Magnus effekt og turbosejl

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-10 20:27

I Australien har amatørfysikere demonstreret Magnus-effekten i aktion. Eksperimentvideoen, der er lagt ud på YouTube-hosting, har fået over 9 millioner visninger.

Magnus-effekten er et fysisk fænomen, der opstår, når en strøm af væske eller gas strømmer rundt om et roterende legeme. Når en flyvende rund krop roterer omkring den, begynder nærliggende luftlag at cirkulere. Som følge heraf ændrer kroppen sin bevægelsesretning under flugten.

Til eksperimentet valgte amatørfysikere en dæmning på 126,5 meter og en almindelig basketball. Først blev bolden simpelthen kastet ned, den fløj parallelt med dæmningen og landede på det markerede punkt. Anden gang blev bolden tabt og rullede lidt rundt om dens akse. Den flyvende bold fløj langs en usædvanlig bane, hvilket tydeligt demonstrerede Magnus-effekten.

Magnus-effekten forklarer, hvorfor bolden i nogle sportsgrene, såsom fodbold, flyver i en mærkelig bane. Det mest slående eksempel på den "unormale" boldflugt kunne ses efter et frispark fra fodboldspilleren Roberto Carlos under kampen den 3. juni 1997 mellem Brasiliens og Frankrigs landshold.

Skibet er under turbosejl

Den berømte dokumentarserie "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" blev optaget af den store franske oceanograf i 1960'erne – 1970'erne. Cousteau's hovedskib blev derefter ombygget fra den britiske minestryger "Calypso". Men i en af de efterfølgende film - "Rediscovery of the World" - dukkede et andet skib op, yachten "Alcyone".

Når de så på det, stillede mange seere sig selv spørgsmålet: hvad er disse mærkelige rør installeret på yachten?.. Måske er de rør af kedler eller fremdriftssystemer? Forestil dig din forbløffelse, hvis du finder ud af, at disse er SEJLE … turbosejl …

Cousteau-fonden erhvervede yachten "Alkion" i 1985, og dette skib blev ikke så meget betragtet som et forskningsskib, men som en base for at studere effektiviteten af turbosejl - det originale skibs fremdriftssystem. Og da den legendariske "Calypso" sank 11 år senere, indtog "Alkiona" hendes plads som ekspeditionens hovedfartøj (i øvrigt blev "Calypso" i dag rejst og er i en semi-plyndret tilstand i havnen i Concarneau).

Faktisk blev turbosejlet opfundet af Cousteau. Samt scubaudstyr, en undervandsskål og mange andre enheder til at udforske havets dybder og havenes overflade. Ideen blev født i begyndelsen af 1980'erne og var at skabe det mest miljøvenlige, men samtidig bekvemme og moderne fremdriftssystem til en vandfugl. Brugen af vindkraft syntes at være det mest lovende forskningsområde. Men her er uheldet: menneskeheden opfandt et sejl for flere tusinde år siden, og hvad kunne være enklere og mere logisk?

Selvfølgelig forstod Cousteau og hans firma, at det var umuligt at bygge et skib udelukkende drevet af sejl. Mere præcist, måske, men dens kørepræstationer vil være meget middelmådig og afhængig af vejrets og vindretningens luner. Derfor var det oprindeligt planlagt, at det nye "sejl" kun skal være en hjælpestyrke, der kan bruges til at hjælpe konventionelle dieselmotorer. Samtidig ville et turbosejl reducere dieselforbruget markant, og i hård vind kunne det blive fartøjets eneste fremdrift. Og forskerholdets udseende vendte mod fortiden - til opfindelsen af den tyske ingeniør Anton Flettner, den berømte flydesigner, som ydede et væsentligt bidrag til skibsbygning.

Flettners rotor og Magnus-effekten

Den 16. september 1922 modtog Anton Flettner tysk patent på det såkaldte roterende fartøj. Og i oktober 1924 forlod det eksperimentelle roterende skib Buckau skibsbygningsfirmaet Friedrich Krupps lagre i Kiel. Sandt nok blev skonnerten ikke bygget fra bunden: før installationen af Flettners rotorer var det et almindeligt sejlskib.

