Эффект магнуса объясняется на основе. Выводы и перспективы. Реанимация кораблей с роторными установками

§ 3.7 Ядерные спектры и эффект Мёссбауэра При максимально возможной опоре на механику или электродинамику необходимо указать физически наглядные математические операции, интерпретация которых через колебания подходящей модели приводит для неё к законам сериальных

Сила и скорость Большая скорость – очень важное преимущество в бою. Более быстрый корабль выбирает выгодную для себя позицию и дистанцию боя. Если его командир захочет, он всегда может увеличить или уменьшить дистанцию; если противник уклоняется от боя, он может его

Глава 16 Эффект Брауна В настоящее время, эффектом Бифельда – Брауна часто ошибочно называют реактивный эффект ионного ветра. Устройства, которые летают за счет ионизации воздуха, мы рассматривать не будем. В предлагаемых здесь схемах, ионизация может иметь место, но она

Глава 27 Хрональная движущая сила Развивая идею Вейника о том, что любой «интенсиал» вещества объекта (тела) может быть использован для генерирования хронального поля и изменения скорости хода времени, для данного материального объекта, рассмотрим простой пример

Глава 31 Эффект формы Возвращаясь к истории развития эфирной теории, необходимо отметь, что термин «эффект формы» был введен французскими исследователями Леоном Шомри и Андре де Белизалем в 30-х годах прошлого века . Наиболее известен эффект формы для пирамид, суть

Глава 4 Центробежная сила Российское патентное ведомство, как известно, не принимает заявки на патент, если в нем описано «движение за счет внутренних сил». Это правильно, но нельзя забывать о том, что все тела находятся в постоянном взаимодействии и энергообмене с эфиром,

СИЛА МИЛЛИАРДОВ ПРЕВРАЩЕНИЯ САМОВАРА Для начала давайте поставим самовар.Было углей в самоваре полно, а вскипел самовар - и на дне одна зола. Где угли?Как где? Сгорели. С кислородом соединились. Обернулись летучим газом и улетели в трубу. Это каждый знает. А кто не поверит,

СИЛА МИЛЛИАРДОВ Если обычный ураган разрушает целые поселки, то что способен наделать взрыв - железная буря?Взрыв, пожалуй, сдунет дома в целом городе, словно крошки с чайного стола.На деле этого не случается.Бывает, конечно, что взлетает от взрыва дом. Но соседним домам

Направлению потока. Это является результатом совместного воздействия таких физических явлений, как эффект Бернулли и образования пограничного слоя в среде вокруг обтекаемого объекта.

Вращающийся объект создаёт в среде вокруг себя вихревое движение. С одной стороны объекта направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и, соответственно, скорость движения среды с этой стороны увеличивается. С другой стороны объекта направление вихря противоположно направлению движения потока, и скорость движения среды уменьшается. Ввиду этой разности скоростей возникает разность давлений, порождающая поперечную силу от той стороны вращающегося тела, на которой направление вращения и направление потока противоположны, к той стороне, на которой эти направления совпадают. Такое явление часто применяется в спорте, см., например, специальные удары: топ-спин , сухой лист в футболе или система Hop-Up в страйкболе .

Эффект впервые описан немецким физиком Генрихом Магнусом в 1853 году .

Формула для расчёта силы

Идеальная жидкость

Даже если жидкость не обладает внутренним трением (вязкостью), можно рассчитать эффект подъёмной силы.

Пусть шар находится в потоке набегающей на него идеальной жидкости. Скорость потока на бесконечности (вблизи она, конечно, искажается) $\backslash vec\{u\}\_\backslash infty$. Чтобы сымитировать вращение шара, введём циркуляцию скорости $\backslash Gamma$ вокруг него. Исходя из закона Бернулли , можно получить, что полная сила, действующая в таком случае на шар, равна:

$\backslash vec\{R\}=-\backslash rho\backslash vec\{\backslash Gamma\}\backslash times\backslash vec\{u\}\_\backslash infty$.

Видно, что:

1. полная сила перпендикулярна потоку, то есть сила сопротивления потока идеальной жидкости на шар равна нулю (парадокс Даламбера)
2. сила, в зависимости от соотношения направлений циркуляции и скорости потока, сводится к подъёмной или опускающей силе.

Вязкая жидкость

Следующее уравнение описывает необходимые величины для подсчёта подъёмной силы, создаваемой вращением шара в реальной жидкости.

$\{F\}=\{1\backslash over\; 2\}\; \{\; \backslash rho\}\; \{V^2AC\_l\}$ $F$- подъёмная сила $\backslash rho$ - плотность жидкости. $V$- скорость шара относительно среды $A$- поперечная площадь шара $\{C\_l\}$ - коэффициент подъёмной силы (англ. )

Коэффициент подъёмной силы может быть определён из графиков экспериментальных данных с использованием числа Рейнольдса и коэффициента вращения ((угловая скорость*диаметр)/(2*линейная скорость)). Для коэффициентов вращения от 0,5 до 4,5 коэффициент подъёмной силы находится в диапазоне от 0,2 до 0,6.

