V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Эффект Магнуса и турбопаруса
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Первопроходцев толкает любопытство,
а следом идёт наука».
Жак-Ив Кусто
Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Сегодня люди используют в своей жизни различные источники энергии. В основном энергию, используемую в быту и промышленности, добывают на поверхности Земли или в ее недрах. Ископаемые виды топлива представляют собой невозобновляемые источники энергии. Их запасы восстановить невозможно. При современных темпах потребления запасы нефти и газа будут исчерпаны уже в ближайшие годы. Сжигание этих видов топлива наносит вред экологии. Поэтому многие страны переходят к использованию возобновляемых источников энергии – солнца, ветра, воды. Развитие применения альтернативных источников энергии необходимо для экономии топливно-энергетических ресурсов и снижения негативного влияния на окружающую среду. (рис.1)
Нас заинтересовала тема двигателей, которые работают на альтернативных источниках энергии. Во втором классе предметом нашего исследования были паровые двигатели. Мы сконструировали лодочку с простейшим паровым двигателем, которая быстро передвигалась по воде. В третьем классе мы создали модель двигателя Стирлинга, который работал от разницы температур. Работать над этими темами было интересно и увлекательно, и мы продолжили знакомство с материалами по данному направлению.
В ходе изучения литературы наше внимание привлекла статья о ветродвигателях, которые работают благодаря эффекту Магнуса. [4] Сегодня ветроэнергетика активно развивается, и одной из ее задач является разработка ветродвигателя, который может эффективно работать при низких значениях скорости ветра. Широко используемые в настоящее время в мире лопастные ветрогенераторы неустойчиво и неэффективно работают при малых скоростях ветра. Поэтому интересны ветроустановки, использующие эффект Магнуса, основные преимущества которых проявляются при низких, но наиболее часто повторяющихся скоростях ветра 2–6 м/с.
Идея использования этого эффекта в качестве вспомогательного двигателя морского судна пришла прославленному исследователю и учёному Жаку-Иву Кусто. Он и его помощники создали судно с турбопарусами, работающими от силы ветра.
Целью нашей работы стало создание действующей модели двигателя, работающего на основе эффекта Магнуса.
Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:
познакомиться с эффектом Магнуса;
узнать, где он применяется и эффективно используется в жизни;
узнать историю возникновения турбопарусов;
продемонстрировать эффект Магнуса;
создать модель ветродвигателя;
В ходе работы у нас возникла гипотеза. Мы предположили, что если на модель с вращающимся цилиндром направить поток воздуха, то она придет в движение.
Объект исследования: эффект Магнуса.
Предмет исследования: принцип и условия работы турбопаруса.
Для подтверждения гипотезы будут использованы следующие методы:
поиск и анализ информации;
моделирование;
эксперимент;
наблюдение;
сравнение;
демонстрация работы двигателя.
При написании данной работы были использованы научная, научно-популярная и учебно-методическая литература, статьи в периодических изданиях, видеоматериалы из Интернет-ресурсов.
Глава 1. Теоретическая часть
1.1 Эффект Магнуса
Не каждый человек слышал о том, что такое эффект Магнуса. Но зато каждый наблюдал за спортивной игрой с мячом. Крученые мячи доставляют бурю эмоций у игроков и болельщиков. Игроки заметили, что если придать вращение мячу при ударе, то его траектория заметно отличается от обычного прямого удара. (рис.2)
Отклонение вращающихся тел от траектории свободного падения заметили во времена, когда при стрельбе использовали пушечные ядра. Артиллеристы обратили внимание на неправильную траекторию полета снаряда и ещё в 1742 году предположили, что эти отклонения могут быть связаны с вращением ядра. [1]
В 1852 году Генрих Густав Магнус – известный немецкий физик и химик – провёл лабораторные опыты с цилиндром, быстро вращающимся между двумя остриями. Цилиндр помещался в легко отклоняющейся рамке, и на него направлялась сильная струя воздуха от вентилятора. Было замечено отклонение цилиндра в сторону направления вращения, где струи воздуха цилиндра и внешнего потока совпадали. Ученый описал этот эффект в своих трудах. С тех пор это явление стало называться «эффект Магнуса». (рис.3) [1]
Эффект Магнуса – физическое явление, возникающее, когда поток жидкости или газа обтекает вращающееся тело. При вращении летящего тела вокруг него начинают циркулировать близлежащие слои воздуха, возникает разница давлений, что создает дополнительную силу. В результате тело меняет направление движения.[7]
Эффект Магнуса объясняет, почему в некоторых спортивных состязаниях мяч летит по странной траектории. Наиболее яркий пример «аномального» полета мяча можно было наблюдать после штрафного удара футболиста Роберто Карлоса во время матча 1997 года между сборными Бразилии и Франции.
