Magnusov efekt i turbojedro

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-10 21:12

U Australiji su fizičari amateri demonstrirali Magnusov učinak na djelu. Video eksperimenta, objavljen na YouTube hostingu, imao je više od 9 milijuna pregleda.

Magnusov efekt je fizički fenomen koji se javlja kada struja tekućine ili plina teče oko rotirajućeg tijela. Kada se leteće okruglo tijelo okreće oko njega, obližnji slojevi zraka počinju kružiti. Kao rezultat toga, tijekom leta tijelo mijenja smjer kretanja.

Za eksperiment su fizičari amateri odabrali branu visoku 126,5 metara i običnu košarkašku loptu. U početku je lopta jednostavno bačena dolje, letjela je paralelno s branom i sletjela na označenu točku. Drugi put je lopta ispuštena, lagano se pomičući oko svoje osi. Leteća je lopta letjela neobičnom putanjom, jasno pokazujući Magnusov efekt.

Magnusov efekt objašnjava zašto u nekim sportovima, kao što je nogomet, lopta leti čudnom putanjom. Najupečatljiviji primjer "nenormalnog" letenja lopte mogao se vidjeti nakon slobodnog udarca nogometaša Roberta Carlosa tijekom utakmice 3. lipnja 1997. između reprezentacija Brazila i Francuske.

Brod je pod turbo jedrima

Čuvenu dokumentarnu seriju "Podvodna odiseja tima Cousteau" veliki francuski oceanograf snimio je 1960-ih – 1970-ih godina. Glavni brod Cousteaua tada je pretvoren iz britanskog minolovca "Calypso". Ali u jednom od sljedećih filmova - "Ponovno otkrivanje svijeta" - pojavio se još jedan brod, jahta "Alcyone".

Gledajući to, mnogi su si gledatelji postavili pitanje: koje su to čudne cijevi instalirane na jahti?.. Možda su to cijevi kotlova ili pogonskih sustava? Zamislite svoje čuđenje ako saznate da su ovo JEDRA … turbojedra …

Cousteauov fond je 1985. godine nabavio jahtu "Alkion", a ovaj se brod smatrao ne toliko kao istraživački, koliko kao baza za proučavanje učinkovitosti turbojedara - originalnog brodskog pogonskog sustava. A kada je 11 godina kasnije legendarni "Calypso" potonuo, "Alkiona" je zauzela svoje mjesto kao glavno plovilo ekspedicije (usput rečeno, danas je "Calypso" podignut i nalazi se u polu-opljačkanom stanju u luka Concarneau).

Zapravo, turbojedro je izumio Cousteau. Kao i oprema za ronjenje, podvodni tanjur i mnoge druge sprave za istraživanje morskih dubina i površine oceana. Ideja se rodila ranih 1980-ih i bila je stvoriti ekološki najprihvatljiviji, ali u isto vrijeme prikladan i moderan pogonski sustav za ptice vodene ptice. Činilo se da je korištenje energije vjetra najperspektivnije područje istraživanja. Ali ovdje je loša sreća: čovječanstvo je izumilo jedro prije nekoliko tisuća godina, a što može biti jednostavnije i logičnije?

Naravno, Cousteau i njegova tvrtka shvatili su da je nemoguće izgraditi brod koji se pokreće isključivo jedrima. Točnije, možda, ali će njegove vozne performanse biti vrlo osrednje i ovisiti o vremenskim nepogodama i smjeru vjetra. Stoga je prvotno planirano da novo "jedro" bude samo pomoćna snaga, primjenjiva za pomoć konvencionalnim dizel motorima. Istodobno, turbojedro bi značajno smanjilo potrošnju dizel goriva, a na jakom vjetru moglo bi postati jedini pogon plovila. A pogled istraživačkog tima okrenuo se u prošlost - izumu njemačkog inženjera Antona Flettnera, poznatog konstruktora zrakoplova, koji je dao značajan doprinos brodogradnji.

Flettnerov rotor i Magnusov efekt

Anton Flettner je 16. rujna 1922. dobio njemački patent za takozvanu rotirajuću posudu. A u listopadu 1924. eksperimentalni rotacijski brod Buckau napustio je dionice brodograditeljske tvrtke Friedrich Krupp u Kielu. Istina, škuna nije izgrađena od nule: prije ugradnje Flettnerovih rotora, bila je to obična jedrilica.