Применение

Ветрогенераторы

Ветрогенератор «воздушный ротор» представляет собой привязной аппарат, который поднимается гелием на высоту от 120 до 300 метров)

Турбопаруса на кораблях

С 1980-х годов эксплуатировалось судно Кусто Алсион со сложным турбопарусом, использующим эффект Магнуса.

С 2010 года эксплуатируется грузовое судно E-Ship 1 с более простыми роторными парусами Антона Флеттнера

Напишите отзыв о статье "Эффект Магнуса"

Примечания

Литература

• Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль.» (журнал «Успехи физических наук» выпуск 1-2. 1925 г)
• Л. Прандтль. О движении жидкости при очень малом трении. - 1905.

Ссылки

• // elementy.ru
• // technicamolodezhi.ru

Отрывок, характеризующий Эффект Магнуса

Лысые Горы, именье князя Николая Андреича Болконского, находились в шестидесяти верстах от Смоленска, позади его, и в трех верстах от Московской дороги.
В тот же вечер, как князь отдавал приказания Алпатычу, Десаль, потребовав у княжны Марьи свидания, сообщил ей, что так как князь не совсем здоров и не принимает никаких мер для своей безопасности, а по письму князя Андрея видно, что пребывание в Лысых Горах небезопасно, то он почтительно советует ей самой написать с Алпатычем письмо к начальнику губернии в Смоленск с просьбой уведомить ее о положении дел и о мере опасности, которой подвергаются Лысые Горы. Десаль написал для княжны Марьи письмо к губернатору, которое она подписала, и письмо это было отдано Алпатычу с приказанием подать его губернатору и, в случае опасности, возвратиться как можно скорее.
Получив все приказания, Алпатыч, провожаемый домашними, в белой пуховой шляпе (княжеский подарок), с палкой, так же как князь, вышел садиться в кожаную кибиточку, заложенную тройкой сытых саврасых.
Колокольчик был подвязан, и бубенчики заложены бумажками. Князь никому не позволял в Лысых Горах ездить с колокольчиком. Но Алпатыч любил колокольчики и бубенчики в дальней дороге. Придворные Алпатыча, земский, конторщик, кухарка – черная, белая, две старухи, мальчик казачок, кучера и разные дворовые провожали его.

Помимо ослепительного внешнего вида и забавного голоса Дэвид Бекхем известен своими кручеными ударами. Для начала он отбегал назад, а после свистка судьи, пробегал вперед и аккуратно бил по мячу правой ногой. Казалось, что мяч летит по неправильной траектории и не попадет в цель, но внезапно его начинало закручивать в нужном направлении.

Крученый Роберта Карлоса

Траектория полета мяча обманчива для вратаря: его закручивает достаточно для того, чтобы он смог влететь в границу ворот. Известным трюком такого рода остается “невозможный гол”, выполненный Роберто Карлосом в матче против Франции на чемпионате мира 1998 года. Вы могли стать свидетелем настоящего чуда.

Это явление можно наблюдать не только в футболе, но и в регби, теннисе, настольном теннисе, баскетболе, бейсболе и в любом виде спорта, который включает в себя мяч.

Более того, мячи не просто поворачиваются в одном направлении; крученые в бейсболе и футболе одинаково не любят как нападающие так и вратари за их волатильность. Этот вид движения называется эффектом Магнуса.

Что такое эффект магнуса?

Эффект назван в честь немецкого физика Густава Магнуса , который впервые описал его в 1853 году. Однако, первым, кто его обнаружил и понял его природу, был Исаак Ньютон. Наблюдая за теннисным матчем в Кембридже, Ньютон заметил, как при ударе снизу вверх (топ-спин) мяч падает быстрее, чем можно было бы ожидать. Напротив, подкручивание мяча определенным образом задавало ему обратное вращение, заставляя его осторожно подниматься и скользить над поверхностью на небольшой высоте.

Чтобы понять почему, давайте, сделаем самое необходимое для решения физических задач — нарисуем диаграмму.

На диаграмме изображен мяч, который летит вперед и поворачивается по часовой стрелке.”Решетка” из стрелок — это изображение сил сопротивления встречных потоков воздуха. Сопротивление воздуха — это то, что вы чувствуете, когда мчитесь на велосипеде, или выставляете руку из окна движущегося автомобиля.

Линии поля сопротивления направлены в одну сторону с движением нижней части мяча, и в противоположную с движением верхней части мяча. Первые создают область низкого давления, в то время как турбулентность на другой стороне мяча создает область высокого давления.