Физики-любители из Австралии 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 той же точке. Второй раз мяч сбросили, немного прокрутив вокруг своей оси. Подкрученный мяч пролетел по необычной траектории, наглядно продемонстрировав эффект Магнуса.
Изучив литературу по теме, мы узнали, что эффект Магнуса был замечен давно, но впервые его описал немецкий физик Густав Магнус. Это физическое явление возникает тогда, когда на вращающееся тело направлен поток воздуха, при этом возникает разница давлений, что и меняет траекторию полета тела.
1.2. Применение эффекта Магнуса в жизни
Эффект проявляется на телах вращения и находит свое применение: в конструировании воздушных змеев, в ветроэнергетических установках, в спортивных играх с мячом, в судостроении, в баллистике.
В ветроэнергетических установках, в которых использован эффект Магнуса, вместо обычных лопастей «мельницы» используются вращающиеся цилиндры. Такая установка способна снабжать теплом и светом целые поселки.
Наверное, каждый мальчишка знает, что такое «сухой лист» и наслышан о мастерах этого удара. Основным признаком удара «сухой лист» является траектория полета мяча. Прием назвали «сухим листом» за тонкость, закрученность и сложность полета мяча. При игре в теннис закрученный удар тоже получил свое название. Игроки стараются подать «срезанный» мяч. [1]
Существует самостоятельный подкласс воздушных змеев, принцип полета которых основывается на эффекте Магнуса. Этот змей чем-то напоминает вертушку. В полёте корпус змея вращается вокруг своей оси. При этом крылья-лопасти преобразуют напор ветра в подъемную силу. [ 8]
В судостроении ярким примером применения эффекта Магнуса являются корабли с турбопарусами вместо обычных. Самый известный среди них - яхта «Алкиона» известного ученого и путешественника Жака-Ива Кусто. (рис.4) Такие корабли имеют ряд преимуществ.
Сегодня предпринимаются попытки сделать роторные паруса массовыми. (рис.5) Опыт покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное - найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, возможно, и все мировое судоходство перейдет на принцип, который талантливый немецкий ученый описал более 150 лет назад.
Прочитав литературу по данной теме, мы выяснили, что эффект Магнуса часто используется в разных областях нашей жизни и перспективен в дальнейших разработках.
1.3. Роторное судно Флеттнера
Германский авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер (1885–1961) вошел в историю мореплавания как человек, пытавшийся заменить паруса. (рис.6) Во время плавания у молодого инженера родилась мысль заменить паруса более простым, но эффективным устройством. Понимая преимущества использования энергии ветра, он хотел необычным путем избавиться от недостатков, присущих парусным судам. Раздумывая над этим, он вспомнил опыты, проводимые Генрихом Магнусом. [1]
Флеттнер сразу подумал, что паруса можно заменить установленными на корабле вращающимися цилиндрами. К реализации замысла он приступил в 1923 году на одном озере недалеко от Берлина. 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. Инженеру удалось заинтересовать своим изобретением состоятельных меценатов. И 6 октября 1924 года в бухте появилось необычное судно с двумя огромными трубами на носу и на корме. (рис.6)
Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров. Во время 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, в роторный корабль хватало 10 человек.[1]
Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дешев. Испытания проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой — и никаких серьезных недостатков выявлено не было. Но в конце 1920-х грянул экономический кризис. Компания, содержащая ротор разорилась, проводить испытания прекратили и о роторных парусах надолго забыли.
Изучив историю первых роторных судов, мы выяснили, что их испытания были достаточно успешны, такие судна имели ряд преимуществ, но не получили развития и надолго были забыты.
1.4. Корабль под турбопарусами
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). (рис.7)
В начале 1980-х он задумался над созданием судна с современным двигателем, мощность которого обеспечивал бы ветер – чистый, бесплатный, возобновляемый источник энергии. И взгляд команды исследователей обратился в прошлое - к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, эффективность которого была проверена и доказана на практике. Кусто и группа инженеров решили возродить проект двигателя. [4]
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. Это создает разрежение с одной из сторон турбопаруса. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как результат - поперечная сила, способная приводить судно в движение. Турбопарус работает как крыло: с одной стороны его воздух протекает медленнее, чем с другой, создавая движущую силу. Для того чтобы турбопарус всегда был повернут к ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе.[4]
В апреле 1985 года в порту Ла-Рошель была спущена на воду «Алкиона» — первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Судно было названо по имени Алкионы, дочери древнегреческого бога ветров Эола. На сегодняшний день «Алкиона» является единственным в мире судном с турбопарусом системы Кусто.
