IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА МАГНУСА ДЛЯ БУМАЖНЫХ ПОЛОС
Рыжичкина Д.К.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Свою работу мне хотелось бы начать словами Дмитрия Ивановича Менделеева: «Роль науки служебная, они составляют средства для достижения блага».

Нас постоянно окружают предметы, события, люди, мы привыкаем к ним и не задаем себе лишних вопросов. Многие люди видели как кружатся при падении в воздухе семена клена, одуванчика, березы, акации листики с дерева, бумажные самолетики. Именно задавая вопрос: «Почему они так кружатся», мы познаем наш мир. В 1997 году бразилец Роберто Карлос послал мяч со штрафного в ворота французов по особенно кривой дуге. Весь мир восхищается его голом, а неожиданный повороты мяча являются загадкой почти для многих. Что заставляет мяч в футболе, гольфе, бейсболе сбиваться с пути? Как объяснить искривление траектории? Где еще можно использовать подобные явления? Что заставляет простую бумажную конструкцию сбиваться с пути?

Объект исследования:

Поведение бумажных конструкций в воздухе при падении.

Предмет исследования:

Анализ поведения вращающихся бумажных конструкций в движущемся потоке воздуха. Проявление Эффекта Магнуса у бумажных конструкций.

Цель работы:

Выявить бумажные конструкции вращающиеся в воздухе при падении.

Задачи работы:

1)изучить в справочной литературе Эффект Магнуса ;

2) исследовать проявление Эффекта Магнуса у бумажных конструкций;

3) найти экспериментальное подтверждение этого эффекта.

Оборудование:

Бумажные конструкции.

Экспериментальные вопросы работы:

Движение бумажных конструкций при падении с высоты подчиняющиеся Эффекту Магнуса. Экспериментальное подтверждение основных положений, высказанных Эффектом Магнуса, было проведено экспериментами в школе. Рассмотрение возможностей применения силы Магнуса в авиастроительстве и других отраслях.

Место проведения эксперимента:

Школьная лестница

Глава 1. Теоретические сведения.

Очень многое из окружающего нас мира подчиняется законам физики. Этому не стоит удивляться, ведь термин «физика» происходит от греческого слова, в переводе означающего «природа». И одним из таких законов, постоянно работающих вокруг нас, является закон Бернулли. Сам по себе закон выступает как следствие принципа сохранения энергии. Такая его трактовка позволяет придать новое понимание многим ранее хорошо известным явлениям. Для понимания сути закона просто достаточно вспомнить протекающий ручеек. Вот он течет, бежит между камней, веток и корней. В каких-то местах делается шире, где-то уже. Можно заметить, что там, где ручеек шире, вода течет медленнее, где уже, вода течет быстрее. Вот это и есть принцип Бернулли, который устанавливает зависимость между давлением в потоке жидкости и скоростью движения такого потока. В достаточно популярном виде закон Бернулли можно изложить в таком варианте – давление жидкости, протекающей в трубе, выше там, где скорость ее движения меньше, и наоборот: там, где скорость больше, давление меньше. Для подтверждения достаточно провести простейший опыт. Надо взять лист бумаги и подуть вдоль него. Бумага поднимется вверх, в ту сторону, вдоль которой проходит поток воздуха. Все очень просто. Как говорит закон Бернулли, там, где скорость выше, давление меньше. Значит, вдоль поверхности листа, где проходит поток воздуха, давление меньше, а снизу листа, где потока воздуха нет, давление больше. Вот лист и поднимается в ту сторону, где давление меньше, т.е. туда, где проходит поток воздуха. Описанный эффект находит широкое применение в быту и в технике. Как пример можно рассмотреть краскопульт или аэрограф. В них используются две трубки, одна большего сечения, другая меньшего. Та, которая большего диаметра, присоединена к емкости с краской, по той, что меньшего сечения, проходит с большой скоростью воздух. Благодаря возникающей разности давлений краска попадает в поток воздуха и переносится этим потоком на поверхность, которая должна быть окрашена. По этому же принципу может работать и насос. Фактически то, что описано выше, и есть насос. Не менее интересно выглядит закон Бернулли в применении для осушения болот. Как всегда, все очень просто. Заболоченная местность соединяется канавами с рекой. Течение в реке есть, в болоте нет. Опять возникает разность давлений, и река начинает высасывать воду из заболоченной местности. Происходит в чистом виде демонстрация работы закона физики. Воздействие этого эффекта может носить и разрушительный характер. Например, если два корабля пройдут близко друг от друга, то скорость движения воды между ними будет выше, чем с другой стороны. В результате возникнет дополнительная сила, которая притянет корабли друг к другу, и катастрофа будет неизбежна. Можно все сказанное изложить в виде формул, но уравнения Бернулли писать совсем не обязательно для понимания физической сути этого явления. Для лучшего понимания приведем еще один пример использования описываемого закона. Все представляют себе ракету. В специальной камере происходит сгорание топлива, и образуется реактивная струя. Для ее ускорения используется специально суженный участок – сопло. Здесь происходит ускорение струи газов и вследствие этого - рост реактивной тяги. На основании закона Бернулли , Магнус решил проверить свою гипотезу.

Просвещенный XIX век требовал «научного объяснения» всякого непонятного явления. Для проверки своей гипотезы, Магнус провёл серию лабораторных опытов с принудительным обдувом вращающегося тела, которым была не сфера, а цилиндры и конусы. Аэродинамическая сила, возникающая на цилиндре, действовала в том же направлении, что и сила отклоняющегося ядра.

Генрих Густав Магнус (1873—1927) —немецкий фармаколог и физиолог. Получил медицинское образование со специализацией в фармакологии в Хайдельберге, там же стал профессором фармакологии в 1904 году. В 1908 году стал профессором фармакологии в Утрехте и оставался там на протяжении своей научной деятельности. Магнус наиболее известен как физиолог.

В 1850-х годах Генрих Густав Магнус заметил, что при движении воздуха через вращающийся предмет, например, шарик появляется боковое усилие.

Приложение силы происходит следующим образом:

Если мяч не вращается, воздух будет проходить прямо мимо него растягиваясь прямо за мячом, как хвост кометы. Если поворачивать поверхность вращающегося шара, то он тащит воздух с ним. Вращение отклоняет мяч под углом, ближе к стороне шара который вращается на встречный воздух.

Благодаря третьему закону Исаака Ньютона каждое действие должно иметь ровное и противоположное противодействие, поэтому деформирующая волна толкает шарик в противоположном направлении, в сторону мяча, который отворачивается от встречного воздуха. Таким образом, вращающийся шар получает боковую силу.

Таким образом, Магнус первым из физиков в лабораторных условиях наглядно промоделировал и подтвердил удивляющий эффект отклонения от прямого полёта. К сожалению, никаких количественных измерений, в ходе своих аэродинамических опытов, Магнус не проверил, а лишь зафиксировал возникновение отклоняющей силы и совпадение её направления. Многие исследования Генриха Густава Магнуса посвящены физике. Внес существенный вклад в теорию теплоты, изучал термическое расширение газов, процессы теплопередачи через газы, жидкости и твердые тела, явления, предшествующие кипению жидкости, электролиз и др.

В начале 20 века, ученые предложили использовать эффект Магнуса для приведения в движение кораблей.

Немецкий инженер Антон Флеттнер заменил 420 квадратных метров паруса на шхуне двумя 15-метровыми стальными роторами паруса, которые вращались с помощью небольшого двигателя. Флеттнер показал, что ветер вокруг ротора паруса создавал силу, по бокам ротора паруса, двигая корабль вперед. В 1926 году судно пересекло Атлантический океан. Однако, Флеттнеру не удалось найти инвесторов, заинтересованных с ротор парусной тягой на кораблях. В то время цены на топливо были просто слишком малы и не было никаких экологических норм, ограничивающихвредные выбросы с корабля.

Позднее эффект Магнуса применен на танкере, принадлежащим датской компании Maersk и пассажирском судне. Эти суда оснащены вращающимися цилиндрами на их палубах. Установленные вертикально с высотой порядка 10 этажей эти “ротор паруса” могут сократить расход топлива до 10%. Экономия транспортной компании составила сотни тысяч долларов. Кроме того улучшается экология в результате уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу за одну поездку.

Ротор паруса работают по принципу аэродинамики известного как эффект Магнуса.

В настоящее время более 90% товаров перевозится через океан, а китайский порт Шанхай оправляет по 36 миллионов контейнеров ежегодно. Коммерция портит окружающую среду, нарушает экологию: большинство судов сжигают мазут, выделяют диоксид углерода, а также сажу и соединения серы, которые способствуют выпадению кислотных дождей. На современных судах разработан ротор парус основанный на оригинальном эффекте Магнуса с использованием современных материалов, таких как углеродные и стеклянные волокна, что снизило вес в три раза. Это означает, что меньше энергии требуется для вращения ротора, что приводит к более эффективной силовой установке.

Также разработано программное обеспечение, которое регулирует скорость ротора вращения до нескольких сотен оборотов в минуту для максимальной скорости.

Технология также должна быть безопасной при прекращении движения и остается только сила сопротивления. И что силы сопротивления, вероятно, гораздо менее значительные, чем испытывает корпус судна при движении по воде и нет риска опрокидывания судов.

