Magnusův efekt a turboplachta

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-10 20:23

V Austrálii amatérští fyzici prokázali Magnusův efekt v praxi. Experimentální video zveřejněné na hostingu YouTube zaznamenalo více než 9 milionů zhlédnutí.

Magnusův jev je fyzikální jev, ke kterému dochází, když proud kapaliny nebo plynu obtéká rotující těleso. Když se kolem něj otáčí letící kulaté těleso, začnou cirkulovat blízké vzduchové vrstvy. V důsledku toho tělo během letu mění směr pohybu.

Pro experiment si amatérští fyzici vybrali hráz vysokou 126,5 metru a obyčejný basketbalový míč. Míč byl nejprve jednoduše shozen dolů, letěl souběžně s hrází a dopadl na vyznačený bod. Podruhé míč vypadl a lehce se posouval kolem své osy. Letící koule letěla po neobvyklé trajektorii a jasně demonstrovala Magnusův efekt.

Magnusův efekt vysvětluje, proč v některých sportech, jako je fotbal, míč letí po zvláštní trajektorii. Nejvýraznější příklad „abnormálního“letu míče mohl vidět po přímém kopu fotbalisty Roberta Carlose během zápasu 3. června 1997 mezi národními týmy Brazílie a Francie.

Loď je pod turbo plachtami

Slavný dokumentární seriál „The Cousteau Team's Underwater Odyssey“natočil velký francouzský oceánograf v 60. – 70. letech 20. století. Hlavní loď Cousteau byla poté přeměněna z britské minolovky „Calypso“. Ale v jednom z následujících filmů - "Znovuobjevení světa" - se objevila další loď, jachta "Alcyone".

Při pohledu na to si mnoho diváků položilo otázku: co je to za podivné potrubí nainstalované na jachtě?.. Možná jsou to potrubí kotlů nebo pohonných systémů? Představte si svůj úžas, když zjistíte, že toto jsou PLACHTY … turboplachty …

Fond Cousteau získal jachtu "Alkion" v roce 1985 a tato loď nebyla považována ani tak za výzkumnou loď, ale za základnu pro studium účinnosti turboplachet - původního lodního pohonného systému. A když se o 11 let později potopilo legendární „Calypso“, zaujala ji „Alkiona“jako hlavní plavidlo expedice (mimochodem, dnes bylo „Calypso“vyzdviženo a je v polovydrancovaném stavu v přístav Concarneau).

Ve skutečnosti turbosail vynalezl Cousteau. Stejně jako potápěčské vybavení, podvodní talíř a mnoho dalších zařízení pro průzkum mořských hlubin a hladiny oceánů. Myšlenka se zrodila na počátku 80. let a měla vytvořit co nejekologičtější, ale zároveň pohodlný a moderní pohonný systém pro vodní ptactvo. Využití větrné energie se zdálo být nejslibnější oblastí výzkumu. Ale tady je smůla: lidstvo vynalezlo plachtu před několika tisíci lety a co by mohlo být jednodušší a logičtější?

Cousteau a jeho společnost samozřejmě pochopili, že není možné postavit loď poháněnou výhradně plachtami. Přesněji možná, ale jeho jízdní výkony budou velmi průměrné a závislé na rozmarech počasí a směru větru. Původně se proto počítalo s tím, že nová „plachta“bude pouze pomocnou silou, použitelnou pro pomoc konvenčním naftovým motorům. Turboplachta by přitom výrazně snížila spotřebu nafty a v silném větru by se mohla stát jediným pohonem plavidla. A pohled výzkumného týmu se obrátil do minulosti - k vynálezu německého inženýra Antona Flettnera, slavného leteckého konstruktéra, který se významně zasloužil o stavbu lodí.

Flettnerův rotor a Magnusův efekt

16. září 1922 obdržel Anton Flettner německý patent na tzv. rotační nádobu. A v říjnu 1924 opustila experimentální rotační loď Buckau zásoby loďařské společnosti Friedrich Krupp v Kielu. Pravda, škuner nebyl postaven od nuly: před instalací Flettnerových rotorů to byla obyčejná plachetnice.

