Вращающиеся цилиндры подъемная сила (2 видео)

Эффект Магнуса — это наблюдаемое явление , которое обычно ассоциируется с вращающимся объектом, движущимся в жидкости . Путь вращающегося объекта отклоняется таким образом, который отсутствует, когда объект не вращается. Отклонение можно объяснить разницей давления жидкости на противоположных сторонах вращающегося объекта. Эффект Магнуса зависит от скорости вращения.

Наиболее легко наблюдаемый случай эффекта Магнуса — это когда вращающаяся сфера (или цилиндр) отклоняется от дуги, по которой она следовала бы, если бы не вращалась. Его часто используют футболисты и волейболисты, бейсбольные питчеры и боулеры в крикет. Следовательно, это явление важно при изучении физики многих видов спорта с мячом . Это также важный фактор при изучении влияния вращения на управляемые ракеты, и он имеет некоторые инженерные применения, например, при проектировании винтокрылых кораблей и самолетов Флеттнера .

Топспин в играх с мячом определяется как вращение вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной направлению движения, которое перемещает верхнюю поверхность мяча в направлении движения. Под действием эффекта Магнуса верхнее вращение вызывает отклонение движущегося шара вниз, большее, чем могло бы быть вызвано одной лишь силой тяжести. Обратное вращение создает направленную вверх силу, которая продлевает полет движущегося мяча. Точно так же боковое вращение вызывает отклонение в любую сторону, как это видно во время некоторых бейсбольных полей, например, ползунка . Общее поведение аналогично поведению вокруг аэродинамического профиля (см. Подъемную силу ), но с циркуляцией, создаваемой механическим вращением, а не действием аэродинамического профиля.

Эффект Магнуса назван в честь исследовавшего его немецкого физика Генриха Густава Магнуса . Сила, действующая на вращающийся цилиндр, известна как подъемник Кутта – Жуковски в честь Мартина Кутты и Николая Жуковского (или Жуковского), которые впервые проанализировали эффект.

Содержание

Физика
История
В спорте
По внешней баллистике
В авиации
Движение и стабилизация корабля
Эффект Магнуса и турбопаруса
Корабль под турбопарусами!
📹 Видео

Видео:Вращающиеся цилиндрыСкачать

Физика

Интуитивное понимание этого явления исходит из третьего закона Ньютона, согласно которому отклоняющая сила, действующая на тело, является реакцией на отклонение, которое тело оказывает на воздушный поток. Тело «толкает» воздух в одном направлении, а воздух толкает его в другом направлении. В частности, подъемная сила сопровождается отклонением воздушного потока вниз. Это угловое отклонение потока жидкости к корме корпуса.

Лайман Бриггс провел исследование в аэродинамической трубе эффекта Магнуса на бейсбольные мячи, а другие сделали изображения этого эффекта. Исследования показывают, что турбулентный след за вращающимся шаром вызывает аэродинамическое сопротивление, плюс есть заметное угловое отклонение в следе, причем это отклонение происходит в направлении вращения.

Процесс образования турбулентного следа за телом в воздушном потоке сложен, но хорошо изучен в аэродинамике. Тонкий пограничный слой в какой-то момент отрывается (« отрыв потока ») от тела, и здесь начинает развиваться след. Сам пограничный слой может быть турбулентным или нет, и это оказывает значительное влияние на образование следа. Достаточно небольшие изменения в состоянии поверхности тела могут повлиять на начало образования следа и, таким образом, оказать заметное влияние на структуру потока ниже по потоку. Таково влияние вращения тела.

Говорят, что сам Магнус ошибочно постулировал теоретический эффект ламинарного потока из-за поверхностного трения и вязкости как причины эффекта Магнуса. Такие эффекты физически возможны, но незначительны по сравнению с тем, что создается собственно эффектом Магнуса. В некоторых случаях причины эффекта Магнуса могут вызывать отклонение, противоположное отклонению от эффекта Магнуса.

