Efekt Magnusa i turbożagiel

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-10 22:10

W Australii fizycy-amatorzy zademonstrowali działanie efektu Magnusa. Film z eksperymentu, opublikowany na hostingu YouTube, uzyskał ponad 9 milionów wyświetleń.

Efekt Magnusa to zjawisko fizyczne, które występuje, gdy strumień cieczy lub gazu przepływa wokół obracającego się ciała. Kiedy lecące okrągłe ciało obraca się wokół niego, pobliskie warstwy powietrza zaczynają krążyć. W rezultacie w locie ciało zmienia kierunek ruchu.

Do eksperymentu fizycy amatorzy wybrali tamę o wysokości 126,5 metra i zwykłą piłkę do koszykówki. Początkowo piłka była po prostu rzucona, leciała równolegle do tamy i wylądowała w wyznaczonym punkcie. Za drugim razem piłka została upuszczona, lekko obracając się wokół własnej osi. Latająca kula leciała po niezwykłej trajektorii, wyraźnie demonstrując efekt Magnusa.

Efekt Magnusa wyjaśnia, dlaczego w niektórych sportach, takich jak piłka nożna, piłka leci po dziwnej trajektorii. Najbardziej uderzający przykład „nienormalnego” lotu piłki można było zobaczyć po rzucie wolnym wykonanym przez piłkarza Roberto Carlosa podczas meczu 3 czerwca 1997 roku pomiędzy reprezentacjami Brazylii i Francji.

Statek jest pod żaglami turbo

Słynny serial dokumentalny „Podwodna odyseja zespołu Cousteau” został nakręcony przez wielkiego francuskiego oceanografa w latach 60. – 70. XX wieku. Główny statek Cousteau został następnie przebudowany z brytyjskiego trałowca „Calypso”. Ale w jednym z kolejnych filmów – „Ponowne odkrycie świata” – pojawił się kolejny statek, jacht „Alcyone”.

Patrząc na to, wielu widzów zadało sobie pytanie: czym są te dziwne rury zainstalowane na jachcie?.. Może są to rury kotłów lub układów napędowych? Wyobraź sobie swoje zdumienie, jeśli dowiesz się, że to są ŻAgle … turbożagle …

Fundusz Cousteau nabył jacht „Alkion” w 1985 roku, a statek ten był uważany nie tyle za statek badawczy, ale za bazę do badania wydajności turbożagli - oryginalnego układu napędowego statku. A gdy 11 lat później zatonął legendarny „Calypso”, jej miejsce jako główny statek wyprawy zajęła „Alkiona” (swoją drogą, dziś „Calypso” został podniesiony i jest w stanie na wpół splądrowany port Concarneau).

Właściwie turbożagiel został wynaleziony przez Cousteau. A także sprzęt do nurkowania, podwodny spodek i wiele innych urządzeń do eksploracji głębin morskich i powierzchni oceanów. Pomysł narodził się na początku lat 80. i polegał na stworzeniu jak najbardziej ekologicznego, a jednocześnie wygodnego i nowoczesnego układu napędowego dla ptactwa wodnego. Najbardziej obiecującym obszarem badań wydawało się wykorzystanie energetyki wiatrowej. Ale oto pech: ludzkość wynalazła żagiel kilka tysięcy lat temu, a cóż może być prostszego i bardziej logicznego?

Oczywiście Cousteau i jego firma rozumieli, że nie da się zbudować statku napędzanego wyłącznie żaglami. Dokładniej, być może, ale jego właściwości jezdne będą bardzo przeciętne i zależne od kaprysów pogody i kierunku wiatru. Dlatego pierwotnie planowano, że nowy „żagiel” będzie tylko siłą pomocniczą, mającą zastosowanie do wspomagania konwencjonalnych silników wysokoprężnych. Jednocześnie turbożagiel znacznie zmniejszyłby zużycie oleju napędowego, a przy silnym wietrze mógłby stać się jedynym napędem statku. A spojrzenie zespołu badawczego odwróciło się do przeszłości – do wynalazku niemieckiego inżyniera Antona Flettnera, słynnego konstruktora samolotów, który wniósł znaczący wkład w przemysł stoczniowy.