При постройке «Алкионы» (начатой в 1985 году) Кусто учёл приобретённый опыт и совместно с инженерами-судостроителям разработал алюминиевый корпус, прочный и лёгкий. Судно имело кормовую часть, подобную катамарану, которая придавала судну устойчивость, а одиночный нос был заложен в конструкцию, чтобы разрезать волны и облегчать движение в бурном море. Оба паруса включали также осевые турбины для выработки энергии, а управление системой осуществляли компьютеры. Для управления судном достаточно было всего 5 человек.
Турбопарус, работая как вспомогательный движитель, прилично сберегает энергию дизельного двигателя. Он не занимает много места на палубах больших судов, прост в управлении и ему не нужна многочисленная команда. Электроника с автоматикой поставят и сориентируют турбопарус в считанные секунды. Наконец, турбопарус экологичен – экономя топливо, он способствует уменьшению загрязнения окружающей среды. Уже в ходе своего первого длительного трансатлантического плавания в мае-июне 1985 «Алкиона» блестяще продемонстрировала все преимущества и прогрессивность технических новинок, заложенных в её конструкции. Она прошла четыре тысячи миль через штормы и штили от французского порта Ла-Рошель до Нью-Йорка, посетив Азорские и Бермудские острова, заглянув в Бермудский треугольник и благополучно миновав его. Сейчас она по-прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом флотилии команды Кусто.[4]
В ходе работы над темой мы собрали информацию о корабле, оборудованном турбопарусами, рассмотрели ряд его преимуществ и поняли, по какому принципу работают такие паруса. Это поможет в дальнейшем создать нам свою модель ветродвигателя.
Глава 2. Исследовательская часть
Эксперименты, демонстрирующие эффект Магнуса
Достаточно изучив теорию, мы проделали несколько экспериментов, демонстрирующих эффект Магнуса.
Эксперимент 1
Эффект Магнуса можно легко показать с помощью опыта со скатыванием цилиндра по наклонной плоскости.[3] Как известно, траектория движения материальной точки после отрыва от наклонной поверхности - парабола. Можно представить себе лыжника, который прыгает с трамплина. Он движется по такой траектории. А вращающийся бумажный цилиндр, скатываясь с наклонной доски, отклоняется при падении от обычной траектории и движется по более крутой линии, уходящей под наклонную плоскость. Встречный поток воздуха создает разность давлений и смещает цилиндр в сторону низкого давления. Опытным путем мы пронаблюдали это отклонение. (рис.8)
Можно сделать вывод, что вращаясь, тело приобретает иную траекторию полета из-за воздействия на него вихревых потоков воздуха.
Эксперимент 2
Во втором эксперименте мы повторили опыт со сбрасыванием мяча с дамбы. Был выбран девятый этаж многоэтажного дома. Высота составила около 27 метров. Первый раз мы сбросили мяч прямо без подкручивания, во второй бросок - слегка подкрутили. Высота была небольшая, но хорошо видно, что мяч, брошенный прямо без подкручивания, приземляется под тем местом, откуда его скинули. Подкрученный мяч полетел по другой траектории.(рис.9)
Проведенный эксперимент доказывает, что вокруг вращающегося тела возникает дополнительная сила, способная изменить его полет.
Эксперимент 3
Для третьего эксперимента из двух пластиковых стаканчиков был сделан летательный аппарат.[3] Два пластиковых стаканчика, приставленных друг к другу дном, прикрепили при помощи изоленты. Соединили несколько канцелярских резинок между собой. Обмотали ими стаканчики в центре, хорошо растянув резинки. Резинка будет работать, как катапульта и придаст стаканчикам вращательное движение. В первой части эксперимента стаканчики кидают вниз без вращения. Под воздействием силы тяжести они падают вниз прямо и приземляются ровно под тем местом, откуда их скинули.
Во второй части эксперимента при помощи резинок стаканчикам придают вращательное движение, при этом начинает действовать эффект Магнуса. Стаканчики начинают планировать.(рис.10)
Проведя эксперименты, мы убедились в том, что если телам придать вращение, на них начинают действовать дополнительные силы, которые меняют траекторию движения тела.
2.2. Создание модели ветродвигателя
В качестве экспериментальных исследований была сделана модель роторного судна Флеттнера. Из металлического конструктора собрали основу, которая представляет собой тележку с двигающимися колесами. На нее установили электродвигатель и закрепили его. (рис.11) Из плотного картона был сделан цилиндрический ротор и установлен в вертикальном положении на тележку. Ротор приводится во вращение электромотором, работающим от батарейки напряжением 9 вольт. На корпусе также расположен переключатель, задающий направление вращению цилиндра либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. (рис.12)
В первой части эксперимента мы привели ротор в движение переключателем на корпусе. Цилиндр вращался, но тележка стояла на месте без движения.
