0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Эффект магнуса примеры. Вращение и эффект магнуса. Силы кориолиса на проигрывателе

Эффект Магнуса и его невероятные применения

Странные изменения траектории мяча для обывателя кажутся чудом. Но для профессиональных футболистов, баскетболистов, бильярдистов такие трюки – показатель мастерства. И вот тут-то мы и вспоминаем о законах физики, которая подкидывает такие подарки, как эффект Магнуса. Изначально замеченный в аэродинамике, сегодня этот закон изменения траектории шарообразного предмета нашел очень широкое применение. Совсем недавно в интернете появился ролик, наглядно на примере баскетбольного мяча продемонстрировавший этот физический феномен. Ролик собрал более 9 миллионов просмотров за два дня и подогрел интерес к эффекту Магнуса и его невероятным применениям.

История вопроса

А началось все с того, что прусские канониры никак не могли понять, почему ядра из их пушек постоянно попадают не туда, куда следовало. Вращение ядра в полете с его центром тяжести, не совпадающим с геометрическим, искривляло траекторию полета. Об аэродинамической силе, влияющей на полет вращающегося шара писал еще Исаак Ньютон, а прусские командиры обратились за разъяснением криволинейных траекторий полета ядра к известному немецкому ученому Генриху Густаву Магнусу (1802-1870), который в 1853 дал научное объяснение этому феномену.

Ученый предположил, что дело вовсе не в центре тяжести объекта, а в его вращении. Он провел серию опытов, и хотя не сделал никаких математических расчетов, ему принадлежит первенство доказательства аэродинамической силы, меняющей траекторию полета вращающегося тела.

После Магнуса этой силой заинтересовался Людвиг Прандтль (1875-1953), который замерял силу и скорость. Самое главное его достижение – это установление возможности использования возникающей силы на вращающемся роторе (цилиндре) для обеспечения поступательного движения. Но на практике эту идею реализовал уже другой немец – инженер Антон Флеттнер (1885-1961). О роторных парусах Флеттнера и Кусто чуть позже.

Объяснение не для физиков

Учитывая законы ньютоновской физики твердых тел, простыми словами процесс выглядит следующим образом. Закрученный круглый объект набирает скорость, воздух впереди объекта движется в направлении его вращения и тянется вдоль и к центру. На другой стороне объекта воздух совершает движение в обратном направлении по отношению к направлению вращения. В результате поток отодвигается и объект вытесняет воздух с одной стороны, а воздух с другой стороны образует ответную силу, но в другом направлении, что и меняет траекторию полета объекта. Схема процесса отображена на рисунке выше, это и есть пресловутый эффект Магнуса.

Ветряной корабль Флеттнера

Немецкий патент на роторное судно Антон Флеттнер получил 16 сентября 1922 года. А уже в октябре 1926 года настоящий фурор в Кильской бухте произвело необычное судно с двумя большими трубами на борту и ажурной мачтой. Это было первое роторное судно Buckau, сошедшее со стапелей судостроительной компании Friedrich Krupp.

Флеттнер использовал эффект Магнуса и силу, образующуюся при обтекании вращающихся цилиндров и направленную перпендикулярно направлению потока. Со стороны, где направление вихревого потока, созданного вращающимся телом, совпадает с направлением потока воздуха, сила и скорость движения резко возрастают. Именно такими роторами, которые позже назовут его именем, и заменил паруса молодой инженер Флеттнер.

Роторы этого судна вращались от электрических двигателей. Там, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область с повышенным давлением. С противоположной стороны – с пониженным. Результирующая сила двигала судно.

Buckau с честью прошел испытание. В 1925 году он вышел из Данцига в Шотландию при погодных условиях, когда парусные суда не отваживались выходить в море. Поход был успешным, и при этом команда корабля сократилась до 10 человек, против 20 на паруснике.

Вынужденное забвение

Перед роторами Флеттнера открывалось прекрасное будущее. Успешность проекта подтвердило судно гамбургской компании «Барбара». Это был грузовой лайнер, движение которого обеспечивали три 17-метровых ротора, задающих скорость в 13 узлов при ветре в 4-6 баллов.

Несмотря на видимую успешность проекта, о нем надолго забыли. И причин тому несколько. Сам Флеттнер потерял интерес к судоходству и заинтересовался авиацией, наступили времена Великой депрессии 1920-х годов.