На диаграмме выше показана подъемная сила, создаваемая вращающимся назад шаром. След и задний поток воздуха отклонены вниз. Движение пограничного слоя более интенсивно на нижней стороне мяча, где вращательное движение поверхности мяча направлено вперед и усиливает эффект поступательного движения мяча. Пограничный слой создает турбулентность в следе через короткий промежуток времени.

В бейсболе этот эффект используется для создания нисходящего движения крученого мяча, при котором бейсбольный мяч вращается вперед (с «верхним вращением»). Этим эффектом пользуются и участники других видов спорта, играющих с мячом.

На цилиндре сила вращения известна как лифт Кутта – Жуковски . Его можно проанализировать с точки зрения вихря, создаваемого вращением. Подъем на цилиндр на единицу длины, F / L , является произведением скорости v (в метрах в секунду), плотности жидкости ρ (в кг / м 3 ) и силы вихря , создаваемого вращением, G :

где сила вихря определяется выражением

грамм знак равно ( 2 π р ) 2 s знак равно 2 π р 2 ω , s = 2 \ pi r ^ \ omega,>

где s — вращение цилиндра (в оборотах в секунду), ω — угловая скорость вращения цилиндра (в радианах в секунду), а r — радиус цилиндра (в метрах).

Видео:Подъёмная силаСкачать

История

Немецкий физик Генрих Густав Магнус описал эффект в 1852 году. Однако в 1672 году Исаак Ньютон описал его и правильно вывел причину после наблюдения за теннисистами в своем Кембриджском колледже. В 1742 году Бенджамин Робинс , британский математик, исследователь баллистики и военный инженер, объяснил отклонения траекторий мушкетных ядер эффектом Магнуса.

Видео:Как возникает подъёмная сила крыла?Скачать

В спорте

Эффект Магнуса объясняет часто наблюдаются отклонения от типичных траекторий или путей спиннинг шаров в спорте , в частности ассоциации футбола , настольный теннис , теннис , волейбол , гольф , бейсбол и крикет .

Изогнутая траектория мяча для гольфа, известная как срез или крюк, в значительной степени обусловлена вращательным движением мяча (вокруг его вертикальной оси) и эффектом Магнуса, вызывающим горизонтальную силу, которая перемещает мяч с прямой линии на его траектории. Обратное вращение (верхняя поверхность, вращающаяся в обратном направлении от направления движения) мяча для гольфа вызывает вертикальную силу, которая немного противодействует силе тяжести и позволяет мячу оставаться в воздухе немного дольше, чем если бы мяч не вращался: это позволяет мяч путешествовать дальше шара, не вращающегося вокруг своей горизонтальной оси.

В настольном теннисе эффект Магнуса легко наблюдается из-за небольшой массы и малой плотности мяча. Опытный игрок может делать самые разные вращения мяча. Ракетки для настольного тенниса обычно имеют поверхность, сделанную из резины, чтобы дать ракетке максимальное сцепление с мячом, чтобы передать вращение.

Эффект Магнуса не отвечает за движение мяча для крикета, наблюдаемое в обычном боулинге с качелями , хотя он может быть ответственным за « качели Малинга » и вносит свой вклад в движение, известное как дрейф и падение в боулинге с вращением .

В страйкболе система, известная как hop-up , используется для создания обратного вращения на выпущенном BB , что значительно увеличивает его дальность действия, используя эффект Магнуса аналогично тому, как в гольфе.

В бейсболе питчеры часто вращают мяч по-разному, заставляя его изгибаться в нужном направлении из-за эффекта Магнуса. Система PITCHf / x измеряет изменение траектории, вызванное Магнусом на всех площадках, брошенных в Высшей лиге бейсбола .

Мяч матч для Чемпионата мира по футболу 2010 года была подвергнута критике за другой эффект Магнуса из предыдущих мячей. Мяч описывался как обладающий меньшим эффектом Магнуса и в результате летящий дальше, но с менее контролируемым поворотом.

Видео:Движение тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивление и подъемная сила. Формула Стокса. 10 класс.Скачать

По внешней баллистике

Эффект Магнуса также можно найти в продвинутой внешней баллистике . Во-первых, вращающаяся пуля в полете часто сталкивается с боковым ветром , который можно упростить как удар слева или справа. В дополнение к этому, даже в совершенно спокойном воздухе пуля испытывает небольшую боковую составляющую ветра из-за рыскания . Это рыскание по траектории полета пули означает, что носовая часть пули указывает немного в другом направлении от направления, в котором движется пуля. Другими словами, пуля «скользит» в сторону в любой момент и, таким образом, испытывает небольшую составляющую бокового ветра в дополнение к любой составляющей бокового ветра.

Читайте также: Сделать цилиндр из бумаги своими руками геометрическая фигура

Комбинированный компонент бокового ветра этих двух эффектов заставляет силу Магнуса воздействовать на пулю, которая перпендикулярна как направлению, в котором указывает пуля, так и комбинированному боковому ветру. В очень простом случае, когда мы игнорируем различные усложняющие факторы, сила Магнуса от бокового ветра заставит направленную вверх или вниз силу воздействовать на вращающуюся пулю (в зависимости от левого или правого ветра и вращения), вызывая отклонение траектории полета пули. вверх или вниз, тем самым влияя на точку удара.

В целом, влияние силы Магнуса на траекторию полета пули обычно незначительно по сравнению с другими силами, такими как аэродинамическое сопротивление . Однако это сильно влияет на стабильность пули, что, в свою очередь, влияет на величину сопротивления, поведение пули при ударе и многие другие факторы. Это влияет на стабильность пули, потому что эффект Магнуса воздействует на центр давления пули, а не на ее центр тяжести . Это означает, что он влияет на угол рыскания пули; он имеет тенденцию закручивать пулю по траектории полета либо к оси полета (уменьшая рыскание, таким образом стабилизируя пулю), либо от оси полета (увеличивая рыскание, таким образом дестабилизируя пулю). Решающим фактором является расположение центра давления, которое зависит от структуры поля потока, которая, в свою очередь, зависит главным образом от скорости пули (сверхзвуковой или дозвуковой), а также от формы, плотности воздуха и характеристик поверхности. Если центр давления находится впереди центра тяжести, эффект дестабилизирует; если центр давления находится за центром тяжести, эффект стабилизируется.

Видео:Как работают крылья. Общее заблуждение о подъемной силе.Скачать

В авиации

Некоторые самолеты были построены с использованием эффекта Магнуса для создания подъемной силы с вращающимся цилиндром вместо крыла, что позволяет летать на более низких горизонтальных скоростях. Самая ранняя попытка использовать эффект Магнуса для самолета тяжелее воздуха была предпринята в 1910 году членом Конгресса США Батлером Эймсом из Массачусетса. Следующая попытка была предпринята в начале 1930-х годов тремя изобретателями из штата Нью-Йорк.

Видео:Урок 135. Применения ур-ния Бернулли (ч.2). Подъемная сила крыла самолета (ч.1)Скачать

Движение и стабилизация корабля

Роторные суда используют цилиндры типа мачты, называемые роторами Флеттнера , для движения. Они устанавливаются вертикально на палубе корабля. Когда ветер дует сбоку, эффект Магнуса создает прямую тягу. Таким образом, как и на любом парусном корабле, винтокрылый корабль может двигаться вперед только тогда, когда дует ветер. Этот эффект также используется в специальном стабилизаторе корабля, состоящем из вращающегося цилиндра, установленного под ватерлинией и выходящего сбоку. Контролируя направление и скорость вращения, можно создать сильный подъем или прижимную силу . На сегодняшний день наибольшее развертывание системы происходит на моторной яхте Eclipse .

Видео:Эффект Магнуса и уравнение БернуллиСкачать

Эффект Магнуса и турбопаруса

В Австралии физики-любители продемонстрировали эффект Магнуса в действии. Видеоролик с экспериментом, выложенный на хостинге YouTube, набрал более 9 млн просмотров.

Эффект Магнуса – физическое явление, возникающее, когда поток жидкости или газа обтекает вращающееся тело. При вращении летящего круглого тела вокруг него начинают циркулировать близлежащие слои воздуха. В результате в полете тело меняет направление движения.

Физики-любители для проведения эксперимента выбрали дамбу высотой 126,5 метра и обычный баскетбольный мяч. Сначала мяч был просто сброшен вниз, он летел параллельно дамбе и приземлился в отмеченной точке. Второй раз мяч сбросили, немного прокрутив вокруг своей оси. Летящий мяч пролетел по необычной траектории, наглядно продемонстрировав эффект Магнуса.

Эффект Магнуса объясняет, почему в некоторых спортивных состязаниях, например в футболе, мяч летит по странной траектории. Наиболее яркий пример «аномального» полета мяча можно было наблюдать после штрафного удара футболиста Роберто Карлоса во время матча 3 июня 1997 года между сборными Бразилии и Франции.

Видео:Урок 136. Подъемная сила крыла самолета (часть 2)Скачать

Корабль под турбопарусами!

Знаменитый документальный сериал «Подводная одиссея команды Кусто» великий французский океанограф снимал в 1960–1970-х годах. Основным кораблем Кусто был тогда переделанный из британского минного тральщика «Калипсо». Но в одном из последующих фильмов – «Повторное открытие мира» – появилось другое судно, яхта «Алкиона».

Глядя на нее, многие телезрители задавали себе вопрос: что это за странные трубы установлены на яхте. Может быть это трубы котлов или двигательных установок ? Каково же может быть ваше изумление, если вы узнаете, что это ПАРУСА … турбопаруса …

Яхту «Алкиона» фонд Кусто приобрел в 1985 году, и рассматривался этот корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов — оригинального судового движителя. А когда спустя 11 лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла ее место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в порту Конкарно).

Собственно, турбопарус изобрел Кусто. Так же как акваланг, подводное блюдце и множество других приспособлений для исследования морских глубин и поверхности Мирового океана. Идея родилась еще в начале 1980-х и заключалась в том, чтобы создать максимально экологичный, но при этом удобный и современный движитель для водоплавающего средства. Использование силы ветра представлялось наиболее перспективным направлением исследований. Но вот незадача: парус человечество придумало несколько тысяч лет назад, а что может быть проще и логичнее?

Конечно, Кусто и компания понимали, что построить судно, приводимое в движение исключительно парусом, невозможно. Точнее, возможно, но его ходовые качества будут весьма посредственными и зависимыми от капризов погоды и направления ветра. Поэтому изначально планировалось, что новый «парус» будет лишь вспомогательной силой, применимой в помощь обычным дизельным двигателям. При этом турбопарус заметно снизил бы расход дизельного топлива, а при сильном ветре мог стать единственным движителем судна. И взгляд команды исследователей обратился в прошлое — к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, знаменитого авиаконструктора, внесшего серьезный вклад и в кораблестроение.

Турбопарус представляет собой полый цилиндр, снабженный специальным насосом. Насос создает разряжение с одной стороны турбопаруса, закачивая воздух внутрь паруса, наружный воздух начинает течь вокруг турбопаруса с разной скоростью и корабль начинает двигаться в перпендикулярном давлению воздуха направлении. Это очень напоминает подъемную силу действующую на крыло самолета — снизу крыла давление больше и самолет выталкивает вверх. Турбопарус позволяет двигаться кораблю против любого ветра, лишь бы хватило мощности насоса. Применяется как вспомогательная система для обычного судового двигателя. Два турбопаруса установленные на корабле команды Кусто «Алкион» позволяли экономить до 50% горючего.

Ротор Флеттнера и эффект Магнуса

16 сентября 1922 года Антон Флеттнер получил немецкий патент на так называемое роторное судно. А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Правда, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была обычным парусным судном.

Идея Флеттнера заключалась в использовании так называемого эффекта Магнуса, суть которого состоит в следующем: когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело. Дело в том, что вращающийся объект создает вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растет, а с противоположной — падает. Разница давлений и создает поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.

«Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», – писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.

Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус.

Читайте также: Ремонт компрессии в цилиндрах двигателя

Эффект Магнуса

Германский авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер (1885–1961) вошел в историю мореплавания как человек, пытавшийся заменить паруса. Ему довелось долго странствовать на паруснике по Атлантическому и Индийскому океанам. На мачтах парусных судов той эпохи ставилось много парусов. Парусное оснащение было дорогостоящим, сложным, а в аэродинамическом отношении не слишком эффективным. Постоянные опасности подстерегали моряков, которым даже во время шторма надо было заниматься парусами на 40–50-метровой высоте.

Во время плавания у молодого инженера родилась мысль заменить паруса, требующие больших усилий более простым, но эффективным устройством, основным движителем которого также служил бы ветер. Раздумывая над этим, он вспомнил аэродинамические опыты, проводимые его соотечественником физиком Генрихом Густавом Магнусом (1802–1870). Ими было установлено, что при вращении цилиндра в потоке воздуха возникает поперечная сила с направлением, зависящим от направления вращения цилиндра (эффект Магнуса).

Один из его классических опытов выглядел следующим образом: «Латунный цилиндр мог вращаться между двумя остриями; быстрое вращение цилиндру сообщалось, как в волчке, шнуром.

Вращающийся цилиндр помещался в раме, которая, в свою очередь, легко могла поворачиваться. На эту систему пускалась сильная струя воздуха при помощи маленького центробежного насоса. Цилиндр отклонялся в направлении, перпендикулярном к воздушной струе и к оси цилиндра, притом в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925).

А.Флеттнер сразу подумал, что паруса можно заменить установленными на корабле вращающимися цилиндрами.

Оказывается, что там, где поверхность цилиндра движется против потока воздуха, скорость ветра уменьшается, а давление – увеличивается. С другой стороны цилиндра все наоборот – скорость воздушного потока возрастает, а давление – падает. Эта разница в давлениях с разных сторон цилиндра и является движущей силой, которая заставляет судно двигаться. Таков основной принцип действия роторного оборудования, которое использует силу ветра для движения судна. Все очень просто, однако только А.Флеттнер «не прошел мимо», хотя эффект Магнуса был известен уже более полувека.

К реализации замысла он приступил в 1923 году на одном озере недалеко от Берлина. Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 см, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла.

Капитаны парусных судов насмехались над цилиндрами А.Флеттнера, которыми он хотел заменить паруса. Изобретателю удалось заинтересовать своим изобретением состоятельных меценатов. В 1924 году на 54-метровой шхуне «Buckau» вместо трех мачт были смонтированы два роторных цилиндра. Эти цилиндры вращал дизельный генератор мощностью 45 л.с.

Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Собственно, никакого отличия от классических опытов Магнуса в конструкции не было. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной — пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила примерно в 50 раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор!

Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дешев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками — это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счет правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.

Турбопарусник Кусто — На 2011 год «Алкиона» является единственным в мире судном с турбопарусом системы Кусто. Смерть великого океанографа в 1997 году поставила крест на постройке второго подобного корабля, «Калипсо II», а другие кораблестроители опасаются непривычной конструкции…

Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров, легко мог идти переменными галсами под углом 25º к встречному ветру (для обычного паруса предел около 45º). Два цилиндрических ротора (высота 13,1 м, диаметр 1,5 м) позволили отлично сбалансировать судно — оно оказалось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки.

Испытания проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой — и никаких серьезных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперед или назад) определялось направлением вращения роторов.

В середине февраля 1925 г. шхуна «Buckau», вместо парусов снабженная роторами Флеттнера, вышла из Данцига (ныне – Гданьск) в Шотландию. Погода была плохой, а большинство парусников не осмеливались выходить из портов. В Северном море «Buckau» пришлось серьезно сразиться с сильными ветрами и большими волнами, однако шхуна накренялась на борт меньше, чем другие встреченные парусники.

Во время этого плавания не требовалось вызывать на палубу членов команды, чтобы они меняли паруса в зависимости от силы или направления ветра. Хватило одного вахтенного штурмана, который, не выходя из рубки, мог управлять деятельностью роторов. Раньше команда трехмачтовой шхуны состояла как минимум из 20 матросов, после ее переделки в роторный корабль хватило 10 человек.

В том же году на верфи был заложен второй роторный корабль — могучий грузовой лайнер «Барбара», приводимый в движение тремя 17-метровыми роторами. При этом для каждого ротора хватало одного маленького моторчика мощностью всего 35 л.с. (при максимальной скорости вращения каждого ротора 160 об/мин)! Тяга роторов была эквивалентна тяге винтового движителя вкупе с обычным корабельным дизелем мощностью около 1000 л.с. Впрочем, дизель на судне тоже наличествовал: в дополнение к роторам он приводил в движение винт (который оставался единственным движителем в случае безветренной погоды).

Многообещающие опыты побудили судоходную компанию «Rob.M.Sloman» из Гамбурга в 1926 году построить судно «Барбара». На нем заранее намечалось оборудовать турбопаруса – роторы Флеттнера. На судне длиной 90 м и шириной 13 м были смонтированы три ротора высотой около 17 м.

«Барбара», как и планировалось, в течение некоторого времени успешно перевозила фрукты из Италии в Гамбург. Примерно 30–40 % времени рейса судно шло благодаря силе ветра. При ветре в 4–6 баллов «Барбара» развивала скорость 13 узлов.

Планировалось испытать роторное судно в более длительных рейсах в Атлантическом океане.

Но в конце 1920-х грянула Великая депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и ее продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Все-таки ротор проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определенных ограничений по мощности и быстроходности. Флеттнер обратился к более перспективным исследованиям, а «Баден-Баден» в итоге затонул во время шторма в Карибском море в 1931 году. И о роторных парусах надолго забыли…

Начало роторных судов, казалось бы, было достаточно успешным, но они не получили развития и надолго были забыты. Почему? Во-первых, «отец» роторных судов А.Флеттнер погрузился в создание вертолетов и перестал интересоваться морским транспортом. Во-вторых, несмотря на все свои преимущества, роторные суда так и остались парусниками с присущими им недостатками, основной из которых – зависимость от ветра.

Роторами Флеттнера снова заинтересовались в 80-х годах ХХ в., когда ученые начали предлагать различные меры по смягчению потепления климата, снижению загрязнения, более рациональному расходованию топлива. Одним из первых о них вспомнил исследователь глубин француз Жак-Ив Кусто (1910–1997). Для испытания работы системы турбопарусов и снижения расхода дорожающего топлива двухмачтовый катамаран «Alcyone» (Алкиона – дочь бога ветров Эола) был переделан в роторное судно. Выйдя в морское плавание в 1985 году, он побывал в Канаде и Америке, обогнул мыс Горн, обошел Австралию и Индонезию, Мадагаскар и Южную Африку. Был перенесен в Каспийское море, где проплавал три месяца, занимаясь различными исследованиями. «Alcyone» до сих пор использует два разных движителя – два дизельных двигателя и два турбопаруса.

Читайте также: Задний тормозной цилиндр калина бош

Турбопарус Кусто

Парусники строились и на протяжении XX века. В современных кораблях такого типа парусное вооружение сворачивается с помощью электромоторов, новые материалы позволяют заметно облегчить конструкцию. Но парусник парусником, а идея использовать энергию ветра кардинально новым способом витала в воздухе еще со времен Флеттнера. И ее подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.

23 декабря 1986 года, уже после того как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была спущена на воду, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и Бертран Шарье получили совместный патент № US4630997 на «устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание звучит следующим образом: «Устройство помещается в среду, движущуюся в некотором направлении; при этом возникает сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому. Устройство позволяет избежать использования массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональна площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?

В поперечном сечении турбопарус представляет собой нечто вроде вытянутой и скругленной с острого конца капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решетки, через одну из которых (в зависимости от необходимости движения вперед или назад) производится отсос воздуха. Для максимально эффективного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен небольшой вентилятор, приводимый в движение электромотором.

Он искусственно повышает скорость движения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент ее отрыва от плоскости турбопаруса. Это создает разрежение с одной из сторон турбопаруса, одновременно предотвращая образование турбулентных вихрей. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как результат — поперечная сила, способная приводить судно в движение. Собственно, турбопарус — это поставленное вертикально самолетное крыло, по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъемной силы самолета. Для того чтобы турбопарус всегда был повернут к ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе. Кстати, патент Кусто подразумевает, что воздух может отсасываться изнутри турбопаруса не только вентилятором, но и, к примеру, воздушным насосом — таким образом Кусто прикрыл калитку для последующих «изобретателей».