Flettners idé var at bruge den såkaldte Magnus-effekt, hvis essens er som følger: når en luftstrøm (eller væske) strømmer rundt om et roterende legeme, genereres en kraft, der er vinkelret på strømningsretningen og virker på kroppen. Faktum er, at et roterende objekt skaber en hvirvelbevægelse omkring sig selv. På den side af objektet, hvor hvirvelretningen falder sammen med retningen af væske- eller gasstrømmen, øges mediets hastighed, og på den modsatte side falder den. Forskellen i tryk og skaber en forskydningskraft rettet fra den side, hvor omdrejningsretningen og strømningsretningen er modsat den side, hvor de falder sammen.

Denne effekt blev opdaget i 1852 af Berlin-fysikeren Heinrich Magnus.

Magnus effekt

Den tyske luftfartsingeniør og opfinder Anton Flettner (1885-1961) gik over i navigationens historie som en mand, der forsøgte at erstatte sejl. Han havde en chance for at rejse i lang tid på et sejlskib over Atlanterhavet og det indiske ocean. Mange sejl blev sat på masterne på sejlskibe fra den tid. Sejlerudstyr var dyrt, komplekst og aerodynamisk ikke særlig effektivt. Konstante farer lurede søfolk, som selv under en storm måtte sejle i 40-50 meters højde.

Under sejladsen fik den unge maskinmester den idé at udskifte sejlene, som kræver mere indsats, med en enklere, men effektiv anordning, hvis hovedfremdrift også ville være vinden. Da han overvejede dette, mindede han om aerodynamiske eksperimenter udført af hans landsmandsfysiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). De fandt ud af, at når en cylinder roterer i en luftstrøm, opstår der en tværgående kraft med en retning, der afhænger af cylinderens rotationsretning (Magnus-effekt).

Et af hans klassiske eksperimenter så således ud: “En messingcylinder kunne rotere mellem to punkter; cylinderens hurtige rotation blev bibragt, som i en top, af en snor.

Den roterende cylinder var placeret i en ramme, som igen let kunne drejes. En stærk luftstråle blev sendt til dette system ved hjælp af en lille centrifugalpumpe. Cylinderen afveg i en retning vinkelret på luftstrømmen og på cylinderaksen i øvrigt i den retning, hvorfra rotationsretningerne og strålen var de samme "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner mente straks, at sejlene kunne erstattes af roterende cylindre installeret på skibet.

Det viser sig, at hvor cylinderens overflade bevæger sig mod luftstrømmen, falder vindhastigheden, og trykket stiger. På den anden side af cylinderen er det modsatte tilfældet - hastigheden af luftstrømmen stiger, og trykket falder. Denne forskel i tryk fra forskellige sider af cylinderen er den drivkraft, der får fartøjet til at bevæge sig. Dette er det grundlæggende princip for drift af roterende udstyr, som bruger vindens kraft til at flytte fartøjet. Alt er meget enkelt, men kun A. Flettner "gik ikke forbi", selvom Magnus-effekten har været kendt i mere end et halvt århundrede.

Han begyndte at gennemføre planen i 1923 på en sø nær Berlin. Faktisk gjorde Flettner en ret simpel ting. Han installerede en papircylinder-rotor omkring en meter i højden og 15 cm i diameter på en meter lang testbåd og tilpassede en urmekanisme til at rotere den. Og båden sejlede væk.

Kaptajnerne på sejlskibe hånede A. Flettners cylindre, som han ville udskifte sejlene med. Opfinderen formåede at interessere velhavende kunstmæcener med sin opfindelse. I 1924 blev der i stedet for tre master installeret to rotorcylindre på den 54 meter lange skonnert "Buckau". Disse cylindre blev drevet af en 45 hk dieselgenerator.

Bucaus rotorer blev drevet af elektriske motorer. Faktisk var der ingen forskel fra Magnus' klassiske eksperimenter i designet. På den side, hvor rotoren roterede mod vinden, blev der skabt et område med øget tryk, på den modsatte side et lavtryksområde. Den resulterende kraft er det, der drev skibet frem. Desuden var denne kraft omkring 50 gange større end kraften fra vindtrykket på en stationær rotor!

Dette åbnede store perspektiver for Flettner. Blandt andet var rotorarealet og dets masse flere gange mindre end arealet af sejlerriggen, hvilket ville have givet samme drivkraft. Rotoren var meget nemmere at styre, og den var ret billig at fremstille. Fra oven dækkede Flettner rotorerne med pladeplan - dette øgede drivkraften med omkring to gange på grund af den korrekte orientering af luftstrømmene i forhold til rotoren. Den optimale højde og diameter af rotoren til "Bukau" blev beregnet ved at blæse en model af det fremtidige skib i en vindtunnel.

Flettners rotor viste sig at være fremragende. I modsætning til et almindeligt sejlskib var et roterende skib praktisk talt ikke bange for dårligt vejr og stærk sidevind, det kunne sagtens sejle med vekslende hug i en vinkel på 25º i forhold til modvinden (for et normalt sejl er grænsen omkring 45º). To cylindriske rotorer (højde 13,1 m, diameter 1,5 m) gjorde det muligt at balancere fartøjet perfekt - det viste sig at være mere stabilt end den sejlbåd, som Bukau var før omstruktureringen.

Testene blev udført i stille vejr og i storm og med bevidst overbelastning - og der blev ikke konstateret alvorlige mangler. Den mest fordelagtige for fartøjets bevægelse var vindens retning nøjagtigt vinkelret på fartøjets akse, og bevægelsesretningen (fremad eller bagud) blev bestemt af rotorernes rotationsretning.

I midten af februar 1925 forlod skonnerten Buckau, udstyret med Flettners rotorer i stedet for sejl, Danzig (nu Gdansk) til Skotland. Vejret var dårligt, og de fleste sejlbåde turde ikke forlade havnene. I Nordsøen måtte Buckau alvorligt forholde sig til hård vind og store bølger, men skonnerten krængede mindre ombord end andre sejlbåde stødte på.

Under denne sejlads var det ikke nødvendigt at tilkalde besætningsmedlemmernes dæk for at skifte sejl afhængigt af vindens styrke eller retning. En navigatør på uret var nok, som uden at forlade styrehuset kunne kontrollere rotorernes aktivitet. Tidligere bestod besætningen på en tremastet skonnert af mindst 20 sømænd, efter dens ombygning til et roterende skib var 10 personer nok.

Samme år lagde værftet grunden til det andet roterende skib - det mægtige fragtskib "Barbara", drevet af tre 17-meters rotorer. Samtidig var én lille motor med en kapacitet på kun 35 hk nok til hver rotor. (ved den maksimale rotationshastighed for hver rotor 160 rpm)! Rotorkraften svarede til den for en propeldrevet propel koblet med en konventionel skibsdieselmotor med en kapacitet på omkring 1000 hk. En dieselmotor var dog også tilgængelig på skibet: Udover rotorerne satte den en propel i gang (som forblev den eneste fremdriftsanordning i tilfælde af roligt vejr).

Lovende eksperimenter fik rederiet Rob. M. Sloman fra Hamborg til at bygge skibet Barbara i 1926. Det var på forhånd planlagt at udstyre turbosejl - Flettners rotorer. På et fartøj 90 m langt og 13 m bredt var der monteret tre rotorer med en højde på ca. 17 m.

Barbara har med succes transporteret frugt fra Italien til Hamborg i nogen tid som planlagt. Cirka 30-40 % af rejsetiden sejlede fartøjet på grund af vindens kraft. Med en vind på 4-6 point udviklede "Barbara" en fart på 13 knob.

Det var planlagt at teste det roterende fartøj på længere rejser i Atlanterhavet.

Men i slutningen af 1920'erne ramte den store depression. I 1929 opgav charterselskabet den videre leje af Barbara og blev solgt. Den nye ejer fjernede rotorerne og ombyggede skibet efter den traditionelle ordning. Alligevel tabte rotoren til skruepropellerne i kombination med et konventionelt dieselkraftværk på grund af dens afhængighed af vinden og visse begrænsninger i kraft og hastighed. Flettner vendte sig til mere avanceret forskning, og Baden-Baden sank til sidst under en storm i Caribien i 1931. Og de glemte roterende sejl i lang tid …

Begyndelsen af roterende fartøjer, ser det ud til, var ret vellykket, men de modtog ikke udvikling og blev glemt i lang tid. Hvorfor? For det første kastede "faderen" til roterende fartøjer A. Flettner sig ud i skabelsen af helikoptere og holdt op med at være interesseret i søtransport. For det andet, på trods af alle deres fordele, er roterende fartøjer forblevet sejlskibe med deres iboende ulemper, hvoraf den vigtigste er afhængighed af vinden.

Flettners rotorer var igen interesserede i 80'erne af det tyvende århundrede, hvor videnskabsmænd begyndte at foreslå forskellige foranstaltninger til at afbøde klimaopvarmningen, reducere forurening og mere rationel brug af brændstof. En af de første til at huske dem var den franske opdagelsesrejsende Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). For at teste driften af turbosejlsystemet og reducere brændstofforbruget blev den to-mastede katamaran "Alcyone" (Alcyone er datter af vindens gud Aeolus) omdannet til et roterende fartøj. Efter at have begivet sig ud på en sørejse i 1985 rejste han til Canada og Amerika, kredsede om Kap Horn, gik uden om Australien og Indonesien, Madagaskar og Sydafrika. Han blev overført til Det Kaspiske Hav, hvor han sejlede i tre måneder og lavede forskellige undersøgelser. Alcyone bruger stadig to forskellige fremdriftssystemer – to dieselmotorer og to turbosejl.

Turbo sejl Cousteau

Sejlbåde blev bygget gennem det 20. århundrede. I moderne skibe af denne type foldes sejlbevæbning ved hjælp af elektriske motorer, nye materialer gør det muligt at lette strukturen betydeligt. Men en sejlbåd er en sejlbåd, og ideen om at bruge vindenergi på en radikalt ny måde har været i luften siden Flettners dage. Og hun blev samlet op af den utrættelige eventyrer og opdagelsesrejsende Jacques-Yves Cousteau.

Den 23. december 1986, efter at Alcyone nævnt i begyndelsen af artiklen blev lanceret, modtog Cousteau og hans kolleger Lucien Malavar og Bertrand Charier fælles patent nr. US4630997 for "en enhed, der skaber kraft gennem brug af en bevægelig væske eller gas." Den generelle beskrivelse lyder som følger: "Enheden er placeret i et miljø, der bevæger sig i en bestemt retning; i dette tilfælde opstår der en kraft, der virker i en retning vinkelret på den første. Enheden undgår brugen af massive sejl, hvor drivkraften er proportional med sejlarealet." Hvad er forskellen mellem Cousteaus turbosejl og Flettners roterende sejl?

I tværsnit er et turbosejl noget som et aflangt dråbe afrundet fra den skarpe ende. På siderne af "dråben" er der luftindtagsgitre, hvoraf det ene (afhængigt af behovet for at bevæge sig frem eller tilbage) suges luft ud. For det mest effektive vindsugning er en lille ventilator drevet af en elmotor installeret i luftindtaget på turbosejlet.

Det øger kunstigt hastigheden af luftbevægelsen fra læsiden af sejlet og suger luftstrømmen ind i det øjeblik, den adskilles fra turbo-sejlets plan. Dette skaber et vakuum på den ene side af turbosejlet og forhindrer samtidig dannelsen af turbulente hvirvler. Og så virker Magnus-effekten: sjældenhed på den ene side, som et resultat - en tværgående kraft, der er i stand til at sætte skibet i bevægelse. Faktisk er et turbosejl en vertikalt placeret flyvinge, i det mindste princippet om at skabe en fremdriftskraft ligner princippet om at skabe et flys løft. For at sikre, at turbosejlet altid er vendt mod vinden i den mest fordelagtige retning, er det udstyret med specielle sensorer og monteret på en drejeskive. Cousteaus patent indebærer i øvrigt, at luft kan suges ud fra indersiden af et turbosejl, ikke kun af en ventilator, men også for eksempel af en luftpumpe - dermed lukkede Cousteau porten for efterfølgende "opfindere".

Faktisk testede Cousteau for første gang en prototype turbosejl på Moulin à Vent-katamaranen i 1981. Den største succesrige sejlads af katamaranen var en tur fra Tanger (Marokko) til New York under opsyn af et større ekspeditionsskib.

