Magnus etkisi ve turbo yelken

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-10 22:48

Avustralya'da amatör fizikçiler Magnus etkisini iş başında gösterdiler. YouTube barındırmada yayınlanan deney videosu 9 milyondan fazla görüntüleme aldı.

Magnus etkisi, dönen bir cismin etrafında bir sıvı veya gaz akımı aktığında meydana gelen fiziksel bir olgudur. Etrafında uçan yuvarlak bir cisim döndüğünde, yakındaki hava katmanları dolaşmaya başlar. Sonuç olarak, uçuş sırasında vücut hareket yönünü değiştirir.

Deney için amatör fizikçiler, 126,5 metre yüksekliğinde bir baraj ve sıradan bir basketbol topu seçtiler. İlk başta, top basitçe aşağı atıldı, baraja paralel uçtu ve işaretli noktaya indi. İkinci kez, top kendi ekseni etrafında hafifçe kayarak düşürüldü. Uçan top, Magnus etkisini açıkça gösteren olağandışı bir yörünge boyunca uçtu.

Magnus Etkisi, futbol gibi bazı sporlarda topun neden garip bir yörüngede uçtuğunu açıklıyor. Topun "anormal" uçuşunun en çarpıcı örneği, 3 Haziran 1997'de Brezilya ve Fransa milli takımları arasında oynanan maçta futbolcu Roberto Carlos'un serbest vuruşundan sonra görüldü.

Gemi turbo yelkenlerin altında

Ünlü belgesel dizisi "Cousteau Team's Underwater Odyssey", 1960'lar – 1970'lerde büyük Fransız oşinograf tarafından çekildi. Cousteau'nun ana gemisi daha sonra İngiliz mayın tarama gemisi "Calypso"dan dönüştürüldü. Ancak sonraki filmlerden birinde - "Dünyanın Yeniden Keşfi" - başka bir gemi ortaya çıktı, yat "Alcyone".

Buna bakarak, birçok izleyici kendilerine şu soruyu sordu: Yata takılan bu garip borular nedir?.. Belki kazan boruları veya tahrik sistemleridir? Bunların YELKENLER … turbo yelkenler olduğunu öğrenirseniz şaşkınlığınızı hayal edin.

Cousteau fonu, 1985 yılında "Alkion" yatını satın aldı ve bu gemi bir araştırma gemisi olarak değil, turbosaillerin verimliliğini incelemek için bir üs olarak kabul edildi - orijinal gemi tahrik sistemi. Ve 11 yıl sonra efsanevi "Calypso" battığında, "Alkiona" seferin ana gemisi olarak yerini aldı (bu arada, bugün "Calypso" büyüdü ve yarı yağmalanmış durumda. Concarneau limanı).

Aslında turbosail Cousteau tarafından icat edildi. Denizin derinliklerini ve okyanusların yüzeyini keşfetmek için tüplü teçhizat, su altı tabağı ve diğer birçok cihazın yanı sıra. Fikir 1980'lerin başında doğdu ve bir su kuşları için en çevre dostu, ancak aynı zamanda uygun ve modern tahrik sistemini yaratmaktı. Rüzgar enerjisinin kullanımı en umut verici araştırma alanı gibi görünüyordu. Ama işte kötü şans: insanlık birkaç bin yıl önce bir yelken icat etti ve bundan daha basit ve daha mantıklı ne olabilir?

Elbette, Cousteau ve şirketi, yalnızca yelkenle çalışan bir gemi inşa etmenin imkansız olduğunu anladı. Daha doğrusu, belki, ancak sürüş performansı çok vasat olacak ve hava ve rüzgar yönünün kaprislerine bağlı olacak. Bu nedenle, başlangıçta yeni "yelkenin" yalnızca geleneksel dizel motorlara yardımcı olmak için geçerli bir yardımcı kuvvet olması planlanmıştı. Aynı zamanda, bir turbo yelken dizel yakıt tüketimini önemli ölçüde azaltacak ve kuvvetli bir rüzgarda geminin tek itici gücü haline gelebilir. Ve araştırma ekibinin görünümü geçmişe döndü - gemi yapımına önemli katkılarda bulunan ünlü uçak tasarımcısı Alman mühendis Anton Flettner'in icadı.