Flettnerovou myšlenkou bylo využít tzv. Magnusův efekt, jehož podstata je následující: když proud vzduchu (nebo kapaliny) obtéká rotující těleso, vzniká síla, která je kolmá ke směru proudění a působí tělo. Faktem je, že rotující objekt kolem sebe vytváří vírový pohyb. Na straně předmětu, kde se směr víru shoduje se směrem proudění kapaliny nebo plynu, rychlost média roste a na opačné straně klesá. Rozdíl v tlaku a vytváří smykovou sílu směřující ze strany, kde je směr otáčení a směr proudění protilehlé ke straně, kde se shodují.

Tento efekt objevil v roce 1852 berlínský fyzik Heinrich Magnus.

Magnusův efekt

Německý letecký inženýr a vynálezce Anton Flettner (1885-1961) se zapsal do dějin navigace jako muž, který se snažil nahradit plachty. Měl šanci cestovat dlouhou dobu na plachetnici přes Atlantik a Indický oceán. Mnoho plachet bylo nataženo na stěžně plachetních lodí té doby. Plachetní zařízení bylo drahé, složité a aerodynamicky málo účinné. Neustálá nebezpečí číhala na námořníky, kteří i během bouře museli plout ve výšce 40-50 metrů.

Během plavby mladého inženýra napadlo vyměnit plachty, které vyžadují větší úsilí, za jednodušší, ale efektivní zařízení, jehož hlavním pohonem by byl také vítr. Když o tom přemýšlel, vzpomněl si na aerodynamické experimenty, které provedl jeho krajan fyzik Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Zjistili, že když se válec otáčí v proudu vzduchu, vzniká příčná síla se směrem závislým na směru otáčení válce (Magnusův efekt).

Jeden z jeho klasických experimentů vypadal takto: „Mosazný válec se mohl otáčet mezi dvěma body; rychlá rotace válce byla udělena, jako v horní části, šňůrou.

Otočný válec byl umístěn v rámu, který se dal zase snadno otáčet. Pomocí malého odstředivého čerpadla byl do tohoto systému poslán silný proud vzduchu. Válec se odchýlil ve směru kolmém k proudu vzduchu a k ose válce, navíc ve směru, ze kterého byly směry rotace a proud stejné "(L. Prandtl" Magnusův efekt a větrná loď ", 1925).

A. Flettnera okamžitě napadlo, že plachty by mohly být nahrazeny rotujícími válci instalovanými na lodi.

Ukazuje se, že tam, kde se povrch válce pohybuje proti proudu vzduchu, rychlost větru klesá a tlak stoupá. Na druhé straně válce je tomu naopak - rychlost proudění vzduchu se zvyšuje a tlak klesá. Tento rozdíl v tlaku z různých stran válce je hnací silou, díky které se nádoba pohybuje. To je základní princip fungování rotačního zařízení, které využívá sílu větru k pohybu plavidla. Vše je velmi jednoduché, ale jen A. Flettner „neprošel“, ačkoli Magnusův efekt je znám již více než půl století.

Plán začal realizovat v roce 1923 na jezeře nedaleko Berlína. Ve skutečnosti Flettner udělal docela jednoduchou věc. Na metr dlouhou zkušební loď nainstaloval papírový válec-rotor asi metr na výšku a 15 cm v průměru a přizpůsobil hodinový mechanismus k jeho otáčení. A člun odplul.

Kapitáni plachetnic se posmívali válcům A. Flettnera, jimiž chtěl vyměnit plachty. Vynálezce dokázal svým vynálezem zaujmout bohaté mecenáše umění. V roce 1924 byly na 54metrovém škuneru „Buckau“instalovány místo tří stožárů dva rotorové válce. Tyto válce byly poháněny dieselovým generátorem o výkonu 45 hp.

Rotory Bucau byly poháněny elektromotory. Ve skutečnosti nebyl v designu žádný rozdíl od klasických experimentů Magnuse. Na straně, kde se rotor otáčel proti větru, vznikla oblast zvýšeného tlaku, na opačné straně oblast nízkého tlaku. Výsledná síla je to, co pohánělo loď. Navíc tato síla byla asi 50krát větší než síla tlaku větru na stacionární rotor!

To otevřelo Flettnerovi velké vyhlídky. Kromě jiného byla plocha rotoru a jeho hmotnost několikrát menší než plocha plachetnice, což by poskytlo stejnou hnací sílu. Rotor byl mnohem jednodušší na ovládání a jeho výroba byla poměrně levná. Flettner shora pokryl rotory deskovými rovinami - tím se hnací síla zvýšila asi dvakrát kvůli správné orientaci proudů vzduchu vůči rotoru. Optimální výška a průměr rotoru pro „Bukau“byl vypočten foukáním modelu budoucí lodi v aerodynamickém tunelu.

Flettnerův rotor se osvědčil na výbornou. Na rozdíl od běžné plachetnice se rotační loď prakticky nebála špatného počasí a silného bočního větru, mohla snadno plout se střídavými směry pod úhlem 25º k protivětru (pro normální plachtu je limit asi 45º). Dva válcové rotory (výška 13,1 m, průměr 1,5 m) umožnily plavidlo dokonale vyvážit – ukázalo se, že je stabilnější než plachetnice, kterou Bukau před restrukturalizací bylo.

Testy byly prováděny za klidného počasí, v bouřce a se záměrným přetížením – a nebyly zjištěny žádné závažné nedostatky. Nejvýhodnější pro pohyb plavidla byl směr větru přesně kolmo k ose plavidla a směr pohybu (dopředu nebo dozadu) byl dán směrem otáčení rotorů.

V polovině února 1925 odjel z Gdaňsku (dnes Gdaňsk) do Skotska škuner Buckau, vybavený Flettnerovými rotory místo plachet. Počasí bylo špatné a většina plachetnic se neodvážila opustit přístavy. V Severním moři se Buckau musela vážně vypořádat se silným větrem a velkými vlnami, ale škuner se naklonil na palubu méně než jiné plachetnice, se kterými se setkaly.

Během této plavby nebylo nutné vyzývat na palubu členy posádky k výměně plachet v závislosti na síle nebo směru větru. Stačil jeden navigátor hodinek, který, aniž by opustil kormidelnu, mohl ovládat činnost rotorů. Dříve tvořilo posádku třístěžňového škuneru minimálně 20 námořníků, po jeho přestavbě na rotační loď stačilo 10 lidí.

V témže roce položila loděnice základ pro druhou rotační loď – mohutný nákladní parník „Barbara“, poháněný třemi 17metrovými rotory. Na každý rotor přitom stačil jeden malý motor o výkonu pouhých 35 koní. (při maximální rychlosti otáčení každého rotoru 160 ot./min.)! Tah rotoru byl ekvivalentní tahu vrtule poháněné vrtulí spojené s konvenčním lodním dieselovým motorem o výkonu asi 1000 hp. Na lodi byl ale k dispozici i dieselový motor: kromě rotorů uváděl do pohybu vrtuli (ta zůstala v případě bezvětří jediným pohonným zařízením).

Slibné experimenty přiměly lodní společnost Rob. M. Sloman z Hamburku v roce 1926 postavit loď Barbara. Předem bylo plánováno vybavit turboplachty - Flettnerovy rotory. Na plavidlo dlouhé 90 m a široké 13 m byly namontovány tři rotory o výšce asi 17 m.

Barbara už nějakou dobu úspěšně vozí ovoce z Itálie do Hamburku, jak bylo plánováno. Přibližně 30–40 % doby plavby plavidlo plulo kvůli síle větru. S větrem 4-6 bodů "Barbara" vyvinula rychlost 13 uzlů.

Bylo plánováno otestovat rotační plavidlo na delších plavbách v Atlantském oceánu.

Ale na konci dvacátých let udeřila Velká hospodářská krize. V roce 1929 charterová společnost opustila další pronájem Barbory a byla prodána. Nový majitel odstranil rotory a znovu namontoval loď podle tradičního schématu. Přesto rotor prohrál se šroubovými vrtulemi v kombinaci s konvenční dieselovou elektrárnou kvůli své závislosti na větru a jistým omezením výkonu a rychlosti. Flettner se obrátil na pokročilejší výzkum a Baden-Baden se nakonec potopil během bouře v Karibiku v roce 1931. A na rotační plachty na dlouhou dobu zapomněli …

Zdálo by se, že začátek rotačních plavidel byl docela úspěšný, ale nedostaly se do vývoje a byly na dlouhou dobu zapomenuty. Proč? Nejprve se „otec“rotačních plavidel A. Flettner vrhl do tvorby vrtulníků a přestal se zajímat o námořní dopravu. Za druhé, přes všechny své výhody, rotační lodě zůstaly plachetnicemi se svými vlastními nevýhodami, z nichž hlavní je závislost na větru.

Flettnerovy rotory zase zaujaly v 80. letech dvacátého století, kdy vědci začali navrhovat různá opatření ke zmírnění oteplování klimatu, snížení znečištění a racionálnějšímu využívání paliva. Jedním z prvních, kdo si je připomněl, byl francouzský průzkumník Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Pro otestování fungování systému turboplachet a snížení spotřeby paliva byl dvoustěžňový katamarán „Alcyone“(Alcyone je dcerou boha větrů Aeola) přeměněn na rotační plavidlo. Poté, co se v roce 1985 vydal na plavbu po moři, procestoval Kanadu a Ameriku, obeplul mys Horn, obešel Austrálii a Indonésii, Madagaskar a Jižní Afriku. Byl převelen do Kaspického moře, kde se plavil tři měsíce a dělal různé výzkumy. Alcyone stále používá dva různé pohonné systémy – dva naftové motory a dvě turboplachty.

Turbo plachta Cousteau

Plachetnice se stavěly po celé 20. století. U moderních lodí tohoto typu je plachetní výzbroj složena pomocí elektromotorů, nové materiály umožňují výrazně odlehčit konstrukci. Ale plachetnice je plachetnice a myšlenka využití větrné energie radikálně novým způsobem je ve vzduchu už od dob Flettnera. A ujal se jí neúnavný dobrodruh a průzkumník Jacques-Yves Cousteau.

23. prosince 1986, poté, co byl spuštěn Alcyone zmíněný na začátku článku, Cousteau a jeho kolegové Lucien Malavar a Bertrand Charier obdrželi společný patent č. US4630997 na „zařízení, které vytváří sílu pomocí pohybující se kapaliny nebo plynu.. Obecný popis zní takto: „Zařízení je umístěno v prostředí pohybujícím se určitým směrem; v tomto případě vzniká síla, která působí ve směru kolmém na první. Zařízení se vyhýbá použití masivních plachet, ve kterých je hnací síla úměrná ploše plachty. Jaký je rozdíl mezi Cousteauovou turboplachtou a Flettnerovou rotační plachtou?

V průřezu je turboplachta něco jako podlouhlá kapka zaoblená od ostrého konce. Po stranách "kapky" jsou mřížky nasávání vzduchu, přes jednu z nich (podle potřeby pohybu vpřed nebo vzad) je vzduch odsáván. Pro co nejefektivnější sání větru je do sání vzduchu na turboplachtě instalován malý ventilátor poháněný elektromotorem.

Uměle zvyšuje rychlost pohybu vzduchu ze závětrné strany plachty, nasává proud vzduchu v okamžiku jeho oddělení od roviny turboplachty. To vytváří podtlak na jedné straně turboplachty a zároveň zabraňuje vzniku turbulentních vírů. A pak působí Magnusův efekt: v důsledku toho zředění na jedné straně - příčná síla schopná uvést loď do pohybu. Turboplachta je ve skutečnosti vertikálně umístěné křídlo letadla, alespoň princip vytváření hnací síly je podobný principu vytváření vztlaku letadla. Aby byla turboplachta vždy natočena proti větru tím nejvýhodnějším směrem, je vybavena speciálními senzory a je instalována na točně. Mimochodem, z Cousteauova patentu vyplývá, že vzduch může být z vnitřku turboplachty odsáván nejen ventilátorem, ale například i vzduchovým čerpadlem - tím Cousteau uzavřel bránu dalším „vynálezcům“.

Ve skutečnosti Cousteau poprvé testoval prototyp turboplachty na katamaránu Moulin à Vent v roce 1981. Největší úspěšnou plavbou katamaránu byla cesta z Tangeru (Maroko) do New Yorku pod dohledem větší expediční lodi.

A v dubnu 1985 byla v přístavu La Rochelle spuštěna na vodu Alcyone, první plnohodnotná loď vybavená turboplachtami. Nyní je stále v pohybu a dnes je vlajkovou lodí (a vlastně jedinou velkou lodí) flotily Cousteau. Turbo plachty na něm nejsou jediným hybatelem, ale pomáhají běžnému spřažení dvou dieselů a

několik šroubů (což mimochodem snižuje spotřebu paliva asi o třetinu). Kdyby byl velký oceánograf naživu, pravděpodobně by postavil několik podobných lodí, ale nadšení jeho společníků po Cousteauově odjezdu znatelně pokleslo.

Cousteau krátce před svou smrtí v roce 1997 aktivně pracoval na projektu lodi „Calypso II“s turboplachetnicí, ale nestihl jej dokončit. Podle posledních údajů byla "Alkiona" v zimě 2011 v přístavu Caen a čekala na novou výpravu.

A opět Flettner

Dnes se objevují pokusy oživit Flettnerovu myšlenku a učinit rotační plachty mainstreamem. Například slavná hamburská společnost Blohm + Voss po ropné krizi v roce 1973 zahájila aktivní vývoj rotačního tankeru, ale v roce 1986 tento projekt zakryly ekonomické faktory. Pak tu byla celá řada amatérských návrhů.

V roce 2007 studenti univerzity ve Flensburgu postavili katamarán poháněný rotační plachtou (Uni-cat Flensburg).

V roce 2010 se objevila vůbec třetí loď s rotačními plachtami - těžký nákladní automobil E-Ship 1, který byl postaven na objednávku společnosti Enercon, jednoho z největších výrobců větrných turbín na světě. 6. července 2010 byla loď poprvé spuštěna a podnikla krátkou plavbu z Emdenu do Bremerhavenu. A už v srpnu se s nákladem devíti větrných turbín vydal na svou první pracovní cestu do Irska. Plavidlo je vybaveno čtyřmi Flettnerovými rotory a samozřejmě tradičním pohonným systémem pro případ klidu a pro dodatečný výkon. Rotační plachty přesto slouží pouze jako pomocné vrtule: u 130metrového nákladního vozu jejich výkon nestačí k vyvinutí patřičné rychlosti. Motory je devět elektráren Mitsubishi a rotory pohání parní turbína Siemens, která využívá energii z výfukových plynů. Rotační plachty poskytují 30 až 40% úsporu paliva při rychlosti 16 uzlů.

Cousteauova turboplachta ale stále zůstává v určitém zapomnění: „Alcyone“je dnes jedinou lodí plné velikosti s tímto typem pohonu. Zkušenosti německých stavitelů lodí ukážou, zda má smysl téma plachet fungujících na Magnusově efektu dále rozvíjet. Hlavní věcí je najít pro to obchodní případ a prokázat jeho účinnost. A tam, jak vidíte, veškerá světová lodní doprava přejde na princip, který před více než 150 lety popsal talentovaný německý vědec.

Dne 2. srpna 2010 spustil největší světový výrobce větrných elektráren Enercon v loděnici Lindenau v Kielu 130metrové rotační plavidlo o šířce 22 m, které bylo později pojmenováno „E-Ship 1“. Poté byl úspěšně testován v Severním a Středozemním moři a v současnosti vozí větrné generátory z Německa, kde se vyrábí, do dalších evropských zemí. Vyvine rychlost 17 uzlů (32 km/h), současně přepraví více než 9 tisíc tun nákladu, jeho posádku tvoří 15 lidí.

Singapurská lodní společnost Wind Again, technologie snižování paliva a emisí, nabízí speciálně navržené Flettnerovy rotory (skládací) pro tankery a nákladní lodě. Sníží spotřebu paliva o 30-40% a vrátí se za 3-5 let.

Finská společnost pro námořní strojírenství Wartsila již plánuje úpravu turboplachet na výletních trajektech. To je způsobeno přáním finského provozovatele trajektů Viking Line snížit spotřebu paliva a znečištění životního prostředí.

Využití Flettnerových rotorů na rekreačních plavidlech studuje Univerzita ve Flensburgu (Německo). Rostoucí ceny ropy a alarmující oteplování klimatu se jeví jako příznivé podmínky pro návrat větrných turbín.