is in 'n semi-geroofde toestand in die hawe van Concarneau).

Eintlik is die turboseil deur Cousteau uitgevind. Sowel as skuba-toerusting, 'n onderwater piering en baie ander toestelle om die dieptes van die see en die oppervlak van die oseane te verken. Die idee is in die vroeë 1980's gebore en was om die mees omgewingsvriendelike, maar terselfdertyd gerieflike en moderne aandrywingstelsel vir 'n watervoël te skep. Die gebruik van windkrag was blykbaar die mees belowende gebied van navorsing. Maar hier is die slegte geluk: die mensdom het 'n seil 'n paar duisend jaar gelede uitgevind, en wat kan eenvoudiger en meer logies wees?

Natuurlik het Cousteau en sy maatskappy verstaan dat dit onmoontlik was om 'n skip te bou wat uitsluitlik deur seil aangedryf word. Meer presies, miskien, maar sy bestuursverrigting sal baie middelmatig wees en afhanklik wees van die grille van die weer en windrigting. Daarom is oorspronklik beplan dat die nuwe "seil" slegs 'n hulpkrag sal wees, van toepassing om konvensionele dieselenjins te help. Terselfdertyd sal 'n turboseil dieselverbruik aansienlik verminder, en in 'n sterk wind kan dit die enigste aandrywing van die vaartuig word. En die voorkoms van die navorsingspan het na die verlede gedraai - na die uitvinding van die Duitse ingenieur Anton Flettner, die beroemde vliegtuigontwerper, wat 'n beduidende bydrae tot skeepsbou gemaak het.

Flettner se rotor en die Magnus-effek

Op 16 September 1922 het Anton Flettner 'n Duitse patent vir die sogenaamde roterende vaartuig ontvang. En in Oktober 1924 het die eksperimentele roterende skip Buckau die voorraad van die skeepsboumaatskappy Friedrich Krupp in Kiel verlaat. Die skoener is weliswaar nie van nuuts af gebou nie: voor die installering van Flettner se rotors was dit 'n gewone seilboot.

Flettner se idee was om die sogenaamde Magnus-effek te gebruik, waarvan die essensie soos volg is: wanneer 'n lug (of vloeistof) stroom om 'n roterende liggaam vloei, word 'n krag opgewek wat loodreg op die rigting van die vloei is en inwerk op die liggaam. Die feit is dat 'n roterende voorwerp 'n draaikolkbeweging om homself skep. Aan die kant van die voorwerp, waar die rigting van die draaikolk saamval met die rigting van die vloei van vloeistof of gas, neem die snelheid van die medium toe, en aan die teenoorgestelde kant neem dit af. Die verskil in druk en skep 'n skuifkrag wat gerig word vanaf die kant waar die rotasierigting en die vloeirigting teenoor die kant is waar hulle saamval.

Hierdie effek is in 1852 deur die Berlynse fisikus Heinrich Magnus ontdek.

Magnus effek

Die Duitse lugvaartingenieur en uitvinder Anton Flettner (1885-1961) het in die geskiedenis van navigasie afgegaan as 'n man wat seile probeer vervang. Hy het 'n kans gehad om vir 'n lang tyd op 'n seilskip oor die Atlantiese en Indiese oseane te reis. Baie seile is op die maste van seilskepe van daardie era gesit. Seiltoerusting was duur, kompleks en aërodinamies nie baie doeltreffend nie. Voortdurende gevare het matrose geskuil wat selfs tydens 'n storm op 40-50 meter hoogte moes vaar.

Tydens die vaart het die jong ingenieur die idee gehad om die seile, wat meer moeite verg, te vervang met 'n eenvoudiger maar doeltreffende toestel, waarvan die hoofaandrywing ook die wind sou wees. Terwyl hy hieroor nadink, het hy aërodinamiese eksperimente onthou wat deur sy landgenoot-fisikus Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) uitgevoer is. Hulle het gevind dat wanneer 'n silinder in 'n lugvloei roteer, 'n dwarskrag ontstaan met 'n rigting wat afhang van die draairigting van die silinder (Magnus-effek).

Een van sy klassieke eksperimente het so gelyk: “’n Kopersilinder kon tussen twee punte roteer; die vinnige rotasie van die silinder is, soos in 'n bokant, deur 'n koord meegedeel.

