Дивні зміни траєкторії м’яча для обивателя здаються дивом. Але для професійних футболістів, баскетболістів, більярдистів такі трюки – показник майстерності. І ось тут-то ми і згадуємо про закони фізики, яка підкидає такі подарунки, як ефект Магнуса. Спочатку помічений в аеродинаміці, сьогодні цей закон зміни траєкторії кулястого предмета знайшов дуже широке застосування. Зовсім нещодавно в інтернеті з’явився ролик, наочно на прикладі баскетбольного м’яча продемонстрував цей фізичний феномен. Ролик зібрав понад 9 мільйонів переглядів за два дні і підігрів інтерес до ефекту Магнуса і його неймовірним застосувань.
Історія питання
А почалося все з того, що прусські каноніри ніяк не могли зрозуміти, чому ядра з їх гармат постійно потрапляють не туди, куди слід. Обертання ядра в польоті з його центром тяжіння, не збігається з геометричним, искривляло траєкторію польоту. Про аеродинамічної сили, що впливає на політ кулі обертового писав ще Ісаак Ньютон, а прусські командири звернулися за роз’ясненням криволінійних траєкторій польоту ядра до відомому німецькому ученому Генріху Густаву Магнусу (1802-1870), який у 1853 дав наукове пояснення цьому феномену.
Вчений припустив, що справа зовсім не в центрі тяжіння об’єкта, а в його обертанні. Він провів серію дослідів, і хоча не зробив ніяких математичних розрахунків, йому належить першість докази аеродинамічної сили, яка змінює траєкторію польоту обертового тіла.
Після Магнуса цією силою зацікавився Людвіг Прандтль (1875-1953), який вимірював силу і швидкість. Найголовніше його досягнення – це встановлення можливості використання виникаючої сили на обертовому роторі (циліндрі) для забезпечення поступального руху. Але на практиці цю ідею реалізував вже інший німець – інженер Антон Флеттнер (1885-1961). Про роторних вітрилах Флеттнера і Кусто трохи пізніше.
Пояснення не для фізиків
Враховуючи закони ньютонівської фізики твердих тіл, простими словами процес виглядає наступним чином. Закручений круглий об’єкт набирає швидкість, повітря попереду об’єкта рухається в напрямку його обертання і тягнеться вздовж і до центру. На іншій стороні об’єкта повітря здійснює рух у зворотному напрямку по відношенню до напрямку обертання. В результаті потік відсувається і об’єкт витісняє повітря з одного боку, а повітря з іншого боку утворює відповідну силу, але в іншому напрямку, що і змінює траєкторію польоту об’єкта. Схема процесу відображена на малюнку вище, це і є горезвісний ефект Магнуса.
Вітряної корабель Флеттнера
Німецький патент на роторне судно Антон Флеттнер отримав 16 вересня 1922 року. А вже в жовтні 1926 року справжній фурор в Кильской бухті справила незвичайне судно з двома великими трубами на борту і ажурною щоглою. Це було перше роторне судно Buckau, зійшов зі стапелів суднобудівної компанії Friedrich Krupp.
Флеттнер використовував ефект Магнуса і силу, що утворюється при обтіканні обертових циліндрів і спрямовану перпендикулярно напрямку потоку. З боку, де напрямок вихрового потоку, створеного обертовим тілом, збігається з напрямком потоку повітря, сила і швидкість руху різко зростають. Саме такими роторами, які пізніше назвуть його ім’ям, і замінив вітрила молодий інженер Флеттнер.
Ротори цього судна оберталися від електричних двигунів. Там, де ротор обертався назустріч вітру, створювалася область з підвищеним тиском. З протилежного боку – з пониженим. Результуюча сила рухала судно.
Buckau з честю пройшов випробування. У 1925 році він вийшов з Данцига в Шотландії при погодних умовах, коли вітрильні суду не наважувалися виходити в море. Похід був успішним, і при цьому команда корабля скоротилася до 10 осіб, проти 20 на вітрильнику.
Вимушене забуття
Перед роторами Флеттнера відкривалося прекрасне майбутнє. Успішність проекту підтвердило судно гамбурзькій компанії «Барбара». Це був вантажний лайнер, рух якого забезпечували три 17-метрових ротора, задають швидкість в 13 вузлів при вітрі в 4-6 балів.
Незважаючи на видиму успішність проекту, про нього надовго забули. І причин тому кілька. Сам Флеттнер втратив інтерес до судноплавству і зацікавився авіацією, настали часи Великої депресії 1920-х років.
Реанімація кораблів з установками роторними
Продовженням роторного судна Флеттнера стад турбопарус Жака-Іва Кусто. Відомий дослідник і борець за екологічно чисті засоби пересування у квітні 1885 року спустив на воду судно «Алкиона», обладнане запатентованими турбопарусами, в роботі яких знайшов застосування ефект Магнуса. Це судно і сьогодні на ходу.
На жаль, послідовники Кусто не дуже зацікавилися роторними установками на судах, і інтерес до них знову згас. Про них згадали з настанням нафтової кризи, і в 2010 році на воду вийшло третє судно з роторними установками. Це важке 130-метрове судно E-Ship 1 компанії Enercon з чотирма роторами Флеттнера. Сьогодні займається перевезеннями вітрогенераторів їх Німеччині в країни Європи, може витримувати до 9 тонн вантажів і розвиває швидкість в 17 вузлів. Екіпаж – всього 15 чоловік.
Роторними установками зацікавилися корабельні компанії Wind Again (Сінгапур), Wartsila (Фінляндія) та деякі інші. Схоже, що дефіцит нафти і тривожне потепління клімату зіграють свою роль у поверненні вітряних рушіїв на сучасні кораблі.
Застосування в авіабудуванні
Застосування ефекту Магнуса в авіації реалізовувалося в різних конструктивних рішеннях. У найпростіших формах використовувалися валообразные крила, що обертаються, під час польоту. Серед засновників цього напряму був австрійський винахідник Карл Глигорин, який пропонував встановити на роторі обтічник, що повторює форму крила. В Амстердамі над подібними проектами працював Е. Б. Вольф, американці Джон Д. Герст і К. Поппер у 1932 році навіть провели випробування свого літака з валообразными крилами.
Працездатною виявилася модель North American-Rockwell YOU-10A Bronco, переобладнана обертовими валами в 1964 році. Це був проект професора з Перу Альберто Альварес-Кальдерона. Однак у прототипу було більше недоліків, ніж переваг.
Незважаючи на зусилля, ефект Магнуса в авіації не прижився. Практичне використання крил роторного типу пов’язано з цілим рядом проблем і поки не виправдовує себе економічно.
Ефект Магнуса і вітрогенератори
Розвиток індустрії альтернативних джерел енергії особливо актуально в наш час. І в цій галузі знайшлося застосування ефекту Магнуса. На зміну лопатевим ветрогенераторам приходять роторні установки, які найбільш ефективні при частих і низьких швидкостях вітру в 2-6 м/с. Мають у своїй основі вісь, навколо якої обертаються циліндри. Перша така установка виробництва фірми «Аэролла» з’явилася поблизу Мінська (Білорусь) в 2015 році. Потужність її становила 100 кВт, діаметр турбінного ротора 36 метрів. Працює при розрахунковій швидкості вітру до 9,5 м/с.
Роботи в даному напрямку продовжуються в Новосибірському інституті прикладної механіки РАН, і вже є прототипи вітрогенераторів, які використовують ефект Магнуса з потужністю до 2 МВт.
Не зовсім звичне застосування
Цей ефект зміни траєкторії руху м’яча широко використовується в спорті: удари топ-спін і «сухий лист» у футболі, система Pop Up в страйкболі.
Ефект Магнуса сьогодні широко використовується в проектуванні моделей літаків. Наприклад, літак з картону, електричного двигуна і паперових стаканчиків для фаст-фуду був сконструйований каналом PeterSripol.
Ефект Магнуса використовується при виробництві повітряних зміїв. Наприклад, змій у вигляді вертушки конструктора Д. Едвардса або С. Альбертсона.
А ось для «мисливців за ураганами» це фізичне явище може стати дуже небезпечним. Якщо днище між машиною і землею недостатньо добре перекрито, то через зазор ураганний вітер може створити величезну підйомну силу, яка без праці підніме автомобіль в повітря.