В отличие от оригинального эффекта Магнуса новые версии ротор-парусов предназначены только для обеспечения дополнительной тяги, а не полностью заменяют судовой двигатель.

Сегодня мне хотелось бы рассказать о поставленных мною двух экспериментах на основании аэродинамического эффекта, носящего имя известного немецкого ученого Генриха Магнуса. Применяется его эффект в наши дни в :

-ветрогенераторах;

-ветроэнергетических установках вместо обычных лопастей « мельницы» используются вращающиеся цилиндры. Такая установка способна снабжать теплом и светом целые поселки. В ней воплощается идея использовать энергию воздушного потока на благо человека;

-турбопаруса на кораблях.

Меня заинтересовал эффект Магнуса, откуда произошел этот эффект, на основании какого закона, Магнус решил проверить свою гипотезу, я стала изучать эти явления.

Сегодня мне хотелось бы рассказать о поставленных мною двух экспериментах на основании аэродинамического эффекта, носящего имя известного немецкого ученого Генриха Магнуса. Для проведения моего исследования мною были сделаны разные бумажные конструкции, которые потом были запущены с лестницы. Одни конструкции просто падали, другие падая кружились и отклонялись от заданной траектории.

Глава 2. Практическая. Таблица результатов.

Эксперимент 1. Выявление эффекта Магнуса у вращающихся полос

Цель: выявление конструкций из бумажных полос, вращающихся при падении.

Оборудование: бумажные полосы разной длины и количества разрезов, выполненные из одинаковой по плотности бумаги

Место проведения: школа

Обозначения: если при падении вращается, то отмечено + если нет, то отмечено-.

Запуск полос производился с лестницы по одной бумажной полоске и велось наблюдение за их падением.

Фото

Строение

Результат

1

 

одна полоска, разрезанная вдоль до середины, 2 лопасти

-

2

 

одна полоска, свернутая по полам, надрезрез поперек до середины, 2 лопасти

+

3

 

2 полосы, соединенные между собой в надрезы на концах

+

4

 

2 полосы, соединенные между собой в надрезах на концах

+

5

 

одна полоска соединенная на концах в надрезах

-

6

 

2 полосы, соединенные между собой в надрезах на концах

+

7

 

Две широкие полосы соединены между собой.

+

Эксперимент 2. Выявление эффекта Магнуса у вращающихся полос

Цель: выявление конструкций из бумажных полос, вращающихся при падении.

Оборудование: бумажные полосы разной длины и количества разрезов, выполненные из одинаковой по плотности бумаги

Место проведения: школьная лестница

Обозначения: если при падении отклоняются вращаясь в сторону, то отмечено +, если нет, то отмечено-

Запуск полос производился с лестницы по одной бумажной полоске и велось наблюдение за их падением.

Фото

Строение

Результат

1

 

одна полоска соединенная на концах в надрезах

+

2

 

2 полосы, соединенные между собой в надрезах на концах

-

3

 

Полоса разрезанная вдоль до середины. 2 лопасти.

+

4

 

2 полосы, соединенные между собой в надрезах на концах

+

5

 

2 полосы, соединенные между собой в надрезе на концах крест на крест

+

6

 

Полоса свернутая пополам, разрезанная до середины и завернутая туда и обратно. 2 лопасти.

+

7

 

Одна полоса

соединенная в надрезе около середины полосы. 2 лопасти

+

Вывод : Ставя перед собой задачи и решая их, мы познаем мир. Так же было и в этой работе. Изучая падение с высоты различных бумажных конструкций, мы исследовали силу Эффекта Магнуса. У конструкций, вращающихся в воздухе при падении проявляется Эффект Магнуса, если Эффект Магнуса- физичкое явление ,возникающее при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа. Образуется сила, воздействующая на тело и направленная перпендикулярно направлению потока. Знание этого закона позволило человеку создать аппараты тяжелее воздуха, способные к полету.

Современная аэродинамическая теория опирается на учение Бернулли, предложенное 2,5 века назад.

Список литературы:

1.В.Заворотов статья «Змей-самолет» // Журнал «Юный техник» 1977, №7, стр. 79- 82

2.Бычков Н.М. Ветродвигатель с эффектом Магнуса: 1. Результаты модельных исследований // Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т. 11, № 4, стр. 583-596.

3. http://ru.wikipedia.org

4. http://www.ligis.ru/effects/science/120/index.htm

5. http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/

6. http://www.sniping.ru/index.html?ballistics/fig9

7.Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль.» (журнал «Успехи физических наук» выпуск 1-2. 1925 г)

Спасибо за внимание!