Die roterende silinder is in 'n raam geplaas, wat op sy beurt maklik gedraai kon word. 'n Sterk straal lug is na hierdie stelsel gestuur met 'n klein sentrifugale pomp. Die silinder het in 'n rigting loodreg op die lugstroom en op die silinder-as afgewyk, bowendien in die rigting waaruit die draairigtings en die straal dieselfde was "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner het dadelik gedink dat die seile vervang kan word deur roterende silinders wat op die skip geïnstalleer is.

Dit blyk dat waar die oppervlak van die silinder teen die lugvloei beweeg, die windspoed afneem en die druk toeneem. Aan die ander kant van die silinder is die teenoorgestelde waar - die spoed van die lugvloei neem toe en die druk neem af. Hierdie verskil in druk van verskillende kante van die silinder is die dryfkrag wat die vaartuig laat beweeg. Dit is die basiese beginsel van werking van roterende toerusting, wat die krag van die wind gebruik om die vaartuig te beweeg. Alles is baie eenvoudig, maar net A. Flettner het “nie verbygegaan nie”, hoewel die Magnus-effek al meer as’n halfeeu bekend is.

Hy het die plan in 1923 op 'n meer naby Berlyn begin implementeer. Eintlik het Flettner 'n redelik eenvoudige ding gedoen. Hy het 'n papiersilinderrotor van ongeveer 'n meter hoog en 15 cm in deursnee op 'n meter lange toetsboot geïnstalleer en 'n klokmeganisme aangepas om dit te draai. En die boot het weggevaar.

Die kapteins van seilskepe het gespot met A. Flettner se silinders waarmee hy die seile wou vervang. Die uitvinder het daarin geslaag om ryk beskermhere van kuns met sy uitvinding te interesseer. In 1924, in plaas van drie maste, is twee rotorsilinders op die 54-meter-skoener "Buckau" geïnstalleer. Hierdie silinders is aangedryf deur 'n 45 pk diesel kragopwekker.

Die Bucau se rotors is deur elektriese motors aangedryf. Eintlik was daar geen verskil van die klassieke eksperimente van Magnus in die ontwerp nie. Aan die kant waar die rotor teen die wind gedraai het, is 'n area van verhoogde druk geskep, aan die teenoorgestelde kant, 'n lae druk area. Die gevolglike krag is wat die skip aangedryf het. Boonop was hierdie krag ongeveer 50 keer groter as die krag van winddruk op 'n stilstaande rotor!

Dit het groot vooruitsigte vir Flettner geopen. Die rotoroppervlakte en sy massa was onder meer verskeie kere minder as die oppervlakte van die seiltuig, wat gelyke dryfkrag sou gegee het. Die rotor was baie makliker om te beheer, en dit was redelik goedkoop om te vervaardig. Van bo af het Flettner die rotors met plaatvlakke bedek - dit het die dryfkrag met sowat twee keer verhoog as gevolg van die korrekte oriëntasie van die lugvloei relatief tot die rotor. Die optimale hoogte en deursnee van die rotor vir "Bukau" is bereken deur 'n model van die toekomstige skip in 'n windtonnel te blaas.

Flettner se rotor was uitstekend. Anders as 'n gewone seilvaartuig, was 'n roterende skip feitlik nie bang vir slegte weer en sterk sywinde nie, dit kon maklik met afwisselende keëls teen 'n hoek van 25º met die kopwind vaar (vir 'n normale seil is die limiet ongeveer 45º). Twee silindriese rotors (hoogte 13,1 m, deursnee 1,5 m) het dit moontlik gemaak om die vaartuig perfek te balanseer – dit het geblyk meer stabiel te wees as die seilboot wat Bukau voor die herstrukturering was.

Die toetse is uitgevoer in kalm weer, en in 'n storm, en met doelbewuste oorlading - en geen ernstige tekortkominge is geïdentifiseer nie. Die voordeligste vir die beweging van die vaartuig was die rigting van die wind presies loodreg op die as van die vaartuig, en die bewegingsrigting (vorentoe of agtertoe) is bepaal deur die rotasierigting van die rotors.