Wirnik Flettnera i efekt Magnusa

16 września 1922 Anton Flettner otrzymał niemiecki patent na tzw. statek obrotowy. A w październiku 1924 roku eksperymentalny statek obrotowy Buckau opuścił zapasy przedsiębiorstwa stoczniowego Friedrich Krupp w Kilonii. To prawda, że szkuner nie został zbudowany od podstaw: przed montażem wirników Flettnera był to zwykły żaglowiec.

Ideą Flettnera było wykorzystanie tzw. efektu Magnusa, którego istota jest następująca: gdy strumień powietrza (lub cieczy) opływa wirujące ciało, powstaje siła, która jest prostopadła do kierunku przepływu i działa na Ciało. Faktem jest, że obracający się obiekt tworzy wokół siebie ruch wirowy. Po stronie obiektu, gdzie kierunek wiru pokrywa się z kierunkiem przepływu cieczy lub gazu, prędkość medium wzrasta, a po przeciwnej stronie maleje. Różnica ciśnień i tworzy siłę ścinającą skierowaną od strony, w której kierunek obrotu i kierunek przepływu są przeciwne do strony, w której się pokrywają.

Efekt ten został odkryty w 1852 roku przez berlińskiego fizyka Heinricha Magnusa.

Efekt Magnusa

Niemiecki inżynier i wynalazca lotnictwa Anton Flettner (1885-1961) przeszedł do historii nawigacji jako człowiek próbujący wymienić żagle. Miał okazję podróżować przez długi czas na żaglowcu po Oceanie Atlantyckim i Indyjskim. Na masztach żaglowców z tamtej epoki osadzono wiele żagli. Sprzęt żeglarski był drogi, skomplikowany i aerodynamicznie mało wydajny. Ciągłe niebezpieczeństwa czyhały na żeglarzy, którzy nawet podczas sztormu musieli płynąć na wysokości 40-50 metrów.

W trakcie rejsu młody inżynier wpadł na pomysł, aby zamienić wymagające większego wysiłku żagle na prostsze, ale skuteczne urządzenie, którego głównym napędem byłby również wiatr. Zastanawiając się nad tym, przypomniał sobie eksperymenty aerodynamiczne przeprowadzone przez swojego rodaka, fizyka Heinricha Gustava Magnusa (1802-1870). Odkryli, że gdy cylinder obraca się w strumieniu powietrza, powstaje siła poprzeczna o kierunku zależnym od kierunku obrotu cylindra (efekt Magnusa).

Jeden z jego klasycznych eksperymentów wyglądał tak: „Mosiężny cylinder mógł obracać się między dwoma punktami; szybki obrót cylindra był nadawany, podobnie jak w czubku, przez linkę.

Obrotowy cylinder został umieszczony w ramie, którą z kolei można było łatwo obracać. Silny strumień powietrza został wysłany do tego układu za pomocą małej pompy odśrodkowej. Cylinder odchylał się w kierunku prostopadłym do strumienia powietrza i do osi cylindra, ponadto w kierunku, z którego kierunki obrotu i strumienia były takie same „(L. Prandtl „Efekt Magnusa i statek wiatrowy”, 1925).

A. Flettner od razu pomyślał, że żagle można zastąpić obracającymi się cylindrami zainstalowanymi na statku.

Okazuje się, że tam, gdzie powierzchnia cylindra porusza się wbrew przepływowi powietrza, prędkość wiatru maleje, a ciśnienie wzrasta. Po drugiej stronie cylindra jest odwrotnie – prędkość przepływu powietrza wzrasta, a ciśnienie spada. Ta różnica ciśnień z różnych stron cylindra jest siłą napędową, która powoduje ruch naczynia. Jest to podstawowa zasada działania sprzętu obrotowego, który wykorzystuje siłę wiatru do poruszania statkiem. Wszystko jest bardzo proste, ale tylko A. Flettner „nie przeszedł obok”, choć efekt Magnusa znany jest od ponad pół wieku.