Во второй части эксперимента был создан дополнительный поток воздуха. Для создания воздушного потока, направленного перпендикулярно возможному и реальному движению тележки, во время опыта использовали вентилятор. Ротор привели в движение, направили на него поток воздуха, и тележка начала двигаться. Это доказывает наше предположение о том, что если на модель с вращающимся цилиндром направить поток воздуха, то она придет в движение. При изменении направления вращения ротора тележка начинает двигаться в противоположную сторону, иллюстрируя эффект.
Эксперимент показал, что если в поток воздуха поместить вращающийся цилиндр, ось которого перпендикулярна направлению воздушного потока, то цилиндр начинает увлекать за собой воздух. Скорость обтекания цилиндра потоком в направлении вращения становится больше, чем в отсутствие вращения, а давление меньше. С другой стороны цилиндра, где скорость вращения направлена в противоположную направлению скорости потока, скорость обтекания становится меньше, а давление – больше. Появляется разность давлений и сила, действующая на цилиндр в направлении, перпендикулярном потоку. [3] Начинает действовать сила Магнуса, и тележка приходит в движение.
Проанализировав данные, полученные в ходе эксперимента, можно сделать выводы: турбопарус работает благодаря эффекту Магнуса; для движения модели турбопаруса необходимы два условия: вращающийся цилиндр и направленный на него поток воздуха.
Заключение
Работая над данной темой, мы узнали о физическом явлении - эффекте Магнуса, где он применяется в нашей жизни. В спорте в играх с мячом, зная этот эффект, можно изменить траекторию полета мяча.
Также мы узнали, что эффект Магнуса используется в судостроении. Немецкий изобретатель Антон Флеттнер сконструировал роторное судно, где вместо парусов выступают вращающиеся цилиндры, работающие от силы ветра.
Позже известный ученый и путешественник Жак-Ив Кусто усовершенствовал идею Флеттнера и создал судно с турбопарусами.
В ходе работы были проведены несколько экспериментов, демонстрирующих эффект Магнуса, которые показали, что если телам придать вращательное движение, то на них начинает действовать дополнительные силы, которые меняют траекторию полета в воздухе.
Цель нашей работы достигнута: создана действующая модель ветродвигателя, по аналогии судна с турбопарусами.
Наша гипотеза подтвердилась. Экспериментальным путем мы доказали, что ветродвигатель будет работать только тогда, когда на него действует поток воздуха, создавая разность давлений. Это заставляет модель с вращающимся цилиндром двигаться.
Данная тема является продолжением работы над созданием и изучением двигателей, работающих на альтернативных источниках энергии. Считаем, что она интересна и актуальна, перспективна в современной науке, так как данные двигатели имеют много преимуществ, экологически чисты, достаточно просты в изготовлении.
В дальнейшем планируем продолжить работу по интересующей нас теме и выяснить, у какого двигателя наибольший КПД.
В настоящее время двигатели, работающие на альтернативных источниках энергии в нашей стране – это редкость. Но постепенно они входят в нашу жизнь. Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводит к глобальным изменениям климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов показывакт неизбежность перехода к использованию нетрадиционных, альтернативных источников энергии. Турбопарус, работающий от силы ветра – это двигатель будущего чистого мира.
Список литературы и информационные ресурсы
Прандтль Л. Эффект Магнуса и ветряной корабль // Журнал «Успехи физических наук» 1925г.
Программа Галилео. Эксперименты.
Семенов М.В., Якута А.А. Механика сплошных сред. Лекционный эксперимент. Под общей редакцией проф. В.А. Алешкевича // Изд-во Физического факультета МГУ, 1999г.
Скоренко Т. То ли мачта, то ли парус // Журнал «Популярная механика» №101, март 2011г.
Тит Т. Веселые научные опыты и эксперименты // Издательство: «Книжный клуб "Клуб семейного досуга". Харьков», «Книжный клуб "Клуб семейного досуга". Белгород» 2014 г.
Фильм «Одиссея Жака Кусто — Алкиона: Дочь ветра» 1992-1993гг.
Элементарный учебник физики. Под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Том 1. Москва, Наука, 1984г.
http://www.ligis.ru/effects/science/120/index.htm
Приложение
Рис. 1. Альтернативные источники энергии
Рис. 2. Крученый мяч
Рис. 3. Генрих Густав Магнус
Рис. 4. «Алкиона» - судно Кусто с турбопарусами
Рис. 5. Современное роторное судно «E-Ship 1»
Рис. 6. Антон Флеттнер и его роторное судно
Рис. 7.Знаменитый путешественник Жак-Ив Кусто
Рис. 8. Эксперимент 1 Рис. 9. Эксперимент 2
Рис.10 Эксперимент 3
Рис. 11 Сборка основы ветродвигателя
Рис.12 Создание модели ветродвигателя