In die middel van Februarie 1925 het die skoener Buckau, toegerus met Flettner se rotors in plaas van seile, Danzig (nou Gdansk) na Skotland verlaat. Die weer was sleg en die meeste van die seilbote het dit nie gewaag om die hawens te verlaat nie. In die Noordsee moes die Buckau sterk winde en groot golwe hanteer, maar die skoener het minder aan boord gehak as wat ander seilbote teëgekom het.

Tydens hierdie vaart was dit nie nodig om op die dek van die bemanningslede te roep om seile te verander na gelang van die sterkte of rigting van die wind nie. Een navigator van die horlosie was genoeg, wat, sonder om die stuurhuis te verlaat, die aktiwiteit van die rotors kon beheer. Voorheen het die bemanning van 'n driemas-skoener uit minstens 20 matrose bestaan, na die omskepping daarvan in 'n roterende skip was 10 mense genoeg.

In dieselfde jaar het die skeepswerf die grondslag gelê vir die tweede roterende skip - die magtige vragvoertuig "Barbara", aangedryf deur drie 17-meter rotors. Terselfdertyd was een klein motor met 'n kapasiteit van slegs 35 pk genoeg vir elke rotor. (teen die maksimum rotasiespoed van elke rotor 160 rpm)! Die rotorstoot was gelykstaande aan dié van 'n skroefaangedrewe skroef tesame met 'n konvensionele skeepsdieselenjin met 'n kapasiteit van ongeveer 1000 pk. 'n Dieselenjin was egter ook op die skip beskikbaar: benewens die rotors het dit 'n skroef aan die gang gesit (wat die enigste aandrywingstoestel gebly het in geval van kalm weer).

Belowende eksperimente het die redery Rob. M. Sloman van Hamburg aangespoor om die skip Barbara in 1926 te bou. Daar is vooraf beplan om turboseile – Flettner se rotors – toe te rus. Op 'n vaartuig van 90 m lank en 13 m breed is drie rotors met 'n hoogte van sowat 17 m gemonteer.

Barbara vervoer al geruime tyd, soos beplan, vrugte suksesvol van Italië na Hamburg. Ongeveer 30–40% van die reistyd het die vaartuig gevaar as gevolg van die krag van die wind. Met 'n wind van 4-6 punte het "Barbara" 'n spoed van 13 knope ontwikkel.

Daar is beplan om die roterende vaartuig op langer reise in die Atlantiese Oseaan te toets.

Maar in die laat 1920's het die Groot Depressie toegeslaan. In 1929 het die huurmaatskappy die verdere huurkontrak van die Barbara laat vaar en is verkoop. Die nuwe eienaar het die rotors verwyder en die skip volgens die tradisionele skema weer aangebring. Tog het die rotor teen die skroefskroewe verloor in kombinasie met 'n konvensionele dieselkragsentrale as gevolg van sy afhanklikheid van die wind en sekere beperkings in krag en spoed. Flettner het hom tot meer gevorderde navorsing gewend, en Baden-Baden het uiteindelik tydens 'n storm in die Karibiese Eilande in 1931 gesink. En hulle het lankal van draaiseile vergeet …

Die begin van roterende vaartuie, dit wil voorkom, was redelik suksesvol, maar hulle het nie ontwikkeling ontvang nie en is vir 'n lang tyd vergeet. Hoekom? Eerstens het die "vader" van roterende vaartuie A. Flettner in die skepping van helikopters gedompel en opgehou om in seevervoer belang te stel. Tweedens, ondanks al hul voordele, het roterende vaartuie seilskepe gebly met hul inherente nadele, waarvan die belangrikste afhanklikheid van die wind is.

Flettner se rotors was weer geïnteresseerd in die 80's van die twintigste eeu, toe wetenskaplikes verskeie maatreëls begin voorstel het om klimaatsverwarming te versag, besoedeling te verminder en meer rasionele gebruik van brandstof. Een van die eerstes wat hulle herroep het, was die Franse ontdekkingsreisiger Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Om die werking van die turboseilstelsel te toets en brandstofverbruik te verminder, is die tweemaskatamaran "Alcyone" (Alcyone is die dogter van die god van die winde Aeolus) in 'n roterende vaartuig omskep. Nadat hy in 1985 op 'n seereis vertrek het, het hy na Kanada en Amerika gereis, Kaap Hoorn omgedraai, Australië en Indonesië, Madagaskar en Suid-Afrika omseil. Hy is na die Kaspiese See oorgeplaas, waar hy vir drie maande gevaar het en verskeie navorsing gedoen het. Alcyone gebruik steeds twee verskillende aandrywingstelsels – twee dieselenjins en twee turboseile.