Flettner'ın rotoru ve Magnus etkisi

16 Eylül 1922'de Anton Flettner sözde döner gemi için bir Alman patenti aldı. Ve Ekim 1924'te, deneysel döner gemi Buckau, Kiel'deki gemi inşa şirketi Friedrich Krupp'un stoklarını bıraktı. Doğru, yelkenli sıfırdan inşa edilmedi: Flettner'in rotorlarının kurulumundan önce sıradan bir yelkenli gemiydi.

Flettner'ın fikri, özü aşağıdaki gibi olan Magnus etkisini kullanmaktı: dönen bir gövdenin etrafında bir hava (veya sıvı) akışı aktığında, akışın yönüne dik olan ve hareket eden bir kuvvet üretilir. vücut. Gerçek şu ki, dönen bir cisim kendi etrafında bir girdap hareketi yaratır. Vorteksin yönünün sıvı veya gazın akış yönü ile çakıştığı cismin tarafında, ortamın hızı artar, karşı tarafında ise azalır. Basınçtaki fark, dönme yönü ile akış yönünün çakıştığı tarafa zıt olduğu taraftan yönlendirilen bir kesme kuvveti oluşturur.

Bu etki 1852'de Berlinli fizikçi Heinrich Magnus tarafından keşfedildi.

Magnus etkisi

Alman havacılık mühendisi ve mucit Anton Flettner (1885-1961), denizcilik tarihine yelkenleri değiştirmeye çalışan bir adam olarak geçti. Atlantik ve Hint okyanuslarında bir yelkenli gemide uzun süre seyahat etme şansı buldu. O dönemin yelkenli gemilerinin direklerine birçok yelken kuruldu. Yelken ekipmanı pahalı, karmaşıktı ve aerodinamik olarak çok verimli değildi. Sürekli tehlikeler, fırtına sırasında bile 40-50 metre yükseklikte yelken açmak zorunda kalan denizcileri pusuya düşürdü.

Yolculuk sırasında genç mühendis, daha fazla çaba gerektiren yelkenleri, ana tahriki de rüzgar olacak daha basit ama etkili bir cihazla değiştirme fikrine sahipti. Bunu düşünürken, hemşehrisi fizikçi Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) tarafından yürütülen aerodinamik deneyleri hatırladı. Bir silindir bir hava akışında döndüğünde, silindirin dönüş yönüne bağlı bir yönde enine bir kuvvetin ortaya çıktığını buldular (Magnus etkisi).

Klasik deneylerinden biri şuna benziyordu: “Bir pirinç silindir iki nokta arasında dönebilir; silindirin hızlı dönüşü, bir üstte olduğu gibi bir kordon ile sağlandı.

Dönen silindir, sırayla kolayca döndürülebilen bir çerçeveye yerleştirildi. Küçük bir santrifüj pompa kullanılarak bu sisteme güçlü bir hava jeti gönderildi. Silindir, hava akımına ve silindir eksenine dik bir yönde, ayrıca dönüş yönlerinin ve jetin aynı olduğu yönde saptı "(L. Prandtl" Magnus Etkisi ve Rüzgar Gemisi ", 1925).

A. Flettner hemen yelkenlerin gemiye monte edilmiş döner silindirlerle değiştirilebileceğini düşündü.

Silindir yüzeyinin hava akışına karşı hareket ettiği yerde rüzgar hızının azaldığı ve basıncın arttığı ortaya çıktı. Silindirin diğer tarafında, bunun tersi doğrudur - hava akışının hızı artar ve basınç düşer. Silindirin farklı taraflarından gelen bu basınç farkı, gemiyi hareket ettiren itici güçtür. Bu, gemiyi hareket ettirmek için rüzgarın gücünü kullanan döner ekipmanın temel çalışma prensibidir. Her şey çok basit, ancak Magnus etkisi yarım yüzyıldan fazla bir süredir bilinmesine rağmen sadece A. Flettner "geçmedi".