Читать еще:  Можно ли сидеть беременным нога на ногу. Можно ли беременным сидеть «нога за ногу

Реанимация кораблей с роторными установками

Продолжением роторного судна Флеттнера стад турбопарус Жака-Ива Кусто. Известный исследователь и борец за экологически чистые средства передвижения в апреле 1885 года спустил на воду судно «Алкиона», оборудованное запатентованными турбопарусами, в работе которых нашел применение эффект Магнуса. Это судно и сегодня на ходу.

К сожалению, последователи Кусто не очень заинтересовались роторными установками на судах, и интерес к ним снова угас. О них вспомнили с наступлением нефтяного кризиса, и в 2010 году на воду вышло третье судно с роторными установками. Это тяжелое 130-метровое судно E-Ship 1 компании Enercon с четырьмя роторами Флеттнера. Сегодня занимается перевозками ветрогенераторов их Германии в страны Европы, может выдерживать до 9 тонн грузов и развивает скорость в 17 узлов. Экипаж – всего 15 человек.

Роторными установками заинтересовались корабельные компании Wind Again (Сингапур), Wartsila (Финляндия) и некоторые другие. Похоже, что дефицит нефти и тревожное потепление климата сыграют свою роль в возвращении ветряных движителей на современные корабли.

Применение в авиастроении

Применение эффекта Магнуса в авиации реализовывалось в разных конструктивных решениях. В самых простых формах использовались валообразные крылья, вращающиеся во время полета. Среди основателей этого направления был австрийский изобретатель Карл Глигорин, который предлагал установить на роторе обтекатель, повторяющий форму крыла. В Амстердаме над подобными проектами работал Э.Б. Вольф, американцы Джон Д. Герст и К. Поппер в 1932 году даже провели испытания своего самолета с валообразными крыльями.

Работоспособной оказалась модель North American-Rockwell YOU-10A Bronco, переоборудованная вращающимися валами в 1964 году. Это был проект профессора из Перу Альберто Альварес-Кальдерона. Однако у прототипа было больше недостатков, чем достоинств.

Несмотря на усилия, эффект Магнуса в авиации не прижился. Практическое использование крыльев роторного типа связано с целым рядом проблем и пока не оправдывает себя экономически.

Эффект Магнуса и ветрогенераторы

Развитие индустрии альтернативных источников энергии особенно актуально в наше время. И в этой отрасли нашлось применение эффекту Магнуса. На смену лопастным ветрогенераторам приходят роторные установки, которые наиболее эффективны при частых и низких скоростях ветра в 2-6 м/с. Имеют в своей основе ось, вокруг которой вращаются цилиндры. Первая такая установка производства фирмы «Аэролла» появилась вблизи Минска (Беларусь) в 2015 году. Мощность ее составляла 100 кВт, диаметр турбинного ротора 36 метров. Работает при расчетной скорости ветра в 9,5 м/с.

Работы в данном направлении продолжаются в Новосибирском институте прикладной механики СО РАН, и уже есть прототипы ветрогенераторов, которые используют эффект Магнуса с мощностью до 2 МВт.

Не совсем привычное применение

Этот эффект смены траектории движения мяча широко используется в спорте: удары топ-спин и «сухой лист» в футболе, система Hop Up в страйкболе.

Эффект Магнуса сегодня широко используется в проектировании моделей самолетов. Например, самолет из картона, электрического двигателя и бумажных стаканчиков для фаст-фуда был сконструирован каналом PeterSripol.

Эффект Магнуса используется при производстве воздушных змеев. Например, змей в виде вертушки конструктора Д.Эдвардса или С. Альбертсона.

А вот для «охотников за ураганами» это физическое явление может стать очень опасным. Если днище между машиной и землей недостаточно хорошо перекрыто, то через зазор ураганный ветер может создать огромную подъемную силу, которая без труда поднимет автомобиль в воздух.

Что такое эффект Магнуса и как он работает в спорте, альтернативной энергетике и кораблестроении?

Немногим известно, что такое Эффект Магнуса, но зато каждому футбольному болельщику или поклоннику тенниса знакома ситуация, когда мяч в полете движется не по прямой, а по какой-то другой невероятной траектории. Такие «крученые» мячи смотрятся очень эффектно и вызывают шквал эмоций на трибунах болельщиков.

Из-за чего мячи в полете ведут себя таким невероятным образом и в каких перспективных разработках используется эффект Магнуса мы расскажем в этой статье.