Собственно, впервые Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin à Vent) в 1981 году. Самым крупным успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк под присмотром более крупного корабля экспедиции.

А в апреле 1985 года в порту Ла-Рошель была спущена на воду «Алкиона» — первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сейчас она по-прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблем) флотилии команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и
нескольких винтов (что, кстати, позволяет сократить расход горючего примерно на треть). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил еще несколько подобных кораблей, но энтузиазм его соратников после ухода Кусто заметно спал.

Незадолго до смерти в 1997 году Кусто активно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его не успел. По последним данным, зимой 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ждала новой экспедиции.

И снова Флеттнер

Сегодня предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, знаменитая гамбургская компания Blohm + Voss после нефтяного кризиса 1973 года начала активную разработку роторного танкера, но к 1986-му экономические факторы прикрыли этот проект. Потом был целый ряд любительских конструкций.

В 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg).

В 2010 году появился третий в истории корабль с роторными парусами — тяжелый грузовик E-Ship 1, который был построен по заказу компании Enercon, одного из крупнейших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010 года корабль был впервые спущен на воду и совершил короткое плавание из Эмдена в Бремерхафен. А уже в августе он отправился в свой первый рабочий вояж в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов. Судно оборудовано четырьмя роторами Флеттнера и, конечно, традиционной силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Все-таки роторные паруса служат лишь вспомогательными движителями: для 130-метрового грузовика их мощности маловато, чтобы развивать должную скорость. Двигателями служат девять силовых установок Mitsubishi, а роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, использующей энергию отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.

А вот турбопарус Кусто пока остается в некотором забвении: «Алкиона» на сегодняшний день — единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт немецких кораблестроителей покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное — найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, глядишь, и все мировое судоходство перейдет на принцип, который талантливый немецкий ученый описал более 150 лет назад.

В Северном море в 2010 году можно было увидеть странное судно «E-Ship 1». На его верхней палубе возвышаются четыре высоких округлых трубы, однако из них никогда не клубится дым. Это – так называемые роторы Флеттнера, пришедшие на смену традиционным парусам.

Крупнейший в мире производитель ветряных силовых установок «Enercon» 2 августа 2010 спустил на воду на судоверфи Линденау в Киле 130-метровое роторное судно шириной 22 м, которое позднее было названо «E-Ship 1». Потом оно успешно было испытано в Северном и Средиземном морях, и в настоящее время перевозит ветряные генераторы из Германии, где их производят, в другие страны Европы. Оно развивает скорость в 17 узлов (32 км/час), одновременно перевозит более 9 тыс. тонн груза, его экипаж – 15 человек.

Расположенная в Сингапуре судопромышленная компания «Wind Again», занимающаяся созданием технологий по снижению расхода топлива и выбросов, предлагает устанавливать на танкерах и грузовых судах роторы Флеттнера особой конструкции (складные). Они позволят сократить расход топлива на 30–40 % и окупятся за 3–5 лет.

Действующая в Финляндии компания морской инженерии «Wartsila» уже планирует приспособить турбопаруса и на круизных паромах. Это связано со стремлением финского паромного оператора «Viking Line» сокращать расход топлива и загрязнение окружающей среды.

Использование роторов Флеттнера на прогулочных судах изучает университет Фленсбурга (Германия). Похоже, растущие цены на нефть и вызывающее тревогу потепление климата создают благоприятные условия для возвращения ветряных движителей.

Яхта конструкции Джона Марплса «Клодия» (Cloudia) представляет собой перестроенный тримаран Searunner 34. Первые тесты яхта прошла в феврале 2008 года в городе Форт-Пирс, Флорида, США, а ее создание финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной: она останавливалась и включала задний ход за считанные секунды, свободно двигалась под углом порядка 15° к ветру. Заметное улучшение характеристик по отношению к традиционному ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.