אפקט מגנוס ומפרש טורבו

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-10 20:59

באוסטרליה, פיזיקאים חובבים הדגימו את אפקט מגנוס בפעולה. סרטון הניסוי, שפורסם ב-YouTube אירוח, זכה ליותר מ-9 מיליון צפיות.

אפקט מגנוס הוא תופעה פיזיקלית המתרחשת כאשר זרם של נוזל או גז זורם סביב גוף מסתובב. כאשר גוף עגול מעופף מסתובב סביבו, שכבות אוויר סמוכות מתחילות להסתובב. כתוצאה מכך, בטיסה, הגוף משנה את כיוון התנועה שלו.

לצורך הניסוי בחרו פיזיקאים חובבים סכר בגובה 126.5 מטר וכדורסל רגיל. בהתחלה, הכדור פשוט נזרק למטה, הוא טס במקביל לסכר ונחת בנקודה המסומנת. בפעם השנייה, הכדור נשמט, מעט גלילה סביב צירו. הכדור המעופף עף לאורך מסלול יוצא דופן, והדגים בבירור את אפקט מגנוס.

אפקט מגנוס מסביר מדוע בענפי ספורט מסוימים, כמו כדורגל, הכדור עף במסלול מוזר. את הדוגמה הבולטת ביותר להעפת הכדור ה"חריגה" ניתן היה לראות לאחר בעיטה חופשית של שחקן הכדורגל רוברטו קרלוס במהלך המשחק ב-3 ביוני 1997 בין נבחרות ברזיל וצרפת.

הספינה נמצאת תחת מפרשי טורבו

הסדרה הדוקומנטרית המפורסמת "האודיסאה התת-ימית של צוות קוסטו" צולמה על ידי האוקיינוגרף הצרפתי הגדול בשנות ה-60-1970. הספינה הראשית של הקוסטו הוסבה אז משוללת המוקשים הבריטית "קליפסו". אבל באחד מהסרטים הבאים - "גילוי מחדש של העולם" - הופיעה ספינה נוספת, היאכטה "Alcyone".

בהסתכלות על זה, צופים רבים שאלו את עצמם את השאלה: מהם הצינורות המוזרים האלה המותקנים על היאכטה?.. אולי הם צינורות של דוודים או מערכות הנעה? תארו לעצמכם את תדהמתכם אם תגלו שמדובר במפרשים…מפרשי טורבו…

קרן קוסטו רכשה את היאכטה "אלקיון" ב-1985, וספינה זו נחשבה לא כל כך כספינת מחקר, אלא כבסיס לחקר היעילות של טורבוסיילים - מערכת ההנעה המקורית של הספינה. וכשכעבור 11 שנים טבעה ה"קליפסו" האגדית, ה"אלקיונה" תפסה את מקומה ככלי השיט הראשי של המשלחת (אגב, היום ה"קליפסו" גדלה ונמצאת במצב חצי שדוד ב- נמל קונקארנו).

למעשה, המפרש הטורבו הומצא על ידי קוסטו. כמו גם ציוד צלילה, צלוחית תת-מימית ועוד הרבה מכשירים לחקר מעמקי הים ופני האוקיינוסים. הרעיון נולד בתחילת שנות ה-80 והיה ליצור את מערכת ההנעה הידידותית ביותר לסביבה, אך יחד עם זאת נוחה ומודרנית עבור עופות מים. השימוש בכוח הרוח נראה כתחום המחקר המבטיח ביותר. אבל הנה המזל הרע: האנושות המציאה מפרש לפני כמה אלפי שנים, ומה יכול להיות פשוט והגיוני יותר?

כמובן, קוסטו והחברה שלו הבינו שאי אפשר לבנות ספינה המונעת אך ורק במפרש. ליתר דיוק, אולי, אבל ביצועי הנהיגה שלו יהיו בינוניים מאוד ותלויים בגחמות מזג האוויר וכיוון הרוח. לכן, במקור תוכנן שה"מפרש" החדש יהיה רק כוח עזר, ישים לסייע למנועי דיזל קונבנציונליים. במקביל, מפרש טורבו יפחית משמעותית את צריכת הסולר, וברוח חזקה הוא עלול להפוך להנעה היחידה של כלי השיט. והמבט של צוות המחקר פנה לעבר - להמצאתו של המהנדס הגרמני אנטון פלטנר, מעצב המטוסים המפורסם, שתרם תרומה משמעותית לבניית ספינות.