Flettnerova ideja bila je korištenje tzv. Magnusovog efekta, čija je suština sljedeća: kada struja zraka (ili tekućine) struji oko rotirajućeg tijela, stvara se sila koja je okomita na smjer strujanja i djeluje na tijelo. Činjenica je da rotirajući objekt stvara vrtložno gibanje oko sebe. Na strani predmeta, gdje se smjer vrtloga poklapa sa smjerom strujanja tekućine ili plina, brzina medija raste, a na suprotnoj strani se smanjuje. Razlika u tlaku stvara i posmičnu silu usmjerenu sa strane na kojoj su smjer rotacije i smjer strujanja suprotni od strane na kojoj se poklapaju.

Taj je učinak 1852. godine otkrio berlinski fizičar Heinrich Magnus.

Magnusov efekt

Njemački aeronautički inženjer i izumitelj Anton Flettner (1885.-1961.) ušao je u povijest plovidbe kao čovjek koji je pokušavao zamijeniti jedra. Imao je priliku dugo putovati na jedrenjaku preko Atlantskog i Indijskog oceana. Mnoga jedra bila su postavljena na jarbolima jedrenjaka tog doba. Oprema za jedrenje bila je skupa, složena i aerodinamički ne baš učinkovita. Stalne opasnosti vrebale su nautičare koji su i za vrijeme oluje morali ploviti na 40-50 metara visine.

Mladi inženjer je tijekom plovidbe došao na ideju da jedra, koja zahtijevaju više truda, zamijeni jednostavnijim, ali učinkovitijim uređajem, čiji bi glavni pogon također bio vjetar. Razmišljajući o tome, prisjetio se aerodinamičkih pokusa koje je proveo njegov sunarodnjak fizičar Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Otkrili su da kada se cilindar rotira u struji zraka, nastaje poprečna sila čiji smjer ovisi o smjeru rotacije cilindra (Magnusov efekt).

Jedan od njegovih klasičnih eksperimenata izgledao je ovako: “Mjedeni se cilindar mogao okretati između dvije točke; brzu rotaciju cilindra davala je, kao u vrhu, uže.

Rotirajući cilindar postavljen je u okvir, koji se, zauzvrat, mogao lako rotirati. Snažan mlaz zraka poslan je u ovaj sustav pomoću male centrifugalne pumpe. Cilindar je odstupio u smjeru okomitom na struju zraka i na os cilindra, štoviše, u smjeru iz kojeg su smjerovi rotacije i mlaza bili isti" (L. Prandtl "Magnusov efekt i brod vjetra", 1925.).

A. Flettner je odmah pomislio da se jedra mogu zamijeniti rotirajućim cilindrima ugrađenim na brod.

Ispada da gdje se površina cilindra pomiče protiv strujanja zraka, brzina vjetra se smanjuje, a tlak raste. S druge strane cilindra je suprotno - brzina strujanja zraka raste, a tlak opada. Ova razlika u tlaku s različitih strana cilindra je pokretačka sila koja tjera posudu da se kreće. To je osnovni princip rada rotacijske opreme, koja koristi silu vjetra za pomicanje plovila. Sve je vrlo jednostavno, ali samo A. Flettner "nije prošao", iako je Magnusov efekt poznat već više od pola stoljeća.

Plan je počeo provoditi 1923. na jezeru u blizini Berlina. Zapravo, Flettner je napravio prilično jednostavnu stvar. Ugradio je papirni cilindar-rotor oko metar visine i 15 cm u promjeru na metar dugačak ispitni čamac, te prilagodio satni mehanizam za njegovu rotaciju. I čamac je otplovio.

Zapovjednici jedrenjaka rugali su se cilindrima A. Flettnera, kojima je htio zamijeniti jedra. Izumitelj je svojim izumom uspio zainteresirati bogate mecene. Godine 1924. umjesto tri jarbola postavljena su dva cilindra rotora na 54-metarsku škunu "Buckau". Ove cilindre pokretao je dizel generator od 45 KS.

Bucauove rotore pokretali su električni motori. Zapravo, nije bilo razlike u dizajnu od klasičnih Magnusovih eksperimenata. Na strani gdje je rotor rotirao protiv vjetra, stvoreno je područje povećanog tlaka, na suprotnoj strani područje niskog tlaka. Rezultirajuća sila je ono što je pokretalo brod. Štoviše, ta je sila bila oko 50 puta veća od sile pritiska vjetra na stacionarni rotor!