Planı 1923'te Berlin yakınlarındaki bir gölde uygulamaya başladı. Aslında Flettner oldukça basit bir şey yaptı. Bir metre uzunluğundaki test teknesine yaklaşık bir metre yüksekliğinde ve 15 cm çapında bir kağıt silindir rotor yerleştirdi ve onu döndürmek için bir saat mekanizması uyarladı. Ve tekne uzaklaştı.

Yelkenli gemilerin kaptanları, A. Flettner'in yelkenleri değiştirmek istediği silindirleriyle alay etti. Mucit, buluşuyla zengin sanat patronlarının ilgisini çekmeyi başardı. 1924'te, 54 metrelik Buckau yelkenlisine üç direk yerine iki rotor silindiri yerleştirildi. Bu silindirler, 45 hp dizel jeneratör tarafından çalıştırıldı.

Bucau'nun rotorları elektrik motorlarıyla çalıştırılıyordu. Aslında tasarımda Magnus'un klasik deneylerinden hiçbir farkı yoktu. Rotorun rüzgara karşı döndüğü tarafta artan basınç alanı, karşı tarafta ise alçak basınç alanı oluşturulmuştur. Ortaya çıkan kuvvet, gemiyi hareket ettiren şeydir. Üstelik bu kuvvet, sabit bir rotor üzerindeki rüzgar basıncının kuvvetinden yaklaşık 50 kat daha büyüktü!

Bu Flettner için büyük umutlar açtı. Diğer şeylerin yanı sıra, rotor alanı ve kütlesi, eşit itici güç verecek olan yelken teçhizatı alanından birkaç kat daha azdı. Rotorun kontrolü çok daha kolaydı ve üretimi oldukça ucuzdu. Flettner, rotorları yukarıdan plaka düzlemleriyle kapladı - bu, hava akışlarının rotora göre doğru yönelimi nedeniyle itici gücü yaklaşık iki kat artırdı. "Bukau" için rotorun optimal yüksekliği ve çapı, bir rüzgar tünelinde gelecekteki geminin bir modelini üfleyerek hesaplandı.

Flettner'ın rotorunun mükemmel olduğu kanıtlandı. Sıradan bir yelkenli geminin aksine, bir döner gemi pratik olarak kötü hava koşullarından ve kuvvetli yan rüzgarlardan korkmuyordu, karşı rüzgara 25º'lik bir açıyla değişen raptiyelerle kolayca yelken açabiliyordu (normal bir yelken için sınır yaklaşık 45º'dir). İki silindirik rotor (yükseklik 13.1 m, çap 1.5 m) gemiyi mükemmel bir şekilde dengelemeyi mümkün kıldı - Bukau'nun yeniden yapılanmadan önce olduğu yelkenliden daha kararlı olduğu ortaya çıktı.

Testler sakin havalarda, fırtınada ve kasıtlı aşırı yüklenmeyle gerçekleştirildi ve ciddi bir eksiklik tespit edilmedi. Geminin hareketi için en avantajlı olanı, geminin eksenine tam olarak dik olan rüzgar yönüydü ve hareket yönü (ileri veya geri) rotorların dönüş yönü ile belirlendi.

Şubat 1925'in ortalarında, yelkenler yerine Flettner'in rotorlarıyla donatılmış yelkenli Buckau, İskoçya'ya gitmek için Danzig'den (şimdi Gdansk) ayrıldı. Hava kötüydü ve yelkenli teknelerin çoğu limanları terk etmeye cesaret edemedi. Kuzey Denizi'nde, Buckau güçlü rüzgarlar ve büyük dalgalarla ciddi şekilde uğraşmak zorunda kaldı, ancak yelkenli, karşılaşılan diğer yelkenli teknelerden daha az yattı.

Bu yolculuk sırasında, rüzgarın şiddetine veya yönüne bağlı olarak mürettebat üyelerinin yelkenlerini değiştirmeleri için güverteye çağrı yapılması gerekli değildi. Saatin bir gezgini yeterliydi, o da tekerlek yuvasından ayrılmadan rotorların aktivitesini kontrol edebiliyordu. Daha önce, üç direkli bir yelkenlinin mürettebatı en az 20 denizciden oluşuyordu, bir döner gemiye dönüştürülmesinden sonra 10 kişi yeterliydi.