Эта разность давлений закручивает мяч по направлению перепада давления — от высокого к низкому. Это закручивание может быть вызвано действием некой силы. Она изображена стрелкой, перпендикулярной оси вращения, в направлении перепада давления, и называется силой Магнуса.

Сила Магнуса является следствием Третьего закона Ньютона. Эта сила равна и противоположна силе с которой воздух действует на мяч, в качестве реакции на силу, которую мяч оказывает на воздух.

Объект воздействует на воздух, и в качестве реакции воздух подталкивает объект в противоположном направлении. Эффект Магнуса можно увидеть на примерах бейсбольных мячей, теннисных мячей, мячей для крикета и пинг-понга. Эффект усиливается и становится более заметным как раз при игре в пинг-понг, из-за небольшого размера и маленькой плотности мячей. Правильный удар отбрасывает мячик дальше, и соперник не может его достать. Тот же принцип объясняет, как летают самолеты Флеттнера (моторные самолеты).

Крученые удары

Наконец, поговорим о крученых ударах, которые в бейсболе и футболе, выполняются благодаря эффекту Магнуса, проявляющемуся на невращающихся мячах. В этом случае мяч становится послушным, поддаваясь порывам встречного потока воздуха. При отсутствии вращения нет перепада давления, который управляет движением мяча.

Мяч закручивается непредсказуемо. Поэтому отбивающий не может предсказать траекторию движения мяча и точку куда он прилетит.

Конечно, для выполнения хорошего крученого удара требуются навыки — запускаешь мяч слишком медленно он приземляется преждевременно, слишком быстро — перелетит, не попав в цель. Конечно, точность удара может быть достигнута только после многих лет усиленных тренировок. Однако даже не может гарантировать стопроцентного результата.

Игрокам в гольф и теннис известно стремление вращающегося мяча уклониться от своей нормальной траектории в направлении, в котором вращается его передняя часть. Это явление называется эффектом Магнуса. Согласно Рэлею (, т. I, 343-346), эффект Магнуса обычно объясняют качественно следующим образом.

Локальная скорость воздуха относительно мяча из-за его вращения больше с той стороны, где вращение направлено назад, чем там, где оно направлено вперед (см. рис. 3). Следовательно, по уравнению Бернулли (3), давление с одной стороны

меньше, и это дает равнодействующую в направлении, соответствующем наблюдаемому.

На основании данного объяснения очень трудно получить количественный результат, так как у нас нет какого-либо определенного способа для того, чтобы связать вращение с циркуляцией - даже в случае цилиндра. Прандтль предпринял героическую попытку определить хотя бы максимум подъемной силы который, как он утверждал, достигается тогда, когда значение циркуляции определяется при условии, что имеется одна-единственная критическая точка.

Основываясь на этом, он нашел, что максимум коэффициента равен

Рис. 3. Эффект Магнуса.

Недавно это значение было превышено - еще один факт, показывающий ненадежность нестрогих рассуждений.

Несостоятельность существующих объяснений эффекта Магнуса еще более ярко показывает следующий парадокс эффекта Магнуса.

Парадокс эффекта Магнуса. При малых скоростях вращения направление отклонения в действительности противоположно тому, которое дает объяснение Рэлея (и которое наблюдалось Магнусом) 4).

Для того чтобы объяснить этот парадокс эффекта Магнуса, нужно, по-видимому, учесть турбулентность пограничного

слояявление, которое до сих пор не поддается математическому исследованию как краевая задача. Таким образом, при любом корректном истолковании реальной поперечной силы при малых скоростях вращения надлежит учитывать число Рейнольдса.

Явление «деривации» аналогично эффекту Магнуса. Артиллеристам уже более ста лет известно, что вращающиеся снаряды имеют тенденцию отклоняться от вертикальной плоскости, в которой производится стрельба, и что такое отклонение происходит в направлении вращения головки снаряда. Однако это явление в течение многих лет понималось неправильно.

Одно неверное объяснение было предложено известным математиком - Пуассоном. Он считал, что вследствие инерции ось снаряда отстает от направления касательной к траектории, как схематически показано на рис. 4, а.

Рис. 4. Объяснение эффекта Магнуса, по Пуассону.

Следовательно, на нижней стороне должно создаться большее давление, а значит и большее трение. В соответствии с рис. 4, б это должно привести к отклонению в наблюдаемом направлении. Ошибочность объяснения Пуассона становится очевидной, если применить его к вращению теннисного мяча: получилось бы направление отклонения, противоположное обычному эффекту Магнуса!

Правильное объяснение заключается в следующем. С помощью количественного исследования гироскопической устойчивости можно установить, что устойчивое положение оси снаряда (с правой винтовой нарезкой) находится справа от касательной к траектории, а не выше ее, как это утверждал Пуассон. Таким образом, деривация снаряда вызывгется главным образом