Turbo seil Cousteau

Seilbote is dwarsdeur die 20ste eeu gebou. In moderne skepe van hierdie tipe word seilbewapening met behulp van elektriese motors gevou, nuwe materiale maak dit moontlik om die struktuur aansienlik te verlig. Maar 'n seilboot is 'n seilboot, en die idee om windenergie op 'n radikaal nuwe manier te gebruik, is sedert die dae van Flettner in die lug. En sy is opgetel deur die onvermoeide avonturier en ontdekkingsreisiger Jacques-Yves Cousteau.

Op 23 Desember 1986, nadat die Alcyone wat aan die begin van die artikel genoem is bekendgestel is, het Cousteau en sy kollegas Lucien Malavar en Bertrand Charier gesamentlike patent No. US4630997 ontvang vir "'n toestel wat krag skep deur die gebruik van 'n bewegende vloeistof of gas." Die algemene beskrywing lui soos volg: “Die toestel word geplaas in’n omgewing wat in’n sekere rigting beweeg; in hierdie geval ontstaan 'n krag wat in 'n rigting loodreg op die eerste inwerk. Die toestel vermy die gebruik van massiewe seile, waarin die dryfkrag eweredig is aan die seiloppervlakte." Wat is die verskil tussen Cousteau se turboseil en Flettner se roterende seil?

In deursnee is 'n turboseil iets soos 'n langwerpige druppel wat van die skerp punt afgerond is. Aan die kante van die "druppel" is daar luginlaatroosters, waardeur een (afhangende van die behoefte om vorentoe of agtertoe te beweeg) lug uitgesuig word. Vir die doeltreffendste windsuiging word 'n klein waaier wat deur 'n elektriese motor aangedryf word in die luginlaat op die turboseil geïnstalleer.

Dit verhoog kunsmatig die spoed van lugbeweging vanaf die leeskant van die seil, en suig die lugstroom in op die oomblik van sy skeiding van die vlak van die turbo-seil. Dit skep 'n vakuum aan die een kant van die turboseil terwyl dit die vorming van onstuimige kolke voorkom. En dan tree die Magnus-effek op: rafaksie aan die een kant, as gevolg daarvan - 'n dwarskrag wat in staat is om die skip in beweging te sit. Eintlik is 'n turboseil 'n vertikaal geposisioneerde vliegtuigvlerk, ten minste is die beginsel om 'n voortstuwingskrag te skep soortgelyk aan die beginsel om 'n hysbak van 'n vliegtuig te skep. Om te verseker dat die turboseil altyd in die voordeligste rigting na die wind gedraai word, is dit toegerus met spesiale sensors en is dit op 'n draaitafel geïnstalleer. Terloops, Cousteau se patent impliseer dat lug uit die binnekant van 'n turboseil uitgesuig kan word nie net deur 'n waaier nie, maar ook byvoorbeeld deur 'n lugpomp - dus het Cousteau die hek toegemaak vir daaropvolgende "uitvinders".

Eintlik het Cousteau in 1981 vir die eerste keer’n prototipe turboseil op die Moulin à Vent-katamaran getoets. Die grootste suksesvolle vaart van die katamaran was 'n reis van Tanger (Marokko) na New York onder die toesig van 'n groter ekspedisieskip.

En in April 1985, in die hawe van La Rochelle, is die Alcyone, die eerste volwaardige skip wat met turboseile toegerus is, te water gelaat. Nou is sy steeds aan die beweeg en is vandag die vlagskip (en eintlik die enigste groot skip) van die Cousteau-flotielje. Die turbo-seile daarop is nie die enigste skuif nie, maar dit help die gewone koppeling van twee diesels en

verskeie skroewe (wat, terloops, brandstofverbruik met sowat 'n derde verminder). As die groot oseanograaf geleef het, sou hy waarskynlik nog verskeie soortgelyke skepe gebou het, maar die entoesiasme van sy medewerkers na die vertrek van Cousteau het merkbaar verminder.