Og i april 1985, i havnen i La Rochelle, blev Alcyone, det første fuldgyldige skib udstyret med turbosejl, søsat. Nu er hun stadig på farten og er i dag flagskibet (og faktisk det eneste store skib) i Cousteau flotillen. Turbosejlene på den er ikke den eneste bevægelse, men de hjælper den sædvanlige kobling af to dieselmotorer og

flere skruer (hvilket i øvrigt reducerer brændstofforbruget med cirka en tredjedel). Hvis den store oceanograf var i live, ville han sandsynligvis have bygget flere lignende skibe, men entusiasmen hos hans medarbejdere efter Cousteau's afgang blev mærkbart mindre.

Kort før sin død i 1997 arbejdede Cousteau aktivt på projektet med skibet "Calypso II" med et turbosejl, men det lykkedes ikke at fuldføre det. Ifølge de seneste data lå "Alkiona" i vinteren 2011 i havnen i Caen og ventede på en ny ekspedition.

Og igen Flettner

I dag forsøger man at genoplive Flettners idé og gøre roterende sejl mainstream. For eksempel begyndte det berømte Hamburg-selskab Blohm + Voss efter oliekrisen i 1973 aktiv udvikling af et roterende tankskib, men i 1986 dækkede økonomiske faktorer over dette projekt. Så var der en hel serie af amatørdesigns.

I 2007 byggede studerende ved Flensborg Universitet en katamaran drevet af et roterende sejl (Uni-cat Flensborg).

I 2010 dukkede det tredje skib nogensinde med roterende sejl op - den tunge lastbil E-Ship 1, som blev bygget efter ordre fra Enercon, en af de største producenter af vindmøller i verden. Den 6. juli 2010 blev skibet første gang søsat og foretog en kort rejse fra Emden til Bremerhaven. Og allerede i august tog han på sin første arbejdstur til Irland med et læs på ni vindmøller. Fartøjet er udstyret med fire Flettner-rotorer og naturligvis et traditionelt fremdriftssystem i tilfælde af ro og for ekstra kraft. Alligevel tjener roterende sejl kun som hjælpepropeller: for en 130 meter lastbil er deres kraft ikke nok til at udvikle den rette hastighed. Motorerne er ni Mitsubishi kraftværker, og rotorerne drives af en Siemens dampturbine, der bruger energi fra udstødningsgasser. Roterende sejl giver 30 til 40 % brændstofbesparelse ved 16 knob.

Men Cousteaus turbosejl forbliver stadig i en vis glemsel: "Alcyone" er i dag det eneste skib i fuld størrelse med denne type fremdrift. Erfaringerne fra tyske skibsbyggere vil vise, om det giver mening at videreudvikle temaet om sejl, der opererer på Magnus-effekten. Det vigtigste er at finde en business case for dette og bevise dets effektivitet. Og dér, ser du, vil al verdensskibsfart bevæge sig efter det princip, som en talentfuld tysk videnskabsmand beskrev for mere end 150 år siden.

Den 2. august 2010 søsatte verdens største producent af vindkraftværker Enercon et 130 meter stort roterende fartøj, 22 m bredt, som senere fik navnet "E-Ship 1", på Lindenau-værftet i Kiel. Derefter blev den testet med succes i Nord- og Middelhavet og transporterer i øjeblikket vindgeneratorer fra Tyskland, hvor de produceres, til andre europæiske lande. Den udvikler en hastighed på 17 knob (32 km / t), transporterer samtidig mere end 9 tusinde tons last, dens besætning er 15 personer.

Det Singapore-baserede rederi Wind Again, en brændstof- og emissionsreduktionsteknologi, tilbyder specialdesignede Flettner-rotorer (foldbare) til tankskibe og fragtskibe. De vil reducere brændstofforbruget med 30-40% og vil betale sig i løbet af 3-5 år.

Det finske skibsingeniørfirma Wartsila planlægger allerede at tilpasse turbosejl på krydstogtfærger. Det skyldes det finske færgeselskab Viking Lines ønske om at reducere brændstofforbruget og miljøforurening.

Brugen af Flettner-rotorer på lystfartøjer undersøges af Flensborg Universitet (Tyskland). Stigende oliepriser og alarmerende klimaopvarmning ser ud til at være gunstige betingelser for tilbagevenden af vindmøller.