Magnus efekat i turbojedro

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-10 20:15

U Australiji su fizičari amateri demonstrirali Magnusov efekat na djelu. Eksperimentalni video, objavljen na YouTube hostingu, imao je preko 9 miliona pregleda.

Magnusov efekat je fizički fenomen koji se javlja kada struja tekućine ili plina teče oko tijela koje se rotira. Kada se leteće okruglo telo okreće oko njega, obližnji slojevi vazduha počinju da kruže. Kao rezultat toga, u letu tijelo mijenja smjer kretanja.

Za eksperiment su fizičari amateri odabrali branu visoku 126,5 metara i običnu košarkašku loptu. U početku je lopta jednostavno bačena dole, letela je paralelno sa branom i sletela na označenu tačku. Drugi put je lopta ispuštena, lagano se pomičući oko svoje ose. Leteća lopta je letjela neobičnom putanjom, jasno pokazujući Magnusov efekat.

Magnusov efekat objašnjava zašto u nekim sportovima, kao što je fudbal, lopta leti neobičnom putanjom. Najupečatljiviji primjer "nenormalnog" letenja lopte mogao se vidjeti nakon slobodnog udarca fudbalera Roberta Carlosa tokom utakmice između reprezentacija Brazila i Francuske 3. juna 1997. godine.

Brod je pod turbo jedrima

Čuvenu dokumentarnu seriju "Podvodna odiseja tima Cousteau" snimio je veliki francuski okeanograf 1960-1970-ih godina. Glavni brod Cousteaua tada je pretvoren iz britanskog minolovca "Calypso". Ali u jednom od narednih filmova - "Ponovno otkrivanje svijeta" - pojavio se još jedan brod, jahta "Alcyone".

Gledajući to, mnogi gledatelji su se pitali: koje su to čudne cijevi postavljene na jahti?.. Možda su to cijevi kotlova ili pogonskih sistema? Zamislite svoje čuđenje ako saznate da su ovo JEDRA … turbojedra …

Cousteau fond je 1985. godine nabavio jahtu "Alkion", a ovaj brod se smatrao ne toliko kao istraživački, već kao baza za proučavanje efikasnosti turbojedara - originalnog brodskog pogonskog sistema. A kada je, 11 godina kasnije, legendarni "Kalipso" potonuo, "Alkiona" je zauzela njeno mesto kao glavno plovilo ekspedicije (inače, danas je podignut "Kalipso" i nalazi se u poluopljačkanom stanju u luka Concarneau).

Zapravo, turbojedro je izumio Cousteau. Kao i ronilačka oprema, podvodni tanjir i mnogi drugi uređaji za istraživanje morskih dubina i površine okeana. Ideja se rodila ranih 1980-ih i bila je stvoriti ekološki najprihvatljiviji, ali u isto vrijeme pogodan i moderan pogonski sistem za ptice vodene ptice. Činilo se da je korištenje energije vjetra najperspektivnije područje istraživanja. Ali evo peha: čovječanstvo je izumilo jedro prije nekoliko hiljada godina, a šta može biti jednostavnije i logičnije?

Naravno, Cousteau i njegova kompanija shvatili su da je nemoguće izgraditi brod koji se pokreće isključivo jedrima. Tačnije, možda, ali njegove vozne performanse će biti veoma osrednje i zavisiće od vremenskih nepogoda i pravca vetra. Stoga je prvobitno planirano da novo "jedro" bude samo pomoćna snaga, primjenjiva za pomoć konvencionalnim dizel motorima. Istovremeno, turbojedro bi značajno smanjilo potrošnju dizel goriva, a pri jakom vjetru moglo bi postati jedini pogon plovila. A pogled istraživačkog tima okrenut je u prošlost - pronalasku njemačkog inženjera Antona Flettnera, poznatog konstruktora aviona, koji je dao značajan doprinos brodogradnji.

Flettnerov rotor i Magnusov efekat

Anton Flettner je 16. septembra 1922. godine dobio njemački patent za takozvanu rotirajuću posudu. A u oktobru 1924. eksperimentalni rotacijski brod Buckau napustio je dionice brodograditeljske kompanije Friedrich Krupp u Kielu. Istina, škuna nije napravljena od nule: prije ugradnje Flettnerovih rotora, bila je obična jedrilica.

Flettnerova ideja je bila da se koristi takozvani Magnusov efekat, čija je suština sljedeća: kada struja zraka (ili tekućine) struji oko rotirajućeg tijela, stvara se sila koja je okomita na smjer strujanja i djeluje na tijelo. Činjenica je da rotirajući objekt stvara vrtložno kretanje oko sebe. Na strani predmeta, gdje se smjer vrtloga poklapa sa smjerom strujanja tekućine ili plina, brzina medija raste, a na suprotnoj strani opada. Razlika u tlaku stvara i posmičnu silu usmjerenu sa strane na kojoj su smjer rotacije i smjer strujanja suprotni od strane na kojoj se poklapaju.

Ovaj efekat je 1852. godine otkrio berlinski fizičar Heinrich Magnus.

Magnus efekat

Njemački aeronautički inženjer i pronalazač Anton Flettner (1885-1961) ušao je u povijest plovidbe kao čovjek koji je pokušavao zamijeniti jedra. Imao je priliku da dugo putuje na jedrenjaku preko Atlantskog i Indijskog okeana. Mnoga jedra bila su postavljena na jarbolima jedrenjaka tog doba. Oprema za jedrenje bila je skupa, složena i aerodinamički neefikasna. Stalne opasnosti su vrebale mornare koji su i za vrijeme nevremena morali ploviti na 40-50 metara visine.

Mladi inženjer je tokom plovidbe došao na ideju da jedra, koja zahtijevaju više truda, zamijeni jednostavnijim, ali efikasnijim uređajem, čiji bi glavni pogon bio i vjetar. Razmišljajući o tome, prisjetio se aerodinamičkih eksperimenata koje je provodio njegov sunarodnik fizičar Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Otkrili su da kada se cilindar rotira u struji zraka, nastaje poprečna sila čiji smjer ovisi o smjeru rotacije cilindra (Magnusov efekat).

Jedan od njegovih klasičnih eksperimenata je izgledao ovako: „Mesingani cilindar mogao bi da se okreće između dve tačke; brzu rotaciju cilindra davala je, kao u vrhu, vrpca.

Rotirajući cilindar bio je postavljen u okvir, koji se, zauzvrat, mogao lako rotirati. Snažan mlaz vazduha je upućen u ovaj sistem pomoću male centrifugalne pumpe. Cilindar je odstupio u smjeru okomitom na struju zraka i na osu cilindra, štoviše, u smjeru iz kojeg su smjerovi rotacije i mlaza bili isti" (L. Prandtl "Magnusov efekat i brod vjetra", 1925.).

A. Flettner je odmah pomislio da se jedra mogu zamijeniti rotirajućim cilindrima ugrađenim na brod.

Ispostavilo se da tamo gdje se površina cilindra kreće protiv strujanja zraka, brzina vjetra opada, a pritisak raste. S druge strane cilindra je suprotno - brzina strujanja zraka se povećava, a tlak opada. Ova razlika u pritisku sa različitih strana cilindra je pokretačka sila koja čini da se posuda kreće. Ovo je osnovni princip rada rotacijske opreme, koja koristi silu vjetra za pomicanje plovila. Sve je vrlo jednostavno, ali samo A. Flettner "nije prošao", iako je Magnusov efekat poznat već više od pola veka.

Plan je počeo da sprovodi 1923. godine na jezeru u blizini Berlina. Zapravo, Flettner je uradio prilično jednostavnu stvar. Ugradio je papirni cilindar-rotor oko metar visine i 15 cm u prečniku na metar dugačak ispitni čamac i prilagodio satni mehanizam da ga okreće. I čamac je otplovio.

Zapovjednici jedrenjaka rugali su se cilindrima A. Flettnera, kojima je htio zamijeniti jedra. Pronalazač je uspio zainteresirati bogate pokrovitelje umjetnosti svojim izumom. Godine 1924. umjesto tri jarbola, na 54-metarsku škunu "Buckau" postavljena su dva cilindra rotora. Ove cilindre pokretao je dizel generator od 45 KS.

Rotore Bucaua pokretali su električni motori. Zapravo, nije bilo razlike u dizajnu od klasičnih Magnusovih eksperimenata. Na strani gdje je rotor rotirao protiv vjetra, stvoreno je područje povećanog pritiska, na suprotnoj strani područje niskog pritiska. Rezultirajuća sila je ono što je pokretalo brod. Štaviše, ova sila je bila oko 50 puta veća od sile pritiska vjetra na stacionarni rotor!

Ovo je otvorilo velike izglede za Flettnera. Između ostalog, površina rotora i njegova masa bili su nekoliko puta manji od površine jedrilice, što bi dalo jednaku pogonsku snagu. Rotor je bilo mnogo lakše kontrolirati, a bio je prilično jeftin za proizvodnju. Odozgo je Flettner prekrio rotore pločama - to je povećalo pogonsku silu za oko dva puta zbog pravilne orijentacije strujanja zraka u odnosu na rotor. Optimalna visina i prečnik rotora za "Bukau" izračunata je puhanjem modela budućeg broda u aerotunel.

Flettnerov rotor se pokazao odličnim. Za razliku od običnog jedrenjaka, rotacioni brod se praktički nije plašio lošeg vremena i jakih bočnih vjetrova, mogao je lako ploviti naizmjeničnim čamcima pod kutom od 25º u odnosu na čeoni vjetar (za normalno jedro, granica je oko 45º). Dva cilindrična rotora (visine 13,1 m, promjera 1,5 m) omogućila su savršeno balansiranje plovila - pokazalo se da je stabilnije od jedrilice koju je Bukau bio prije restrukturiranja.

Testovi su obavljeni po mirnom vremenu, i po oluji, i uz namjerno preopterećenje - i nisu uočeni ozbiljni nedostaci. Najpovoljniji za kretanje plovila bio je smjer vjetra točno okomito na os plovila, a smjer kretanja (naprijed ili nazad) određen je smjerom rotacije rotora.

Sredinom februara 1925. godine, škuna Buckau, opremljena Flettnerovim rotorima umjesto jedrima, krenula je iz Danziga (danas Gdanjsk) za Škotsku. Vrijeme je bilo loše i većina jedrilica nije se usudila napustiti luke. U Sjevernom moru, Buckau je morao ozbiljno da se nosi s jakim vjetrovima i velikim valovima, ali škuna se naginjala manje od ostalih jedrilica na koje je naišla.

Tokom ovog putovanja nije bilo potrebno pozivati članove posade na palubu da mijenjaju jedra ovisno o jačini ili smjeru vjetra. Dovoljan je bio jedan navigator sata, koji je, ne napuštajući kormilarnicu, mogao kontrolirati aktivnost rotora. Ranije se posada škune s tri jarbola sastojala od najmanje 20 mornara, nakon što je pretvorena u rotacijski brod, bilo je dovoljno 10 ljudi.

Iste godine brodogradilište je postavilo temelje za drugi rotacioni brod - moćni teretni brod "Barbara", koji su pokretala tri rotora od 17 metara. Istovremeno, za svaki rotor bio je dovoljan jedan mali motor snage od samo 35 KS. (pri maksimalnoj brzini rotacije svakog rotora 160 o/min)! Potisak rotora bio je ekvivalentan onom kod propelernog propelera spojenog sa konvencionalnim brodskim dizel motorom kapaciteta oko 1000 KS. Međutim, na brodu je bio dostupan i dizel motor: osim rotora, pokretao je i propeler (koji je ostao jedini pogonski uređaj u slučaju mirnog vremena).

Obećavajući eksperimenti potaknuli su brodarsku kompaniju Rob. M. Sloman iz Hamburga da izgradi brod Barbara 1926. godine. Unaprijed je planirano opremanje turbojedara - Flettnerovih rotora. Na plovilu dužine 90 m i širine 13 m postavljena su tri rotora visine oko 17 m.

Barbara već neko vrijeme uspješno prevozi voće iz Italije u Hamburg, kako je i planirano. Otprilike 30-40% vremena putovanja brod je plovio zbog snage vjetra. Uz vjetar od 4-6 bodova "Barbara" je razvila brzinu od 13 čvorova.

Planirano je da se rotacijski brod testira na dužim putovanjima u Atlantskom oceanu.

Ali kasnih 1920-ih nastupila je Velika depresija. 1929. čarter kompanija odustaje od daljnjeg zakupa Barbare i prodaje se. Novi vlasnik je uklonio rotore i remontovao brod prema tradicionalnoj shemi. Ipak, rotor je izgubio na vijčanim propelerima u kombinaciji s konvencionalnom dizel elektranom zbog ovisnosti o vjetru i određenim ograničenjima u snazi i brzini. Flettner se okrenuo naprednijim istraživanjima, a Baden-Baden je na kraju potonuo tokom oluje na Karibima 1931. I dugo su zaboravili na rotirajuća jedra …

Početak rotacijskih plovila, čini se, bio je prilično uspješan, ali nisu dobili razvoj i dugo su bili zaboravljeni. Zašto? Prvo, "otac" rotacijskih plovila A. Flettner zaronio je u stvaranje helikoptera i prestao se zanimati za pomorski transport. Drugo, unatoč svim svojim prednostima, rotacijski brodovi su ostali jedrenjaci sa svojim inherentnim nedostacima od kojih je glavna ovisnost o vjetru.

Flettnerovi rotori ponovo su se zainteresovali 80-ih godina dvadesetog veka, kada su naučnici počeli da predlažu različite mere za ublažavanje zagrevanja klime, smanjenje zagađenja i racionalnije korišćenje goriva. Jedan od prvih koji ih se prisjetio bio je francuski istraživač Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Kako bi se testirao rad turbosail sistema i smanjila potrošnja goriva, katamaran s dva jarbola "Alcyone" (Alcyone je kći boga vjetrova Eola) pretvoren je u rotirajući brod. Krenuvši na pomorsku plovidbu 1985. godine, proputovao je Kanadu i Ameriku, obišao rt Horn, zaobišao Australiju i Indoneziju, Madagaskar i Južnu Afriku. Prebačen je na Kaspijsko more, gdje je plovio tri mjeseca radeći razna istraživanja. Alcyone i dalje koristi dva različita pogonska sistema - dva dizel motora i dva turbojedra.

Turbo jedro Cousteau

Jedrilice su se gradile tokom cijelog 20. stoljeća. U modernim brodovima ovog tipa, jedriličarsko naoružanje se sklapa uz pomoć elektromotora, a novi materijali omogućavaju značajno olakšanje konstrukcije. Ali jedrilica je jedrilica, a ideja o korištenju energije vjetra na radikalno nov način je u zraku još od Flettnerovih dana. A nju je pokupio neumorni avanturista i istraživač Jacques-Yves Cousteau.

Dana 23. decembra 1986., nakon što je lansiran Alcyone spomenut na početku članka, Cousteau i njegove kolege Lucien Malavar i Bertrand Charier primili su zajednički patent br. US4630997 za "uređaj koji stvara silu korištenjem pokretne tekućine ili plina." Opšti opis glasi kako slijedi: „Uređaj se postavlja u okruženje koje se kreće u određenom smjeru; u ovom slučaju nastaje sila koja djeluje u smjeru okomitom na prvu. Uređaj izbjegava korištenje masivnih jedara, u kojima je pokretačka sila proporcionalna površini jedra." Koja je razlika između Cousteauovog turbojedra i Flettnerovog rotacionog jedra?

U poprečnom presjeku, turbojedro je nešto poput izdužene kapljice zaobljene od oštrog kraja. Na bočnim stranama "kapljice" nalaze se rešetke za usis zraka kroz koje se (u zavisnosti od potrebe za kretanjem naprijed ili nazad) usisava zrak. Za najefikasnije usisavanje vjetra, mali ventilator pokretan električnim motorom ugrađen je u usis zraka na turbo jedru.

Umjetno povećava brzinu kretanja zraka sa zavjetrinske strane jedra, usisujući struju zraka u trenutku njegovog odvajanja od ravnine turbo-jedra. Ovo stvara vakuum na jednoj strani turbojedra dok se sprječava stvaranje turbulentnih vrtloga. I tada djeluje Magnusov efekat: razrjeđivanje na jednoj strani, kao rezultat - poprečna sila sposobna da pokrene brod. Zapravo, turbojedro je okomito postavljeno krilo aviona, barem je princip stvaranja pogonske sile sličan principu stvaranja uzgona aviona. Kako bi se osiguralo da je turbojedro uvijek okrenuto prema vjetru u najpovoljnijem smjeru, opremljeno je posebnim senzorima i ugrađeno je na okretnu ploču. Inače, Cousteauov patent podrazumijeva da se zrak iz unutrašnjosti turbo jedra može usisati ne samo ventilatorom, već i, na primjer, vazdušnom pumpom – čime je Cousteau zatvorio kapiju za naredne „pronalazače“.

Zapravo, po prvi put, Cousteau je testirao prototip turbojedra na katamaranu Moulin à Vent 1981. Najveća uspješna plovidba katamaranom bila je putovanje od Tangiera (Maroko) do New Yorka pod nadzorom većeg ekspedicionog broda.

A u travnju 1985., u luci La Rochelle, porinut je Alcyone, prvi punopravni brod opremljen turbojedrima. Sada je još uvijek u pokretu i danas je vodeći (i, zapravo, jedini veliki brod) Cousteauove flotile. Turbo jedra na njemu nisu jedini pokretač, ali pomažu uobičajenom spajanju dva dizelaša i

nekoliko vijaka (što, inače, smanjuje potrošnju goriva za oko trećinu). Da je veliki oceanograf živ, vjerovatno bi izgradio još nekoliko sličnih brodova, ali je entuzijazam njegovih saradnika nakon odlaska Cousteaua osjetno smanjen.

Neposredno prije smrti 1997. godine, Cousteau je aktivno radio na projektu broda "Calypso II" s turbojedrom, ali ga nije uspio dovršiti. Prema posljednjim podacima, u zimu 2011. "Alkiona" je bila u luci Caen i čekala je novu ekspediciju.

I opet Flettner

Danas se pokušava oživjeti Flettnerova ideja i uvesti rotirajuća jedra u mainstream. Na primjer, poznata hamburška kompanija Blohm + Voss, nakon naftne krize 1973. godine, počela je sa aktivnim razvojem rotacionog tankera, ali su do 1986. ekonomski faktori prikrili ovaj projekat. Zatim je postojao čitav niz amaterskih dizajna.

2007. godine studenti Univerziteta Flensburg izgradili su katamaran na rotaciono jedro (Uni-cat Flensburg).

Godine 2010. pojavio se treći ikada brod sa rotirajućim jedrima - teški kamion E-Ship 1, koji je izgrađen po narudžbi Enercona, jednog od najvećih proizvođača vjetroagregata na svijetu. 6. jula 2010. godine, brod je prvi put porinut i obavio kratku plovidbu od Emdena do Bremerhavena. A već u avgustu je otišao na svoje prvo radno putovanje u Irsku sa teretom od devet vetroturbina. Plovilo je opremljeno sa četiri Flettner rotora i, naravno, tradicionalnim pogonom u slučaju mirovanja i za dodatnu snagu. Ipak, rotirajuća jedra služe samo kao pomoćni propeleri: za kamion od 130 metara njihova snaga nije dovoljna da razvije odgovarajuću brzinu. Motori su devet Mitsubishi elektrana, a rotore pokreće Siemensova parna turbina koja koristi energiju iz izduvnih gasova. Rotaciona jedra omogućavaju uštedu goriva od 30 do 40% pri brzini od 16 čvorova.

No, Cousteauovo turbojedro još uvijek ostaje u nekom zaboravu: "Alcyone" je danas jedini brod pune veličine s ovom vrstom pogona. Iskustvo njemačkih brodograditelja pokazat će da li ima smisla dalje razvijati temu jedara koja djeluju na Magnusov efekat. Glavna stvar je pronaći poslovni slučaj za ovo i dokazati njegovu efikasnost. I tamo će, vidite, sva svjetska plovidba krenuti na princip koji je jedan talentirani njemački naučnik opisao prije više od 150 godina.

Dana 2. avgusta 2010. godine, najveći svjetski proizvođač vjetroelektrana Enercon porinuo je 130 metara rotirajući brod, širine 22 m, koji je kasnije nazvan „E-Ship 1“, u brodogradilištu Lindenau u Kielu. Potom je uspješno testiran na Sjevernom i Sredozemnom moru, a trenutno transportuje vjetrogeneratore iz Njemačke, gdje se proizvode, u druge evropske zemlje. Razvija brzinu od 17 čvorova (32 km/h), istovremeno prevozi više od 9 hiljada tona tereta, njegova posada je 15 ljudi.

Singapurska brodarska kompanija Wind Again, tehnologija smanjenja goriva i emisija, nudi posebno dizajnirane Flettner rotore (sklopive) za tankere i teretne brodove. Oni će smanjiti potrošnju goriva za 30-40% i isplatiće se za 3-5 godina.

Finska kompanija za pomorski inženjering Wartsila već planira adaptaciju turbojedara na trajektima za krstarenje. To je zbog želje finskog trajektnog operatera Viking Line da smanji potrošnju goriva i zagađenje okoliša.

Univerzitet u Flensburgu (Njemačka) proučava upotrebu Flettner rotora na plovilima za razonodu. Čini se da su rastuće cijene nafte i alarmantno zagrijavanje klime povoljni uslovi za povratak vjetroturbina.