Aynı yıl, tersane ikinci döner geminin temelini attı - üç adet 17 metrelik rotor tarafından tahrik edilen güçlü kargo gemisi "Barbara". Aynı zamanda, her rotor için sadece 35 hp kapasiteli küçük bir motor yeterliydi. (her rotorun 160 rpm maksimum dönüş hızında)! Rotor itişi, yaklaşık 1000 hp kapasiteli geleneksel bir gemi dizel motoruyla birleştirilmiş pervane tahrikli bir pervaneninkine eşdeğerdi. Bununla birlikte, gemide bir dizel motor da mevcuttu: rotorlara ek olarak, bir pervaneyi harekete geçirdi (sakin havalarda tek tahrik cihazı olarak kaldı).

Umut verici deneyler, Hamburg'lu nakliye şirketi Rob. M. Sloman'ı 1926'da Barbara gemisini inşa etmeye sevk etti. Flettner'in rotorları olan turbo yelkenleri donatmak önceden planlandı. 90 m uzunluğunda ve 13 m genişliğinde bir gemiye, yaklaşık 17 m yüksekliğinde üç rotor monte edildi.

Barbara, planlandığı gibi bir süredir İtalya'dan Hamburg'a başarıyla meyve taşıyor. Gemi, yolculuk süresinin yaklaşık %30-40'ı rüzgarın gücü nedeniyle seyir halindeydi. 4-6 puanlık bir rüzgarla "Barbara" 13 knot hıza ulaştı.

Döner geminin Atlantik Okyanusu'ndaki daha uzun seferlerde test edilmesi planlandı.

Ancak 1920'lerin sonlarında Büyük Buhran vurdu. 1929'da charter şirketi Barbara'nın daha fazla kiralamasını bıraktı ve satıldı. Yeni sahibi rotorları çıkardı ve gemiyi geleneksel şemaya göre yeniden yerleştirdi. Yine de rotor, rüzgara bağımlılığı ve güç ve hızdaki belirli sınırlamalar nedeniyle geleneksel bir dizel enerji santrali ile birlikte vidalı pervanelere karşı kaybetti. Flettner daha ileri araştırmalara yöneldi ve Baden-Baden sonunda 1931'de Karayipler'de bir fırtına sırasında battı. Ve uzun süre döner yelkenleri unuttular …

Döner gemilerin başlangıcı, görünüşe göre oldukça başarılıydı, ancak gelişme göstermediler ve uzun süre unutuldular. Niye ya? İlk olarak, döner gemilerin "babası" A. Flettner, helikopterlerin yaratılmasına daldı ve deniz taşımacılığı ile ilgilenmeyi bıraktı. İkincisi, tüm avantajlarına rağmen, döner gemiler, esas olarak rüzgara bağımlı olan, içsel dezavantajları olan yelkenli gemiler olarak kaldı.

Flettner'ın rotorları, bilim adamlarının iklim ısınmasını hafifletmek, kirliliği azaltmak ve yakıtın daha rasyonel kullanımını sağlamak için çeşitli önlemler önermeye başladığı yirminci yüzyılın 80'li yıllarıyla yeniden ilgilendi. Onları ilk hatırlayanlardan biri Fransız kaşif Jacques-Yves Cousteau (1910–1997) idi. Turbosail sisteminin çalışmasını test etmek ve yakıt tüketimini azaltmak için, iki direkli katamaran "Alcyone" (Alcyone, rüzgar tanrısı Aeolus'un kızıdır) döner bir tekneye dönüştürüldü. 1985 yılında bir deniz yolculuğuna çıkarak Kanada ve Amerika'ya seyahat etti, Cape Horn'u çevreledi, Avustralya ve Endonezya, Madagaskar ve Güney Afrika'yı bypass etti. Çeşitli araştırmalar yaparak üç ay boyunca yelken açtığı Hazar Denizi'ne nakledildi. Alcyone hala iki farklı tahrik sistemi kullanıyor - iki dizel motor ve iki turbo yelken.