Kort voor sy dood in 1997 was Cousteau aktief besig met die projek van die skip "Calypso II" met 'n turboseil, maar kon dit nie voltooi nie. Volgens die jongste data was "Alkiona" in die winter van 2011 in die hawe van Caen en het gewag vir 'n nuwe ekspedisie.

En weer Flettner

Vandag word gepoog om Flettner se idee te laat herleef en draaiseile hoofstroom te maak. Byvoorbeeld, die beroemde Hamburgse maatskappy Blohm + Voss het ná die oliekrisis van 1973 met aktiewe ontwikkeling van 'n roterende tenkwa begin, maar teen 1986 het ekonomiese faktore hierdie projek bedek. Dan was daar 'n hele reeks amateurontwerpe.

Studente aan die Universiteit van Flensburg het in 2007 'n katamaran gebou wat deur 'n roterende seil (Uni-cat Flensburg) aangedryf word.

In 2010 het die derde skip ooit met roterende seile verskyn - die swaar vragmotor E-Ship 1, wat gebou is in opdrag van Enercon, een van die grootste vervaardigers van windturbines in die wêreld. Op 6 Julie 2010 is die skip die eerste keer te water gelaat en het 'n kort vaart van Emden na Bremerhaven gemaak. En reeds in Augustus het hy met 'n vrag van nege windturbines op sy eerste werksreis na Ierland gegaan. Die vaartuig is toegerus met vier Flettner-rotors en natuurlik 'n tradisionele aandrywingstelsel in geval van kalmte en vir bykomende krag. Tog dien roterende seile net as hulppropellers: vir 'n 130 meter-vragmotor is hul krag nie genoeg om die regte spoed te ontwikkel nie. Die enjins is nege Mitsubishi-kragsentrales, en die rotors word aangedryf deur 'n Siemens-stoomturbine wat energie van uitlaatgasse gebruik. Roterende seile bied 30 tot 40% brandstofbesparing teen 16 knope.

Maar Cousteau se turboseil bly steeds in die vergetelheid: "Alcyone" is vandag die enigste volgrootte skip met hierdie tipe aandrywing. Die ervaring van Duitse skeepsbouers sal wys of dit sin maak om die tema van seile wat op die Magnus-effek werk verder te ontwikkel. Die belangrikste ding is om 'n sakesaak hiervoor te vind en die doeltreffendheid daarvan te bewys. En daar, sien jy, sal alle wêreldskeepvaart na die beginsel beweeg wat 'n talentvolle Duitse wetenskaplike meer as 150 jaar gelede beskryf het.

Op 2 Augustus 2010 het die wêreld se grootste vervaardiger van windkragaanlegte Enercon 'n roterende vaartuig van 130 meter, 22 m breed, wat later “E-Ship 1” genoem is, by die Lindenau-skeepswerf in Kiel te water gelaat. Toe is dit suksesvol in die Noord- en Middellandse See getoets, en vervoer tans windopwekkers van Duitsland, waar dit vervaardig word, na ander Europese lande. Dit ontwikkel 'n spoed van 17 knope (32 km / h), vervoer terselfdertyd meer as 9 duisend ton vrag, sy bemanning is 15 mense.

Singapoer-gebaseerde redery Wind Again, 'n brandstof- en emissieverminderingstegnologie, bied spesiaal ontwerpte Flettner-rotors (opvoubaar) vir tenkwaens en vragskepe. Hulle sal brandstofverbruik met 30-40% verminder en sal oor 3-5 jaar vrugte afwerp.

Die Finse mariene ingenieursmaatskappy Wartsila beplan reeds om turboseile op cruise-veerbote aan te pas. Dit is te danke aan die begeerte van die Finse veerbootoperateur Viking Line om brandstofverbruik en omgewingsbesoedeling te verminder.

Die gebruik van Flettner-rotors op plesiervaartuie word deur die Universiteit van Flensburg (Duitsland) bestudeer. Stygende oliepryse en kommerwekkende klimaatsverhitting blyk gunstige toestande te wees vir die terugkeer van windturbines.