הרוטור של פלטנר ואפקט מגנוס

ב-16 בספטמבר 1922, אנטון פלטנר קיבל פטנט גרמני על מה שנקרא כלי סיבובי. ובאוקטובר 1924, הספינה הרוטרית הניסויית Buckau עזבה את מלאי חברת בניית הספינות פרידריך קרופ בקיל. נכון, הסקונר לא נבנה מאפס: לפני התקנת הרוטורים של פלטנר, זה היה כלי מפרש רגיל.

הרעיון של פלטנר היה להשתמש במה שנקרא אפקט מגנוס, שמהותו היא כדלקמן: כאשר זרם אוויר (או נוזל) זורם סביב גוף מסתובב, נוצר כוח הניצב לכיוון הזרימה ופועל על הגוף. העובדה היא שעצם מסתובב יוצר תנועת מערבולת סביב עצמו. בצד העצם, שבו כיוון המערבולת עולה בקנה אחד עם כיוון זרימת הנוזל או הגז, מהירות המדיום עולה, ובצד הנגדי היא יורדת. ההבדל בלחץ ויוצר כוח גזירה המכוון מהצד בו כיוון הסיבוב וכיוון הזרימה מנוגדים לצד בו הם חופפים.

השפעה זו התגלתה בשנת 1852 על ידי הפיזיקאי הברלינאי היינריך מגנוס.

אפקט מגנוס

המהנדס והממציא הגרמני אנטון פלטנר (1885-1961) נכנס להיסטוריה של הניווט כאדם שמנסה להחליף מפרשים. הייתה לו הזדמנות לנסוע זמן רב על ספינת מפרש על פני האוקיינוס האטלנטי וההודי. מפרשים רבים הונחו על תרני ספינות מפרש של אותה תקופה. ציוד השייט היה יקר, מורכב, ובאופן אווירודינמי לא מאוד יעיל. סכנות תמידיות ארבו מלחים שגם בזמן סערה נאלצו לשוט בגובה של 40-50 מטר.

במהלך ההפלגה עלה על המהנדס הצעיר רעיון להחליף את המפרשים, הדורשים יותר מאמץ, במכשיר פשוט יותר אך יעיל, שההנעה העיקרית שלו תהיה גם הרוח. בההרהר בכך, הוא נזכר בניסויים אווירודינמיים שערך הפיזיקאי בן ארצו היינריך גוסטב מגנוס (1802-1870). הם מצאו שכאשר גליל מסתובב בזרימת אוויר, נוצר כוח רוחבי עם כיוון התלוי בכיוון הסיבוב של הגליל (אפקט מגנוס).

אחד הניסויים הקלאסיים שלו נראה כך: גליל פליז יכול להסתובב בין שתי נקודות; הסיבוב המהיר של הגליל הועבר, כמו בחלק העליון, על ידי חוט.

הגליל המסתובב הונח במסגרת, אשר, בתורה, ניתן היה לסובב בקלות. סילון אוויר חזק נשלח למערכת זו באמצעות משאבה צנטריפוגלית קטנה. הגליל סטה בכיוון הניצב לזרם האוויר ולציר הגליל, יתרה מכך, בכיוון שממנו היו כיווני הסיבוב והסילון זהים "(L. Prandtl" אפקט מגנוס וספינת הרוח ", 1925).

א' פלטנר חשב מיד שניתן להחליף את המפרשים בגלילים מסתובבים המותקנים על הספינה.

מסתבר שבמקום שבו משטח הגליל נע נגד זרימת האוויר, מהירות הרוח יורדת והלחץ עולה. בצד השני של הגליל, ההפך הוא הנכון - מהירות זרימת האוויר עולה, והלחץ יורד. ההבדל הזה בלחץ מצדדים שונים של הגליל הוא הכוח המניע שגורם לכלי לנוע. זהו העיקרון הבסיסי של הפעולה של ציוד סיבובי, המשתמש בכוח הרוח כדי להזיז את כלי השיט. הכל מאוד פשוט, אבל רק א. פלטנר "לא חלף על פניו", אם כי אפקט מגנוס ידוע כבר יותר מחצי מאה.