Turbo yelken Cousteau

Yelkenli tekneler 20. yüzyıl boyunca inşa edildi. Bu tip modern gemilerde, yelken silahları elektrik motorlarının yardımıyla katlanır, yeni malzemeler yapıyı önemli ölçüde hafifletmeyi mümkün kılar. Ancak bir yelkenli bir yelkenlidir ve rüzgar enerjisini kökten yeni bir şekilde kullanma fikri Flettner günlerinden beri havadadır. Ve yorulmak bilmeyen maceracı ve kaşif Jacques-Yves Cousteau tarafından yakalandı.

23 Aralık 1986'da, makalenin başında bahsedilen Alcyone piyasaya sürüldükten sonra, Cousteau ve meslektaşları Lucien Malavar ve Bertrand Charier, "hareketli bir sıvı veya gaz kullanarak güç yaratan bir cihaz" için US4630997 numaralı ortak patenti aldılar. " Genel açıklama şu şekildedir: “Cihaz belirli bir yönde hareket eden bir ortama yerleştirilir; bu durumda, birinciye dik yönde etki eden bir kuvvet ortaya çıkar. Cihaz, itici gücün yelken alanıyla orantılı olduğu masif yelkenlerin kullanılmasından kaçınıyor." Cousteau'nun turbo yelkeni ile Flettner'ın döner yelkeni arasındaki fark nedir?

Enine kesitte, bir turbo yelken, keskin uçtan yuvarlatılmış uzun bir damla gibi bir şeydir. "Damla" nın yanlarında, birinden (ileri veya geri hareket etme ihtiyacına bağlı olarak) havanın emildiği hava giriş ızgaraları vardır. En verimli rüzgar emiş için, turbo yelken üzerindeki hava girişine bir elektrik motoru tarafından tahrik edilen küçük bir fan yerleştirilmiştir.

Turbo-yelkenin düzleminden ayrıldığı anda hava akımını emerek, yelkenin rüzgaraltı tarafından hava hareketinin hızını yapay olarak arttırır. Bu, türbülanslı girdapların oluşumunu engellerken turbo yelkenin bir tarafında bir vakum oluşturur. Ve sonra Magnus etkisi harekete geçer: sonuç olarak bir tarafta seyrelme - gemiyi harekete geçirebilen enine bir kuvvet. Aslında turbosail, dikey olarak yerleştirilmiş bir uçak kanadıdır, en azından bir itici güç oluşturma ilkesi, bir uçağın kaldırmasını oluşturma ilkesine benzer. Turbo yelkenin her zaman en avantajlı yönde rüzgara dönmesini sağlamak için özel sensörlerle donatılmış ve bir döner tabla üzerine monte edilmiştir. Bu arada, Cousteau'nun patenti, havanın bir turbo-yelkenin içinden sadece bir fan tarafından değil, aynı zamanda örneğin bir hava pompası tarafından da emilebileceğini ima ediyor - böylece Cousteau sonraki “mucitler” için kapıyı kapattı.

Aslında, Cousteau ilk kez 1981'de Moulin à Vent katamaranında bir prototip turbo yelkeni test etti. Katamaranın en başarılı yelkenlisi, daha büyük bir keşif gemisinin gözetiminde Tangier'den (Fas) New York'a bir yolculuktu.

Ve Nisan 1985'te, turbo yelkenlerle donatılmış ilk tam teşekküllü gemi olan Alcyone, La Rochelle limanında denize indirildi. Şimdi hala hareket halinde ve bugün Cousteau filosunun amiral gemisi (ve aslında tek büyük gemi). Üzerindeki turbo yelkenler tek hareket ettirici değildir, ancak iki dizelin olağan birleştirilmesine yardımcı olurlar ve

birkaç vida (bu arada, yakıt tüketimini yaklaşık üçte bir oranında azaltır). Büyük oşinograf yaşasaydı, muhtemelen benzer birkaç gemi daha inşa ederdi, ancak Cousteau'nun ayrılmasından sonra ortaklarının coşkusu gözle görülür şekilde azaldı.

1997'deki ölümünden kısa bir süre önce, Cousteau aktif olarak bir turbo yelkenli "Calypso II" gemisi projesi üzerinde çalışıyordu, ancak tamamlamayı başaramadı. Son verilere göre, 2011 kışında "Alkiona" Caen limanındaydı ve yeni bir sefer bekliyordu.