Читать еще:  Фигурное катание в янтаре строгино миронова отзывы. Школа фигурного катания "Олимпик". Выступление Ильи Авербуха

Впервые на это явление люди обратили внимание много лет назад, когда, вылетая из дула пушки, ядра необъяснимым образом отклонялись от прямой траектории. В 1742 году Б. Роббинсоном было выдвинута версия, что такое поведение пушечных снарядов было связано с их вращением во время полета.

Этот эффект в 1853 году впервые был описан известным немецким химиком и физиком Густавом Магнусом после изучения траекторий артиллерийских снарядов: поток воздуха, движущийся навстречу вращающимся снарядам создавал подъемную силу, которая отклоняла снаряды от прицельной линии.

В спорте этот эффект проявляется в том, что вокруг закрученного в броске или ударе мяча образуются вихревые потоки воздуха. Из-за этого по одну сторону мяча направление движения воздуха соответствует направлению встречного потока, а по обратную сторону мяча направление вихря противоположно встречному потоку. В результате возникают поперечно действующие силы, изменяющие траекторию.

Действие эффекта Магнуса отлично продемонстрировано в ролике:

Авторами видео из Австралии с дамбы был брошен баскетбольный мяч, во время броска ему придали небольшое вращение. Во время падения мяча в какой-то момент начинает казаться, что мяч начинает лететь горизонтально.

Турбопаруса — движители на основе эффекта Магнуса

Инженер-изобретатель А. Флеттнер из Германии в 1924г. успешно провел первые испытания роторных турбопарусов, принципы работы которых основаны на эффекте Магнуса.

Благодаря своей конструкции, турбопарус, при его использовании, постоянно дает движущую силу в необходимом направлении, а направление ветра не имеет никакого значения.

С такими турбопарусами корабли могут двигаться и против ветра за счет разницы давлений снаружи и внутри турбопаруса, а их коэффициент тяги приблизительно в 4 раза выше по сравнению с лучшими из традиционных парусов. К таким выводам пришла команда инженеров Жака-Ива Кусто после испытаний на судне «Алсион» в 1980-х годах.

На данный момент самый масштабный в проект в этой сфере реализовала компания Maerks, специализирующаяся морских грузоперевозках. 245-ти метровый танкер, принадлежащий MAersk оборудовали 2-мя роторными турбопарусами высотой тридцать метров каждый. По предварительным расчетам специалистов компании такая модернизация позволит снизить потребление топлива судном до 10 %.

Эффект Магнуса и альтернативные источники энергии

Лопастные ветрогенераторные энергоустановки, которые широко используются по всему миру малоэффективны и нестабильно работают при слабом ветре. По этой причине интерес представляют перспективные разработки ветрогенераторов, использующих эффект Магнуса.

Такие роторные установки вместо привычных лопастей оборудованы цилиндрами, которые вращаются по продольной оси. Такая конструкция может эффективно работать даже при скоростях ветра 2–4 м/с и снабжать теплом и светом целый поселок.

Если Вам понравилась статья , поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Глава 3 Эффект Магнуса и сила Лоренца

Глава 3 Эффект Магнуса и сила Лоренца

Аналогично крылу Жуковского – Чаплыгина, сила Магнуса возникает за счет разности давления потока среды на поверхность вращающегося цилиндра. Данный эффект был открыт немецким ученым Г. Г. Магнусом (H. G. Magnus) в 1852 году. На рис. 8 показана схема сложения векторов скоростей потока среды и поверхности вращающегося цилиндра.

Рис. 8. Эффект Магнуса для вращающегося цилиндра

В верхней части цилиндра (вид с торца), направление движения потока среды и поверхности вращающегося цилиндра совпадают, а в нижней части цилиндра, его поверхность движется навстречу потоку среды. Поскольку поток в нижней части вращающегося цилиндра тормозится его поверхностью, движущейся навстречу потоку, то динамическое давление потока уменьшается, а увеличивается статическое давление среды на поверхность, в соответствии с законом Бернулли о полном давлении потока. В результате, давление среды на верхнюю часть вращающегося цилиндра становится меньше, чем на нижнюю часть цилиндра. Возникает подъемная сила, как и при эффекте крыла, имеющего профиль Жуковского – Чаплыгина.