Zaczął realizować plan w 1923 roku na jeziorze pod Berlinem. Właściwie Flettner zrobił całkiem prostą rzecz. Zainstalował papierowy cylinder-rotor o wysokości około metra i średnicy 15 cm na metrowej łodzi testowej i przystosował mechanizm zegarowy, aby go obracać. I łódź odpłynęła.

Kapitanowie żaglowców szydzili z cylindrów A. Flettnera, na które chciał wymienić żagle. Wynalazca swoim wynalazkiem zdołał zainteresować bogatych mecenasów sztuki. W 1924 r. zamiast trzech masztów na 54-metrowym szkunerze „Buckau” zainstalowano dwa cylindry wirnika. Te cylindry były zasilane przez 45-konny generator diesla.

Wirniki Bucau były napędzane silnikami elektrycznymi. Właściwie nie było różnicy w projekcie od klasycznych eksperymentów Magnusa. Po stronie, w której wirnik obracał się pod wiatr, powstał obszar zwiększonego ciśnienia, po przeciwnej stronie obszar niskiego ciśnienia. Powstała siła napędza statek. Co więcej, siła ta była około 50 razy większa niż siła naporu wiatru na nieruchomy wirnik!

To otworzyło przed Flettnerem wielkie perspektywy. Między innymi powierzchnia wirnika i jego masa były kilkukrotnie mniejsze niż powierzchnia platformy żaglowej, co dałoby równą siłę napędową. Wirnik był znacznie łatwiejszy do kontrolowania i dość tani w produkcji. Od góry Flettner pokrył wirniki płytami - to zwiększyło siłę napędową około dwukrotnie ze względu na prawidłową orientację przepływów powietrza względem wirnika. Optymalną wysokość i średnicę wirnika dla „Bukau” obliczono, wdmuchując model przyszłego statku w tunel aerodynamiczny.

Wirnik Flettnera sprawdził się znakomicie. W przeciwieństwie do zwykłego żaglowca, wiropłat praktycznie nie bał się złej pogody i silnych wiatrów bocznych, bez problemu mógł płynąć naprzemiennym halsem pod kątem 25º do wiatru czołowego (dla zwykłego żagla granica to ok. 45º). Dwa cylindryczne wirniki (wysokość 13,1 m, średnica 1,5 m) umożliwiły idealne wyważenie statku - okazał się bardziej stabilny niż żaglówka, którą Bukau był przed restrukturyzacją.

Testy przeprowadzono przy bezwietrznej pogodzie, podczas burzy i z celowym przeciążeniem – i nie stwierdzono żadnych poważnych niedociągnięć. Najkorzystniejszym dla ruchu statku był kierunek wiatru dokładnie prostopadły do osi statku, a kierunek ruchu (do przodu lub do tyłu) wyznaczany był przez kierunek obrotów wirników.

W połowie lutego 1925 szkuner Buckau, wyposażony w wirniki Flettnera zamiast żagli, wyjechał z Gdańska do Szkocji. Pogoda była zła i większość żaglówek nie odważyła się opuścić portów. Na Morzu Północnym Buckau musiał poważnie radzić sobie z silnymi wiatrami i dużymi falami, ale szkuner przechylał się na pokład mniej niż inne napotkane żaglówki.

Podczas tego rejsu nie było konieczności wzywania członków załogi na pokład do zmiany żagli w zależności od siły lub kierunku wiatru. Wystarczył jeden nawigator zegarka, który bez wychodzenia ze sterówki mógł kontrolować pracę wirników. Wcześniej załoga trójmasztowego szkunera składała się z co najmniej 20 marynarzy, po przerobieniu go na statek obrotowy wystarczyło 10 osób.

W tym samym roku stocznia położyła podwaliny pod drugi statek obrotowy – potężny liniowiec „Barbara”, napędzany trzema 17-metrowymi wirnikami. Jednocześnie na każdy wirnik wystarczał jeden mały silnik o mocy zaledwie 35 KM. (przy maksymalnej prędkości obrotowej każdego wirnika 160 obr/min)! Siła ciągu wirnika była równoważna ze śrubą napędzaną śrubą napędową sprzężoną z konwencjonalnym okrętowym silnikiem wysokoprężnym o mocy około 1000 KM. Jednak na statku był również dostępny silnik wysokoprężny: oprócz wirników wprawiał on w ruch śmigło (które pozostało jedynym urządzeniem napędowym na wypadek bezwietrznej pogody).

Obiecujące eksperymenty skłoniły firmę żeglugową Rob. M. Sloman z Hamburga do budowy statku Barbara w 1926 roku. Z góry planowano wyposażyć turbożagle – wirniki Flettnera. Na jednostce o długości 90 mi szerokości 13 m zamontowano trzy wirniki o wysokości około 17 m.

Od pewnego czasu Barbara z powodzeniem przewozi owoce z Włoch do Hamburga, zgodnie z planem. Około 30-40% czasu podróży statek płynął z powodu siły wiatru. Przy wietrze 4-6 punktów „Barbara” rozwinęła prędkość 13 węzłów.

Zaplanowano przetestowanie statku obrotowego podczas dłuższych rejsów po Oceanie Atlantyckim.

Ale pod koniec lat dwudziestych nadszedł Wielki Kryzys. W 1929 roku firma czarterowa zrezygnowała z dalszej dzierżawy Barbary i została sprzedana. Nowy właściciel zdjął wirniki i przebudował statek zgodnie z tradycyjnym schematem. Mimo to wirnik przegrał ze śrubami napędowymi w połączeniu z konwencjonalną elektrownią wysokoprężną ze względu na jego zależność od wiatru oraz pewne ograniczenia mocy i prędkości. Flettner zwrócił się do bardziej zaawansowanych badań, a Baden-Baden ostatecznie zatonął podczas burzy na Karaibach w 1931 roku. I na długo zapomnieli o żaglach obrotowych…

Wydawałoby się, że początek naczyń obrotowych był całkiem udany, ale nie otrzymały one rozwoju i na długo zostały zapomniane. Czemu? Najpierw „ojciec” statków obrotowych A. Flettner pogrążył się w tworzeniu śmigłowców i przestał interesować się transportem morskim. Po drugie, pomimo wszystkich swoich zalet, statki obrotowe pozostały żaglowcami z ich nieodłącznymi wadami, z których główną jest zależność od wiatru.

Wirniki Flettnera ponownie zainteresowały się latami 80. XX wieku, kiedy naukowcy zaczęli proponować różne środki mające na celu złagodzenie ocieplenia klimatu, zmniejszenie zanieczyszczenia i bardziej racjonalne wykorzystanie paliwa. Jednym z pierwszych, który je zapamiętał, był francuski odkrywca Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Aby przetestować działanie systemu turbożagla i zmniejszyć zużycie paliwa, dwumasztowy katamaran „Alcyone” (Alcyone jest córką boga wiatrów Aeolus) został przekształcony w statek obrotowy. Wyruszywszy w podróż morską w 1985 roku, udał się do Kanady i Ameryki, okrążył Przylądek Horn, ominął Australię i Indonezję, Madagaskar i RPA. Został przeniesiony na Morze Kaspijskie, gdzie pływał przez trzy miesiące, prowadząc różne badania. Alcyone nadal używa dwóch różnych systemów napędowych – dwóch silników wysokoprężnych i dwóch turbożagli.

Turbo żagiel Cousteau

Żaglówki budowano przez cały XX wiek. Na nowoczesnych statkach tego typu uzbrojenie żaglowe składane jest za pomocą silników elektrycznych, nowe materiały pozwalają znacznie odciążyć konstrukcję. Ale żaglówka to żaglówka, a pomysł wykorzystania energii wiatru w radykalnie nowy sposób wisi w powietrzu od czasów Flettnera. I została odebrana przez niestrudzonego poszukiwacza przygód i odkrywcę Jacques-Yves Cousteau.

23 grudnia 1986 r., po opublikowaniu wspomnianego na początku artykułu Alcyone, Cousteau i jego koledzy Lucien Malavar i Bertrand Charier otrzymali wspólny patent nr US4630997 na „urządzenie wytwarzające siłę poprzez użycie poruszającej się cieczy lub gazu”. Ogólny opis brzmi następująco: „Urządzenie umieszcza się w środowisku poruszającym się w określonym kierunku; w tym przypadku powstaje siła działająca w kierunku prostopadłym do pierwszego. Urządzenie pozwala uniknąć stosowania masywnych żagli, w których siła napędowa jest proporcjonalna do powierzchni żagla.” Jaka jest różnica między turbożaglem Cousteau a obrotowym żaglem Flettnera?

W przekroju turbożagiel jest czymś w rodzaju wydłużonej kropli zaokrąglonej od ostrego końca. Po bokach „kropli” znajdują się kratki wlotu powietrza, przez jedną z których (w zależności od potrzeby poruszania się do przodu lub do tyłu) zasysane jest powietrze. W celu uzyskania najbardziej efektywnego ssania wiatru, we wlocie powietrza na turbożaglu zamontowany jest mały wentylator napędzany silnikiem elektrycznym.

Sztucznie zwiększa prędkość ruchu powietrza od zawietrznej strony żagla, zasysając strumień powietrza w momencie jego oderwania się od płaszczyzny turbożagla. To tworzy podciśnienie po jednej stronie turbożagla, jednocześnie zapobiegając tworzeniu się turbulentnych wirów. I wtedy działa efekt Magnusa: rozrzedzenie po jednej stronie, w wyniku czego - siła poprzeczna zdolna do wprawienia statku w ruch. W rzeczywistości turbożagiel to pionowo ustawione skrzydło samolotu, przynajmniej zasada tworzenia siły napędowej jest podobna do zasady tworzenia siły nośnej samolotu. Aby zapewnić, że turbożagiel jest zawsze zwrócony do wiatru w najkorzystniejszym kierunku, jest on wyposażony w specjalne czujniki i montowany na obrotnicy. Nawiasem mówiąc, patent Cousteau sugeruje, że powietrze z wnętrza turbożagla może być wysysane nie tylko przez wentylator, ale także np. przez pompę powietrza - w ten sposób Cousteau zamknął furtkę dla kolejnych „wynalazców”.

Właściwie po raz pierwszy Cousteau przetestował prototyp turbożagla na katamaranie Moulin à Vent w 1981 roku. Największym udanym rejsem katamaranu był rejs z Tangeru (Maroko) do Nowego Jorku pod okiem większego statku ekspedycyjnego.

A w kwietniu 1985 roku w porcie La Rochelle zwodowano Alcyone, pierwszy pełnoprawny statek wyposażony w turbożagle. Teraz wciąż jest w ruchu i dziś jest okrętem flagowym (i właściwie jedynym dużym statkiem) flotylli Cousteau. Żagle turbo na nim nie są jedynym napędem, ale pomagają zwykłemu sprzęganiu dwóch diesli i

kilka śrub (co, nawiasem mówiąc, zmniejsza zużycie paliwa o około jedną trzecią). Gdyby żył wielki oceanograf, prawdopodobnie zbudowałby jeszcze kilka podobnych statków, ale entuzjazm jego współpracowników po odejściu Cousteau wyraźnie osłabł.

Tuż przed śmiercią w 1997 roku Cousteau aktywnie pracował nad projektem statku „Calypso II” z turbożaglem, ale nie udało mu się go ukończyć. Według najnowszych danych, zimą 2011 roku „Alkiona” znajdowała się w porcie Caen i czekała na nową wyprawę.

I znowu Flettner

Dziś podejmowane są próby ożywienia idei Flettnera i włączenia żagli obrotowych do głównego nurtu. Na przykład słynna hamburska firma Blohm + Voss, po kryzysie naftowym w 1973 roku, rozpoczęła aktywny rozwój tankowca rotacyjnego, ale do 1986 roku czynniki ekonomiczne przykryły ten projekt. Potem była cała seria projektów amatorskich.

W 2007 roku studenci Uniwersytetu we Flensburgu zbudowali katamaran napędzany obrotowym żaglem (Uni-cat Flensburg).

W 2010 roku pojawił się trzeci w historii statek z obrotowymi żaglami – ciężki samochód ciężarowy E-Ship 1, który został zbudowany na zlecenie Enercon, jednego z największych producentów turbin wiatrowych na świecie. 6 lipca 2010 r. statek został po raz pierwszy zwodowany i odbył krótką podróż z Emden do Bremerhaven. A już w sierpniu wyruszył w swoją pierwszą służbową podróż do Irlandii z ładunkiem dziewięciu turbin wiatrowych. Statek jest wyposażony w cztery wirniki Flettnera i oczywiście tradycyjny układ napędowy na wypadek ciszy i dodatkowej mocy. Żagle obrotowe służą jednak tylko jako śmigła pomocnicze: jak na 130-metrową ciężarówkę ich moc nie wystarcza do rozwinięcia odpowiedniej prędkości. Silniki to dziewięć elektrowni Mitsubishi, a wirniki są napędzane przez turbinę parową Siemensa, która wykorzystuje energię ze spalin. Żagle obrotowe zapewniają od 30 do 40% oszczędności paliwa przy 16 węzłach.

Jednak turbożagiel Cousteau wciąż pozostaje w pewnym zapomnieniu: „Alcyone” jest dziś jedynym pełnowymiarowym statkiem z takim rodzajem napędu. Doświadczenie niemieckich stoczniowców pokaże, czy warto dalej rozwijać temat żagli operujących na efekcie Magnusa. Najważniejsze jest, aby znaleźć uzasadnienie biznesowe i udowodnić jego skuteczność. I tam, widzicie, cała światowa żegluga przejdzie do zasady, którą utalentowany niemiecki naukowiec opisał ponad 150 lat temu.

2 sierpnia 2010 roku największy na świecie producent elektrowni wiatrowych Enercon zwodował w stoczni Lindenau w Kilonii 130-metrowy obrotowy statek o szerokości 22 m, który później otrzymał nazwę „E-Ship 1”. Następnie przeszedł pomyślnie testy na Morzu Północnym i Śródziemnym, a obecnie transportuje generatory wiatrowe z Niemiec, gdzie są produkowane, do innych krajów europejskich. Rozwija prędkość 17 węzłów (32 km/h), przewozi jednocześnie ponad 9 tysięcy ton ładunku, jego załoga to 15 osób.

Firma żeglugowa Wind Again z siedzibą w Singapurze, technologia redukcji paliwa i emisji, oferuje specjalnie zaprojektowane wirniki Flettner (składane) dla tankowców i statków towarowych. Zmniejszą zużycie paliwa o 30-40% i zwrócą się za 3-5 lat.

Fińska firma zajmująca się inżynierią morską Wartsila już planuje adaptację turbożagli na promach wycieczkowych. Wynika to z pragnienia fińskiego operatora promowego Viking Line, aby zmniejszyć zużycie paliwa i zanieczyszczenie środowiska.

Uniwersytet we Flensburgu (Niemcy) bada zastosowanie wirników Flettner na statkach wycieczkowych. Rosnące ceny ropy naftowej i niepokojące ocieplenie klimatu wydają się być sprzyjającymi warunkami powrotu turbin wiatrowych.