Ve yine Flettner

Bugün Flettner'ın fikrini yeniden canlandırmak ve döner yelkenleri ana akım haline getirmek için girişimlerde bulunuluyor. Örneğin, ünlü Hamburg şirketi Blohm + Voss, 1973 petrol krizinden sonra aktif bir döner tanker geliştirmeye başladı, ancak 1986'da ekonomik faktörler bu projeyi örtbas etti. Sonra bir dizi amatör tasarım vardı.

2007 yılında, Flensburg Üniversitesi'ndeki öğrenciler, döner bir yelkenle (Uni-cat Flensburg) çalışan bir katamaran inşa ettiler.

2010 yılında, döner yelkenli üçüncü gemi ortaya çıktı - dünyanın en büyük rüzgar türbini üreticilerinden biri olan Enercon'un emriyle inşa edilen ağır kamyon E-Ship 1. 6 Temmuz 2010'da gemi ilk kez denize indirildi ve Emden'den Bremerhaven'a kısa bir yolculuk yaptı. Ve zaten Ağustos ayında, dokuz rüzgar türbini yüküyle İrlanda'ya ilk çalışma gezisine çıktı. Gemi, dört Flettner rotoru ve tabii ki, sakin ve ek güç için geleneksel bir tahrik sistemi ile donatılmıştır. Yine de döner yelkenler yalnızca yardımcı pervaneler olarak hizmet eder: 130 metrelik bir kamyon için güçleri uygun hızı geliştirmek için yeterli değildir. Motorlar dokuz Mitsubishi enerji santrali ve rotorlar, egzoz gazlarından enerji kullanan bir Siemens buhar türbini tarafından çalıştırılıyor. Döner yelkenler, 16 knotta %30 ila %40 yakıt tasarrufu sağlar.

Ancak Cousteau'nun turbosail'i hala biraz unutulmuş durumda: "Alcyone" bugün bu tür bir tahrik sistemine sahip tek tam boyutlu gemi. Alman gemi yapımcılarının deneyimi, Magnus etkisi üzerinde çalışan yelken temasını daha da geliştirmenin mantıklı olup olmadığını gösterecek. Ana şey, bunun için bir iş vakası bulmak ve etkinliğini kanıtlamaktır. Ve orada, görüyorsunuz, tüm dünya deniz taşımacılığı, yetenekli bir Alman bilim adamının 150 yıldan daha uzun bir süre önce tarif ettiği ilkeye hareket edecek.

2 Ağustos 2010'da, dünyanın en büyük rüzgar enerjisi santrali üreticisi Enercon, Kiel'deki Lindenau tersanesinde, 22 m genişliğinde, daha sonra “E-Ship 1” olarak adlandırılan 130 metrelik döner gemiyi denize indirdi. Daha sonra Kuzey ve Akdeniz'de başarıyla test edildi ve şu anda rüzgar jeneratörlerini üretildiği Almanya'dan diğer Avrupa ülkelerine taşıyor. 17 knot (32 km / s) hız geliştirir, aynı anda 9 bin tondan fazla kargo taşır, mürettebatı 15 kişidir.

Singapur merkezli nakliye şirketi Wind Again, bir yakıt ve emisyon azaltma teknolojisi, tankerler ve kargo gemileri için özel olarak tasarlanmış Flettner rotorları (katlanabilir) sunuyor. Yakıt tüketimini %30-40 oranında azaltacaklar ve 3-5 yıl içinde amorti edecekler.

Fin deniz mühendisliği şirketi Wartsila, turbo yelkenleri yolcu gemilerine uyarlamayı şimdiden planlıyor. Bu, Finlandiyalı feribot operatörü Viking Line'ın yakıt tüketimini ve çevre kirliliğini azaltma arzusundan kaynaklanmaktadır.

Flettner rotorlarının gezi teknelerinde kullanımı Flensburg Üniversitesi (Almanya) tarafından araştırılmaktadır. Yükselen petrol fiyatları ve endişe verici iklim ısınması, rüzgar türbinlerinin geri dönüşü için uygun koşullar gibi görünüyor.