Эффект Магнуса хорошо известен футболистам и теннисистам, который используют его для создания криволинейной траектории полета закрученного мяча. При «крученом ударе», мяч летит прямолинейно, но вращается вокруг своей оси. В полете, на него набегает поток воздуха, что создает эффект Магнуса, и траектория полета искривляется. В результате такого удара, мяч летит по кривой, и попадает не туда, где его ждут…

Читать еще:  Накачать руки женщине в домашних условиях. Как накачать руки девушке в домашних условиях – упражнения с гантелями и без них. Для чего девушке качать руки

Предположим, что мы сконструировали замкнутый поток движущейся среды (воздуха, воды и т. п.), в котором поставлены несколько вращающихся цилиндров, как показано на рис. 9. Допустим, что вращение каждого цилиндра обеспечивает независимый электропривод, с регулируемой скоростью и направлением вращения.

Рис. 9. Движитель на основе эффекта Магнуса

В отличие от конструкции с крылом, установленным в потоке движущейся среды, данная схема имеет важное преимущество: величину и направление осевой подъемной силы, можно менять за счет изменений величины скорости и направления вращения цилиндров. Скорость и направление циркулирующего потока можно не менять, что дает значительные преимущества по быстродействию и маневренности данного транспортного средства. Движитель данного типа может быть установлен вертикально или горизонтально, создавая силу тяги.

Интересная аналогия с эффектом Магнуса возникает при рассмотрении электромагнитного явления, известного, как сила Лоренца: на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, в направлении, показанном на рис. 10. О причине появления данной силы, ранее не было однозначного объяснения. Предполагая аналогии с эффектом Магнуса, можно трактовать силу Лоренца, как результат градиента давления эфирной среды. В докладе [1] это было впервые показано, 1996 год.

Рис. 10. Сила Лоренца, как результат градиента давления эфира

Однако, на схеме рис. 10, мы получаем картину, обратную суперпозиции векторов, которая была показана на рис. 8. Сила Магнуса действует на цилиндр, вращающийся в потоке среды, в направлении согласованного движения поверхности цилиндра и среды. На рис. 10 показано, что сила Лоренца действует в направлении встречной суперпозиции векторов. Почему?

Дело в том, что вектора на рис. 10 показаны условно, согласно принятым обозначениям векторов электрического тока (потока положительно заряженных частиц) и магнитного поля. Направление движения реальных потоков электронов и эфирных частиц (вектора магнитных полей) отличаются от условных обозначений. Принципиально, эффект создается аналогично эффекту Магнуса, за счет градиента давления среды, обусловленного разной относительной скоростью, но электромагнитные системы используют эфирную среду, а не воздух или воду.

Важно отметить, что электрон или другая заряженная частица, которая при движении создает магнитное поле, является вращающимся объектом. Было бы точнее, считать ее линейное перемещение винтовой линией, правой или левой спиралью, в зависимости от знака электрического заряда данной частицы материи.

О структуре электрона написано немало, но мне хотелось бы рекомендовать читателю работу отца и сына Поляковых [4]. Данные авторы рассматривали в своей книге «Экспериментальная гравитоника» строение электрона, и показали, что он может быть представлен, как замкнутый на себя фотон круговой поляризации, то есть, как динамический процесс движения электромагнитной волны круговой поляризации в замкнутом тороидальном пространстве. Позже, мы раскроем данный вопрос подробнее. Здесь только коротко отметим, что, при таком рассмотрении, появление магнитного поля, при движении заряженной частицы в эфире, имеет явную аналогию с возмущение физической среды, которое возникает при движении в данной среде вращающегося цилиндра или шара.

Можно сказать, что взаимодействие внешнего магнитного поля, поперек которого движется электрически заряженная частица, с ее собственным магнитным полем, отклоняет частицу таким же образом, как и поток воздуха отклоняет закрученный мяч, а именно, благодаря созданию градиента давления среды на движущуюся в ней частицу материи.

В таком случае, силы Лоренца и силы Ампера являются внешними силами, по отношению к проводникам с током, на которые они действуют, то есть, могут обеспечить их движение в пространстве.

Эти интересные аналогии между аэродинамикой и эфиродинамикой дают много конструктивных идей.

Источники:

http://fb.ru/article/391708/effekt-magnusa-i-ego-neveroyatnyie-primeneniya
http://zen.yandex.ru/media/id/5af18cff8c8be36795a8504e/5bbcdbfac4487100abab98a4
http://tech.wikireading.ru/13055

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector