Efecte Magnus i turbovela

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2024-01-10 20:19

A Austràlia, els físics aficionats han demostrat l'efecte Magnus en acció. El vídeo de l'experiment, publicat a l'allotjament de YouTube, ha rebut més de 9 milions de visualitzacions.

L'efecte Magnus és un fenomen físic que es produeix quan un corrent de líquid o gas flueix al voltant d'un cos en rotació. Quan un cos rodó volador gira al seu voltant, les capes d'aire properes comencen a circular. Com a resultat, en vol, el cos canvia la seva direcció de moviment.

Per a l'experiment, els físics aficionats van triar una presa de 126,5 metres d'alçada i una pilota de bàsquet normal. En un principi, la pilota es va llançar simplement avall, va volar paral·lela a la presa i va aterrar al punt marcat. La segona vegada, la pilota es va deixar caure, desplaçant-se lleugerament al voltant del seu eix. La bola voladora va volar al llarg d'una trajectòria inusual, demostrant clarament l'efecte Magnus.

L'efecte Magnus explica per què en alguns esports, com el futbol, la pilota vola en una trajectòria estranya. L'exemple més cridaner del vol "anormal" de la pilota es va poder veure després d'un tir lliure del futbolista Roberto Carlos durant el partit del 3 de juny de 1997 entre les seleccions del Brasil i França.

El vaixell està sota veles turbo

La famosa sèrie documental "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" va ser rodada pel gran oceanògraf francès entre els anys 60 i 70. El vaixell principal del Cousteau es va convertir llavors del dragamines britànic "Calypso". Però en una de les pel·lícules posteriors - "Rediscovery of the World" - va aparèixer un altre vaixell, el iot "Alcyone".

Mirant-ho, molts espectadors es van fer la pregunta: què són aquests estranys tubs instal·lats al iot?… Potser són tubs de calderes o sistemes de propulsió? Imagineu la vostra sorpresa si descobriu que aquestes són VELES… turbovelas…

El fons Cousteau va adquirir el iot "Alkion" el 1985, i aquest vaixell es va considerar no tant com un vaixell d'investigació, sinó com una base per estudiar l'eficiència de les turbovelas, el sistema de propulsió original del vaixell. I quan, 11 anys més tard, el llegendari "Calypso" es va enfonsar, l'"Alkiona" va ocupar el seu lloc com a vaixell principal de l'expedició (per cert, avui el "Calypso" es va aixecar i es troba en estat semisaquejat al port de Concarneau).

De fet, el turbovela va ser inventat per Cousteau. A més d'equips de busseig, un plat submarí i molts altres aparells per explorar les profunditats del mar i la superfície dels oceans. La idea va néixer a principis dels anys 80 i era crear el sistema de propulsió més respectuós amb el medi ambient, però alhora còmode i modern per a una au aquàtica. L'ús de l'energia eòlica semblava ser l'àrea de recerca més prometedora. Però aquí hi ha la mala sort: la humanitat va inventar una vela fa milers d'anys, i què podria ser més senzill i lògic?

Per descomptat, Cousteau i la seva companyia van entendre que era impossible construir un vaixell propulsat exclusivament per vela. Més precisament, potser, però el seu rendiment de conducció serà molt mediocre i dependrà dels capricis del temps i la direcció del vent. Per tant, inicialment estava previst que la nova "vela" només fos una força auxiliar, aplicable als motors dièsel convencionals. Al mateix temps, un turbovela reduiria significativament el consum de combustible dièsel i, amb un fort vent, podria convertir-se en l'única propulsió del vaixell. I l'aspecte de l'equip d'investigació es va dirigir al passat: a la invenció de l'enginyer alemany Anton Flettner, el famós dissenyador d'avions, que va fer una contribució significativa a la construcció naval.

El rotor de Flettner i l'efecte Magnus

El 16 de setembre de 1922, Anton Flettner va rebre una patent alemanya per a l'anomenat vaixell rotatiu. I l'octubre de 1924, el vaixell rotatiu experimental Buckau va deixar les existències de la companyia de construcció naval Friedrich Krupp a Kiel. És cert que la goleta no es va construir des de zero: abans de la instal·lació dels rotors de Flettner, era un vaixell de vela normal.

La idea de Flettner era utilitzar l'anomenat efecte Magnus, l'essència del qual és la següent: quan un corrent d'aire (o líquid) flueix al voltant d'un cos en rotació, es genera una força que és perpendicular a la direcció del flux i actua sobre el cos. El fet és que un objecte en rotació crea un moviment de vòrtex al seu voltant. Al costat de l'objecte, on la direcció del vòrtex coincideix amb la direcció del flux de líquid o gas, la velocitat del medi augmenta, i al costat oposat, disminueix. La diferència de pressió i crea una força de cisalla dirigida des del costat on el sentit de gir i el sentit del flux són oposats al costat on coincideixen.

Aquest efecte va ser descobert l'any 1852 pel físic berlinès Heinrich Magnus.

Efecte Magnus

L'enginyer i inventor aeronàutic alemany Anton Flettner (1885-1961) va passar a la història de la navegació com un home que intentava substituir les veles. Va tenir l'oportunitat de viatjar durant molt de temps en un vaixell de vela a través dels oceans Atlàntic i Índic. Moltes veles es van posar als pals dels velers d'aquella època. L'equip de vela era car, complex i aerodinàmicament poc eficient. Els perills constants s'amagaven als mariners que, fins i tot durant una tempesta, havien de navegar a 40-50 metres d'alçada.

Durant el viatge, el jove enginyer va tenir la idea de substituir les veles, que requereixen més esforç, per un aparell més senzill però eficaç, la propulsió principal del qual també seria el vent. Reflexionant sobre això, va recordar els experiments aerodinàmics realitzats pel seu físic compatriota Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Van trobar que quan un cilindre gira en un flux d'aire, sorgeix una força transversal amb una direcció que depèn de la direcció de gir del cilindre (efecte Magnus).

Un dels seus experiments clàssics semblava així: “Un cilindre de llautó podia girar entre dos punts; la ràpida rotació del cilindre s'impartia, com en una part superior, per una corda.

El cilindre giratori es va col·locar en un marc, que, al seu torn, es podia girar fàcilment. Es va enviar un fort raig d'aire a aquest sistema mitjançant una petita bomba centrífuga. El cilindre es va desviar en una direcció perpendicular al corrent d'aire i a l'eix del cilindre, a més, en la direcció des de la qual les direccions de gir i el doll eren les mateixes "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner va pensar immediatament que les veles es podrien substituir per cilindres giratoris instal·lats al vaixell.

Resulta que on la superfície del cilindre es mou en contra del flux d'aire, la velocitat del vent disminueix i la pressió augmenta. A l'altre costat del cilindre, és cert el contrari: la velocitat del flux d'aire augmenta i la pressió disminueix. Aquesta diferència de pressió dels diferents costats del cilindre és la força motriu que fa moure el vaixell. Aquest és el principi bàsic de funcionament dels equips rotatius, que utilitza la força del vent per moure el vaixell. Tot és molt senzill, però només A. Flettner "no va passar", encara que l'efecte Magnus es coneix des de fa més de mig segle.

Va començar a implementar el pla l'any 1923 en un llac prop de Berlín. De fet, Flettner va fer una cosa bastant senzilla. Va instal·lar un cilindre-rotor de paper d'un metre d'alçada i 15 cm de diàmetre en un vaixell de prova d'un metre d'eslora, i va adaptar un mecanisme de rellotge per fer-lo girar. I el vaixell va marxar.

Els capitans dels vaixells de vela es burlaven dels cilindres d'A. Flettner, amb els quals volia substituir les veles. L'inventor va aconseguir interessar els rics mecenes de l'art amb el seu invent. El 1924, en lloc de tres pals, es van instal·lar dos cilindres de rotor a la goleta "Buckau" de 54 metres. Aquests cilindres eren alimentats per un generador dièsel de 45 CV.

Els rotors del Bucau anaven accionats per motors elèctrics. De fet, no hi havia cap diferència amb els experiments clàssics de Magnus en el disseny. Al costat on el rotor girava contra el vent, es va crear una zona de pressió augmentada, al costat oposat, una zona de baixa pressió. La força resultant és la que va impulsar el vaixell. A més, aquesta força era unes 50 vegades més gran que la força de la pressió del vent en un rotor estacionari!