To je Flettneru otvorilo velike izglede. Između ostalog, površina rotora i njegova masa bili su nekoliko puta manji od površine jedrilice, što bi dalo jednaku pogonsku snagu. Rotor je bilo puno lakše kontrolirati, a bio je prilično jeftin za proizvodnju. Odozgo je Flettner prekrio rotore pločama - to je povećalo pogonsku silu za oko dva puta zbog ispravne orijentacije strujanja zraka u odnosu na rotor. Optimalna visina i promjer rotora za "Bukau" izračunata je puhanjem modela budućeg broda u aerotunel.

Flettnerov rotor se pokazao izvrsnim. Za razliku od običnog jedrenjaka, rotacijski se brod praktički nije bojao lošeg vremena i jakih bočnih vjetrova, mogao je bez problema ploviti naizmjeničnim navlakama pod kutom od 25º u odnosu na čeoni vjetar (za normalno jedro, granica je oko 45º). Dva cilindrična rotora (visine 13,1 m, promjera 1,5 m) omogućila su savršeno balansiranje plovila - pokazalo se da je stabilnije od jedrilice kakva je Bukau bio prije restrukturiranja.

Ispitivanja su provedena po mirnom vremenu, u oluji i s namjernim preopterećenjem - i nisu utvrđeni ozbiljni nedostaci. Najpovoljniji za kretanje plovila bio je smjer vjetra točno okomit na os plovila, a smjer kretanja (naprijed ili natrag) određen je smjerom rotacije rotora.

Sredinom veljače 1925. škuna Buckau, opremljena Flettnerovim rotorima umjesto jedrima, krenula je iz Danziga (danas Gdansk) za Škotsku. Vrijeme je bilo loše i većina se jedrilica nije usudila napustiti luke. U Sjevernom moru, Buckau se morao ozbiljno suočiti s jakim vjetrovima i velikim valovima, ali škuna se ukrcala manje od ostalih jedrilica koje su naišle.

Tijekom ove plovidbe nije bilo potrebno pozivati na palubu članove posade da mijenjaju jedra ovisno o jačini ili smjeru vjetra. Dovoljan je bio jedan navigator sata, koji je, ne napuštajući kormilarnicu, mogao kontrolirati aktivnost rotora. Ranije se posada škune s tri jarbola sastojala od najmanje 20 mornara, nakon što je pretvorena u rotacijski brod, bilo je dovoljno 10 ljudi.

Iste godine u brodogradilištu je postavljen i drugi rotacijski brod - moćni teretni brod "Barbara" koji su pokretala tri rotora od 17 metara. Pritom je za svaki rotor bio dovoljan jedan mali motor snage samo 35 KS. (pri maksimalnoj brzini vrtnje svakog rotora 160 o/min)! Potisak rotora bio je ekvivalentan onom kod propelernog propelera spojenog s konvencionalnim brodskim dizel motorom kapaciteta oko 1000 KS. No, na brodu je bio dostupan i dizelski motor: osim rotora, pokretao je i propeler (koji je ostao jedini pogonski uređaj u slučaju mirnog vremena).

Obećavajući eksperimenti potaknuli su brodarsku tvrtku Rob. M. Sloman iz Hamburga da izgradi brod Barbara 1926. godine. Unaprijed je planirano opremiti turbojedra – Flettnerove rotore. Na plovilo duljine 90 m i širine 13 m postavljena su tri rotora visine oko 17 m.

Barbara već neko vrijeme uspješno prevozi voće iz Italije u Hamburg, kako je i planirano. Otprilike 30-40% vremena putovanja brod je plovio zbog snage vjetra. Uz vjetar od 4-6 bodova "Barbara" je razvila brzinu od 13 čvorova.

Planirano je testiranje rotacijskog plovila na dužim putovanjima u Atlantskom oceanu.

No, kasnih 1920-ih nastupila je Velika depresija. Godine 1929. čarter tvrtka odustaje od daljnjeg najma Barbare i prodaje. Novi vlasnik je uklonio rotore i preuredio brod prema tradicionalnoj shemi. Ipak, rotor je izgubio na vijčanim propelerima u kombinaciji s konvencionalnom dizelskom elektranom zbog ovisnosti o vjetru i određenim ograničenjima u snazi i brzini. Flettner se okrenuo naprednijim istraživanjima, a Baden-Baden je na kraju potonuo tijekom oluje na Karibima 1931. godine. I dugo su zaboravili na rotirajuća jedra …

Početak rotacijskih posuda, čini se, bio je prilično uspješan, ali nisu dobili razvoj i dugo su bili zaboravljeni. Zašto? Prvo, "otac" rotacijskih plovila A. Flettner zaronio je u stvaranje helikoptera i prestao se zanimati za pomorski promet. Drugo, unatoč svim svojim prednostima, rotacijski brodovi su ostali jedrenjaci sa svojim inherentnim nedostacima od kojih je glavni ovisnost o vjetru.

Flettnerovi rotori ponovno su se zainteresirali 80-ih godina 20. stoljeća, kada su znanstvenici počeli predlagati različite mjere za ublažavanje zagrijavanja klime, smanjenje onečišćenja i racionalnije korištenje goriva. Jedan od prvih koji ih se prisjetio bio je francuski istraživač Jacques-Yves Cousteau (1910.–1997.). Kako bi se testirao rad turbosail sustava i smanjila potrošnja goriva, katamaran s dva jarbola "Alcyone" (Alcyone je kći boga vjetrova Eola) preuređen je u rotacijsko plovilo. Krenuvši na pomorsku plovidbu 1985. godine, proputovao je Kanadu i Ameriku, obišao rt Horn, zaobišao Australiju i Indoneziju, Madagaskar i Južnu Afriku. Prebačen je na Kaspijsko more, gdje je plovio tri mjeseca radeći razna istraživanja. Alcyone još uvijek koristi dva različita pogonska sustava – dva dizelska motora i dva turbojedra.

Turbo jedro Cousteau

Jedrilice su se gradile tijekom cijelog 20. stoljeća. U modernim brodovima ove vrste, jedriličarsko naoružanje se sklapa uz pomoć elektromotora, a novi materijali omogućuju značajno olakšanje strukture. Ali jedrilica je jedrilica, a ideja o korištenju energije vjetra na radikalno nov način u zraku je još od Flettnera. A nju je pokupio neumorni avanturist i istraživač Jacques-Yves Cousteau.

Dana 23. prosinca 1986., nakon što je lansiran Alcyone spomenut na početku članka, Cousteau i njegovi kolege Lucien Malavar i Bertrand Charier dobili su zajednički patent br. US4630997 za "uređaj koji stvara silu korištenjem pokretne tekućine ili plina." Opći opis glasi kako slijedi: „Uređaj je postavljen u okolinu koja se kreće u određenom smjeru; u tom slučaju nastaje sila koja djeluje u smjeru okomitom na prvu. Uređaj izbjegava korištenje masivnih jedara, u kojima je pokretačka sila proporcionalna površini jedra." Koja je razlika između Cousteauovog turbojedra i Flettnerovog rotacionog jedra?

U presjeku, turbojedro je nešto poput izdužene kapljice zaobljene s oštrog kraja. Na bočnim stranama "kapljice" nalaze se rešetke za usis zraka, kroz jednu od kojih se (ovisno o potrebi kretanja naprijed ili natrag) isisava zrak. Za najučinkovitije usisavanje vjetra, mali ventilator pokretan elektromotorom ugrađen je u dovod zraka na turbo jedro.

Umjetno povećava brzinu kretanja zraka sa zavjetrinske strane jedra, usisujući struju zraka u trenutku odvajanja od ravnine turbo-jedra. Time se stvara vakuum na jednoj strani turbojedra dok se sprječava stvaranje turbulentnih vrtloga. I tada djeluje Magnusov efekt: razrjeđivanje s jedne strane, kao rezultat - poprečna sila sposobna pokrenuti brod. Zapravo, turbojedro je okomito postavljeno krilo zrakoplova, barem je princip stvaranja pogonske sile sličan principu stvaranja uzgona zrakoplova. Kako bi se osiguralo da je turbojedro uvijek okrenuto prema vjetru u najpovoljnijem smjeru, opremljeno je posebnim senzorima i ugrađeno je na okretnu ploču. Inače, Cousteauov patent podrazumijeva da se zrak iz unutrašnjosti turbo jedra može usisati ne samo pomoću ventilatora, već i, primjerice, zračne pumpe - čime je Cousteau zatvorio vrata budućim "izumiteljima".

Zapravo, Cousteau je prvi put testirao prototip turbojedra na katamaranu Moulin à Vent 1981. godine. Najveća uspješna plovidba katamaranom bilo je putovanje od Tangiera (Maroko) do New Yorka pod nadzorom većeg ekspedicijskog broda.

A u travnju 1985. u luci La Rochelle porinut je Alcyone, prvi punopravni brod opremljen turbojedrima. Sada je još uvijek u pokretu i danas je vodeći (i, zapravo, jedini veliki brod) Cousteauove flotile. Turbo jedra na njemu nisu jedini pokretač, ali pomažu uobičajenom spajanju dva dizelaša i

nekoliko vijaka (što, usput rečeno, smanjuje potrošnju goriva za oko trećinu). Da je veliki oceanograf živ, vjerojatno bi sagradio još nekoliko sličnih brodova, ali je entuzijazam njegovih suradnika nakon odlaska Cousteaua osjetno smanjen.

Neposredno prije smrti 1997. Cousteau je aktivno radio na projektu broda "Calypso II" s turbojedrom, ali ga nije uspio dovršiti. Prema posljednjim podacima, u zimu 2011. "Alkiona" je bila u luci Caen i čekala je novu ekspediciju.

I opet Flettner

Danas se pokušava oživjeti Flettnerova ideja i rotirajuća jedra učiniti mainstreamom. Primjerice, poznata hamburška tvrtka Blohm + Voss, nakon naftne krize 1973. godine, počela je s aktivnim razvojem rotacijskog tankera, ali su do 1986. ekonomski čimbenici prikrili ovaj projekt. Zatim je postojao cijeli niz amaterskih dizajna.

2007. godine studenti Sveučilišta u Flensburgu izgradili su katamaran na rotaciono jedro (Uni-cat Flensburg).

Godine 2010. pojavio se treći brod s rotirajućim jedrima - teški kamion E-Ship 1, koji je izgrađen po narudžbi Enercona, jednog od najvećih proizvođača vjetroagregata na svijetu. 6. srpnja 2010. brod je prvi put porinut i napravio kratku plovidbu od Emdena do Bremerhavena. A već u kolovozu otišao je na svoje prvo radno putovanje u Irsku s teretom od devet vjetroagregata. Plovilo je opremljeno s četiri Flettner rotora i, naravno, tradicionalnim pogonskim sustavom u slučaju mirovanja i za dodatnu snagu. Ipak, rotirajuća jedra služe samo kao pomoćni propeleri: za kamion od 130 metara njihova snaga nije dovoljna da razvije odgovarajuću brzinu. Motori su devet Mitsubishi elektrana, a rotore pokreće Siemensova parna turbina koja koristi energiju iz ispušnih plinova. Rotirajuća jedra osiguravaju 30 do 40% uštede goriva pri 16 čvorova.

No, Cousteauovo turbojedro još uvijek ostaje u nekom zaboravu: "Alcyone" je danas jedini brod pune veličine s ovakvim pogonom. Iskustvo njemačkih brodograditelja pokazat će ima li smisla dalje razvijati temu jedara koja djeluju na Magnusov efekt. Glavna stvar je pronaći poslovni slučaj za to i dokazati njegovu učinkovitost. A tamo će, vidite, sav svjetski brodarstvo prijeći na princip koji je prije više od 150 godina opisao talentirani njemački znanstvenik.

Dana 2. kolovoza 2010. najveći svjetski proizvođač vjetroelektrana Enercon porinuo je 130-metarski rotacijski brod, širine 22 m, koji je kasnije nazvan “E-Ship 1”, u brodogradilištu Lindenau u Kielu. Potom je uspješno testiran na Sjevernom i Sredozemnom moru, a trenutno transportira vjetrogeneratore iz Njemačke, gdje se proizvode, u druge europske zemlje. Razvija brzinu od 17 čvorova (32 km / h), istovremeno prevozi više od 9 tisuća tona tereta, njegova posada je 15 ljudi.

Singapurska brodarska tvrtka Wind Again, tehnologija smanjenja goriva i emisija, nudi posebno dizajnirane Flettner rotore (sklopive) za tankere i teretne brodove. Oni će smanjiti potrošnju goriva za 30-40% i isplatit će se za 3-5 godina.

Finska tvrtka za pomorstvo Wartsila već planira prilagoditi turbojedra na trajektima za krstarenje. To je zbog želje finskog trajektnog operatera Viking Line da smanji potrošnju goriva i onečišćenje okoliša.

Sveučilište u Flensburgu (Njemačka) proučava korištenje Flettnerovih rotora na plovilima za razonodu. Čini se da su rastuće cijene nafte i alarmantno zagrijavanje klime povoljni uvjeti za povratak vjetroturbina.