הוא החל ליישם את התוכנית ב-1923 על אגם ליד ברלין. למעשה, פלטנר עשה דבר די פשוט. הוא התקין גליל-רוטור נייר בגובה של כמטר ובקוטר של 15 ס מ על סירת ניסוי באורך מטר, והתאים מנגנון שעון לסובבו. והסירה הפליגה משם.

קברניטי ספינות המפרש לעגו על הצילינדרים של א' פלטנר, שבהם רצה להחליף את המפרשים. הממציא הצליח לעניין פטרוני אמנות עשירים בהמצאתו. בשנת 1924, במקום שלושה תרנים, הותקנו שני צילינדרים רוטורים על הסקונר "בוקאו" באורך 54 מטר. צילינדרים אלו הונעו על ידי גנרטור דיזל 45 כ"ס.

הרוטורים של הבוקאו הונעו על ידי מנועים חשמליים. למעשה, לא היה הבדל מהניסויים הקלאסיים של מגנוס בתכנון. בצד שבו הסתובב הרוטור נגד הרוח, נוצר אזור של לחץ מוגבר, בצד הנגדי, אזור לחץ נמוך. הכוח שנוצר הוא מה שהניע את הספינה.יתרה מכך, כוח זה היה גדול פי 50 בערך מכוח לחץ הרוח על רוטור נייח!

זה פתח בפני פלטנר סיכויים גדולים. בין היתר, שטח הרוטור ומסה שלו היו קטנים פי כמה משטח אסדת השייט, מה שהיה נותן כוח מניע שווה. הרוטור היה הרבה יותר קל לשליטה, והוא היה די זול לייצור. מלמעלה, פלטנר כיסה את הרוטורים במטוסי לוח - זה הגדיל את הכוח המניע בערך פי שניים בגלל הכיוון הנכון של זרימות האוויר ביחס לרוטור. הגובה והקוטר האופטימליים של הרוטור עבור "בוקאו" חושבו על ידי ניפוח דגם של הספינה העתידית במנהרת רוח.

הרוטור של פלטנר התגלה כמצוין. בניגוד לכלי מפרש רגילים, ספינה סיבובית כמעט ולא פחדה ממזג אוויר גרוע ורוחות צד חזקות, היא יכלה לשוט בקלות עם נעצים מתחלפים בזווית של 25º לרוח הקדמית (עבור מפרש רגיל, הגבול הוא בערך 45º). שני רוטורים גליליים (גובה 13.1 מ', קוטר 1.5 מ') אפשרו לאזן את הכלי בצורה מושלמת - התברר כי היא יציבה יותר מהמפרשית שבוקאו הייתה לפני המבנה מחדש.

הבדיקות בוצעו במזג אוויר רגוע, ובסערה, ובעומס מכוון - ולא זוהו ליקויים חמורים. היתרון ביותר לתנועת כלי השיט היה כיוון הרוח בניצב בדיוק לציר הכלי, וכיוון התנועה (קדימה או אחורה) נקבע לפי כיוון הסיבוב של הרוטורים.

באמצע פברואר 1925 עזבה הסונרית Buckau, מצוידת ברוטורים של פלטנר במקום מפרשים, את דנציג (כיום גדנסק) לסקוטלנד. מזג האוויר היה גרוע ורוב המפרשיות לא העזו לצאת מהנמלים. בים הצפוני, הבוקאו נאלץ להתמודד ברצינות עם רוחות חזקות וגלים גדולים, אך הסקונר עלה על סיפונה פחות מאשר נתקלו בסירות מפרש אחרות.

במהלך הפלגה זו לא היה צורך לקרוא לסיפון אנשי הצוות להחליף מפרשים בהתאם לעוצמת או לכיוון הרוח. הספיק לנווט אחד של השעון, שבלי לצאת מבית ההגה יכול היה לשלוט בפעילות הרוטורים. בעבר, הצוות של שונר שלושה תרנים כלל לפחות 20 מלחים, לאחר הפיכתו לספינה סיבובית, 10 אנשים הספיקו.

באותה שנה הניחה המספנה את היסודות לספינה הרוטרית השנייה - אוניית המטען האדירה "ברברה", המונעת על ידי שלושה רוטורים באורך 17 מטר. יחד עם זאת, מנוע קטן אחד בהספק של 35 כ"ס בלבד הספיק לכל רוטור. (במהירות הסיבוב המקסימלית של כל רוטור 160 סל"ד)! דחף הרוטור היה שווה ערך לזה של מדחף מונע מדחף יחד עם מנוע דיזל ספינה קונבנציונלי בהספק של כ-1000 כ"ס. עם זאת, גם מנוע דיזל היה זמין בספינה: בנוסף לרוטורים, הוא הניע מדחף (שנשאר מכשיר ההנעה היחיד במקרה של מזג אוויר שקט).

ניסויים מבטיחים הניעו את חברת הספנות רוב.מ.סלומן מהמבורג לבנות את הספינה ברברה ב-1926. תוכנן מראש לצייד טורבו-סיילים - הרוטורים של פלטנר. על כלי שייט באורך 90 מ' ורוחב 13 מ' הורכבו שלושה רוטורים בגובה של כ-17 מ'.

ברברה מצליחה להעביר פירות מאיטליה להמבורג כבר זמן מה, כמתוכנן. כ-30-40% מזמן ההפלגה שייט הכלי בגלל עוצמת הרוח. עם רוח של 4-6 נקודות "ברברה" פיתחה מהירות של 13 קשר.

תוכנן לבחון את הספינה הסיבובית בהפלגות ארוכות יותר באוקיינוס האטלנטי.

אבל בסוף שנות העשרים של המאה הקודמת, הכה השפל הגדול. ב-1929 נטשה חברת הצ'רטר את המשך החכירה של הברברה ונמכרה. הבעלים החדש הסיר את הרוטורים והרכיב מחדש את הספינה בהתאם לתכנית המסורתית. ובכל זאת, הרוטור הפסיד למדחפים הברגים בשילוב עם תחנת כוח דיזל קונבנציונלית בגלל התלות שלו ברוח ומגבלות מסוימות בהספק ובמהירות. פלטנר פנה למחקר מתקדם יותר, ובאדן-באדן טבעה בסופו של דבר במהלך סערה בקריביים ב-1931. והם שכחו ממפרשים סיבוביים במשך זמן רב …

תחילתם של כלי סיבוב, כך נראה, הייתה מוצלחת למדי, אך הם לא זכו להתפתחות ונשכחו במשך זמן רב. למה? ראשית, "אבי" כלי השיט הסיבוביים א' פלטנר צלל לתוך יצירת מסוקים והפסיק להתעניין בהובלה ימית. שנית, למרות כל היתרונות שלהם, כלי שיט סיבוביים נותרו ספינות מפרש עם החסרונות הטמונים בהם, שהעיקרי שבהם הוא התלות ברוח.

הרוטורים של פלטנר שוב התעניינו בשנות ה-80 של המאה העשרים, כאשר מדענים החלו להציע אמצעים שונים להפחתת התחממות האקלים, הפחתת הזיהום ושימוש רציונלי יותר בדלק. אחד הראשונים שנזכר בהם היה החוקר הצרפתי ז'אק-איב קוסטו (1910–1997). כדי לבדוק את פעולת מערכת הטורבוסייל ולהפחית את צריכת הדלק, הוסב הקטמרן הדו-תורני "אלסיונה" (אלסיונה היא בתו של אל הרוחות אאולוס) לכלי סיבובי. לאחר שיצא למסע ימי ב-1985, הוא נסע לקנדה ואמריקה, הקיף את כף הורן, עקף את אוסטרליה ואינדונזיה, מדגסקר ודרום אפריקה. הוא הועבר לים הכספי, שם הפליג במשך שלושה חודשים וערך מחקרים שונים. אלסיונה עדיין משתמשת בשתי מערכות הנעה שונות - שני מנועי דיזל ושני טורבוסיילים.

מפרש טורבו קוסטו

סירות מפרש נבנו לאורך המאה ה-20. בספינות מודרניות מסוג זה, חימוש שייט מקופל בעזרת מנועים חשמליים, חומרים חדשים מאפשרים להקל משמעותית על המבנה. אבל סירת מפרש היא סירת מפרש, והרעיון של שימוש באנרגיית הרוח בצורה חדשה לחלוטין קיים באוויר מאז ימי פלטנר. והיא נאספה על ידי ההרפתקן והחוקר הבלתי נלאה ז'אק-איב קוסטו.

ב-23 בדצמבר 1986, לאחר השקת ה-Alcyone שהוזכרה בתחילת המאמר, קיבלו קוסטו ועמיתיו לוסיאן מלאבר וברטרנד צ'רייר פטנט משותף US4630997 עבור "מכשיר שיוצר כוח באמצעות שימוש בנוזל או גז נעים." התיאור הכללי נכתב כך: "המכשיר ממוקם בסביבה הנעה בכיוון מסוים; במקרה זה, נוצר כוח הפועל בכיוון המאונך לראשון. המכשיר נמנע משימוש במפרשים מסיביים, שבהם הכוח המניע הוא פרופורציונלי לשטח המפרש". מה ההבדל בין המפרש הטורבו של קוסטו למפרש הסיבובי של פלטנר?

בחתך רוחב, מפרש טורבו הוא משהו כמו טיפה מוארכת המעוגלת מהקצה החד. בצידי ה"טיפה" יש סורגים לכניסת אוויר, שדרך אחד מהם (בהתאם לצורך לנוע קדימה או אחורה) נשאב אוויר החוצה. ליניקת הרוח היעילה ביותר, מאוורר קטן המונע על ידי מנוע חשמלי מותקן בכניסת האוויר במפרש הטורבו.

הוא מגביר באופן מלאכותי את מהירות תנועת האוויר מהצד הרצוף של המפרש, יונק את זרם האוויר ברגע ההפרדה שלו ממישור הטורבו-מפרש. זה יוצר ואקום בצד אחד של מפרש הטורבו תוך מניעת היווצרות של מערבולות סוערות. ואז פועל אפקט מגנוס: נידוף בצד אחד, כתוצאה מכך - כוח רוחבי המסוגל להניע את הספינה. למעשה, מפרש טורבו הוא כנף מטוס במיקום אנכי, לפחות העיקרון של יצירת כוח הנעה דומה לעקרון יצירת הרמה של מטוס. כדי להבטיח שהמפרש תמיד יפנה לרוח בכיוון המועיל ביותר, הוא מצויד בחיישנים מיוחדים ומותקן על פטיפון. אגב, הפטנט של קוסטו מרמז שניתן לשאוב אוויר מבפנים של מפרש טורבו לא רק על ידי מאוורר, אלא גם, למשל, על ידי משאבת אוויר - כך קוסטו סגר את השער עבור "הממציאים" הבאים.

למעשה, בפעם הראשונה, קוסטו בדק אב טיפוס מפרש טורבו בקטמרן Moulin à Vent ב-1981. ההפלגה המוצלחת הגדולה ביותר של הקטמרן הייתה טיול מטנג'יר (מרוקו) לניו יורק בפיקוח ספינת משלחת גדולה יותר.

ובאפריל 1985, בנמל לה רושל, הושקה ה-Alcyone, הספינה המלאה הראשונה המצוידת במפרשי טורבו. כעת היא עדיין בתנועה והיום היא ספינת הדגל (ולמעשה, הספינה הגדולה היחידה) של משט קוסטו. מפרשי הטורבו עליו הם לא המניע היחיד, אבל הם עוזרים לחיבור הרגיל של שני דיזלים ו

מספר ברגים (מה שאגב מפחית את צריכת הדלק בכשליש). אם האוקיינוגרף הגדול היה בחיים, הוא כנראה היה בונה עוד כמה ספינות דומות, אבל ההתלהבות של מקורביו לאחר עזיבתו של קוסטו פחתה באופן ניכר.

זמן קצר לפני מותו בשנת 1997, קוסטו עבד באופן פעיל על הפרויקט של הספינה "קליפסו II" עם מפרש טורבו, אך לא הצליח להשלים אותו. לפי הנתונים העדכניים ביותר, בחורף 2011, "אלקיונה" הייתה בנמל קאן וחיכתה למשלחת חדשה.

ושוב פלטנר

כיום נעשים ניסיונות להחיות את הרעיון של פלטנר ולהפוך את המפרשים הסיבוביים למיינסטרים. לדוגמה, חברת המבורג המפורסמת Blohm + Voss, לאחר משבר הנפט של 1973, החלה בפיתוח פעיל של מכלית סיבובית, אך עד 1986, גורמים כלכליים כיסו את הפרויקט הזה. אחר כך הייתה סדרה שלמה של עיצובים חובבים.

בשנת 2007, סטודנטים באוניברסיטת פלנסבורג בנו קטמרן המופעל על ידי מפרש סיבובי (Uni-cat Flensburg).

בשנת 2010 הופיעה הספינה השלישית אי פעם עם מפרשים סיבוביים - המשאית הכבדה E-Ship 1, שנבנתה בהוראת אנרקון, אחת מיצרניות טורבינות הרוח הגדולות בעולם. ב-6 ביולי 2010, הושקה הספינה לראשונה ועשתה הפלגה קצרה מאמדן לברמרהאבן. וכבר באוגוסט הוא יצא למסע העבודה הראשון שלו באירלנד עם מטען של תשע טורבינות רוח. הכלי מצויד בארבעה רוטורים של פלטנר וכמובן מערכת הנעה מסורתית למקרה של שקט ולתוספת כוח. ובכל זאת, מפרשים סיבוביים משמשים רק כמדחפי עזר: עבור משאית באורך 130 מטר, הכוח שלהם לא מספיק כדי לפתח את המהירות הראויה. המנועים הם תשע תחנות כוח של מיצובישי, והרוטורים מופעלים על ידי טורבינת קיטור של סימנס שמשתמשת באנרגיה מגזי פליטה. מפרשים סיבוביים מספקים חיסכון של 30 עד 40% בדלק ב-16 קשר.

אבל מפרש הטורבו של קוסטו עדיין נשאר בשכחה מסוימת: "אלסיונה" כיום היא הספינה היחידה בגודל מלא עם סוג הנעה זה. הניסיון של בוני ספינות גרמנים יראה אם יש טעם להמשיך ולפתח את הנושא של מפרשים הפועלים על אפקט מגנוס. העיקר למצוא לזה מקרה עסקי ולהוכיח את יעילותו. ושם, אתם מבינים, כל הספנות העולמית תעבור לעיקרון שתיאר מדען גרמני מוכשר לפני יותר מ-150 שנה.

ב-2 באוגוסט 2010, היצרנית הגדולה בעולם של תחנות כוח רוח, אנרקון, השיקה במספנת לינדנאו בקיל, כלי שיט סיבובי באורך 130 מטר, ברוחב 22 מ', שזכה לכינוי "E-Ship 1". אז הוא נוסה בהצלחה בים הצפוני והים התיכון, וכיום הוא מוביל גנרטורים רוח מגרמניה, שם הם מיוצרים, למדינות אחרות באירופה. הוא מפתח מהירות של 17 קשר (32 קמ"ש), בו זמנית מעביר יותר מ-9 אלף טון מטען, הצוות שלו הוא 15 אנשים.

חברת הספנות מסינגפור Wind Again, טכנולוגיה להפחתת דלק ופליטות, מציעה רוטורים של פלטנר (מתקפלים) שתוכננו במיוחד עבור מכליות ואוניות משא. הם יפחיתו את צריכת הדלק ב-30-40% וישתלמו תוך 3-5 שנים.

חברת ההנדסה הימית הפינית Wartsila כבר מתכננת להתאים מפרשי טורבו במעבורות שיוט. זאת בשל רצונה של מפעילת המעבורות הפינית Viking Line להפחית את צריכת הדלק ואת זיהום הסביבה.

השימוש ברוטורים של פלטנר בספינות תענוגות נחקר על ידי אוניברסיטת פלנסבורג (גרמניה). עליית מחירי הנפט והתחממות אקלים מדאיגה נראים כתנאים נוחים להחזרת טורבינות הרוח.