Això va obrir grans perspectives per a Flettner. Entre altres coses, l'àrea del rotor i la seva massa eren diverses vegades menors que l'àrea de la plataforma de vela, la qual cosa hauria donat la mateixa força motriu. El rotor era molt més fàcil de controlar i era bastant barat de fabricar. Des de dalt, Flettner va cobrir els rotors amb plànols; això va augmentar la força motriu aproximadament dues vegades a causa de l'orientació correcta dels fluxos d'aire en relació amb el rotor. L'alçada i el diàmetre òptims del rotor per a "Bukau" es van calcular fent bufar un model del futur vaixell en un túnel de vent.

El rotor de Flettner va demostrar ser excel·lent. A diferència d'un vaixell de vela normal, un vaixell rotatiu pràcticament no tenia por del mal temps i dels forts vents laterals, podia navegar fàcilment amb amurades alternades en un angle de 25º amb el vent en contra (per a una vela normal, el límit és d'uns 45º). Dos rotors cilíndrics (alçada 13,1 m, diàmetre 1,5 m) van permetre equilibrar perfectament el vaixell: va resultar més estable que el veler que era Bukau abans de la reestructuració.

Les proves es van dur a terme en temps tranquil, i en tempesta, i amb sobrecàrrega deliberada, i no s'han identificat deficiències greus. El més avantatjós per al moviment de l'embarcació era la direcció del vent exactament perpendicular a l'eix de l'embarcació, i la direcció del moviment (davant o cap enrere) estava determinada per la direcció de rotació dels rotors.

A mitjans de febrer de 1925, la goleta Buckau, equipada amb rotors de Flettner en comptes de veles, va sortir de Danzig (avui Gdansk) cap a Escòcia. Feia mal temps i la majoria de velers no gosava sortir dels ports. Al mar del Nord, el Buckau va haver de tractar seriosament amb forts vents i grans onades, però la goleta va escorcollar a bord menys que altres velers.

Durant aquesta travessa, no calia cridar a la coberta dels tripulants per canviar les veles en funció de la força o la direcció del vent. N'hi havia prou amb un navegant del rellotge, que, sense sortir de la timonera, podia controlar l'activitat dels rotors. Anteriorment, la tripulació d'una goleta de tres pals estava formada per almenys 20 mariners, després de la seva conversió en un vaixell rotatiu, 10 persones van ser suficients.

El mateix any, la drassana va establir les bases del segon vaixell rotatiu: el poderós vaixell de càrrega "Barbara", propulsat per tres rotors de 17 metres. Al mateix temps, un petit motor amb una capacitat de només 35 CV era suficient per a cada rotor. (a la velocitat màxima de gir de cada rotor 160 rpm)! L'empenta del rotor era equivalent a la d'una hèlix impulsada acoblada amb un motor dièsel de vaixell convencional amb una capacitat d'uns 1000 CV. Tanmateix, a la nau també hi havia un motor dièsel: a més dels rotors, posava en marxa una hèlix (que continuava sent l'únic dispositiu de propulsió en cas de clima tranquil).

Experiments prometedors van impulsar la naviliera Rob. M. Sloman d'Hamburg a construir el vaixell Barbara el 1926. Es va planificar per endavant equipar turbosails: els rotors de Flettner. En un vaixell de 90 m d'eslora i 13 m d'amplada es van muntar tres rotors d'uns 17 m d'alçada.

La Barbara fa temps que transporta fruita amb èxit des d'Itàlia a Hamburg, tal com estava previst. Aproximadament entre el 30 i el 40% del temps de viatge el vaixell navegava a causa de la força del vent. Amb un vent de 4-6 punts "Barbara" va desenvolupar una velocitat de 13 nusos.

Estava previst provar el vaixell rotatiu en viatges més llargs a l'oceà Atlàntic.

Però a finals de la dècada de 1920 es va produir la Gran Depressió. L'any 1929 la companyia de lloguer va abandonar el contracte d'arrendament de la Barbara i va ser venuda. El nou propietari va treure els rotors i va muntar la nau segons l'esquema tradicional. Tot i així, el rotor va perdre a causa de les hèlixs de cargol en combinació amb una central elèctrica dièsel convencional per la seva dependència del vent i certes limitacions de potència i velocitat. Flettner va recórrer a investigacions més avançades i Baden-Baden es va enfonsar finalment durant una tempesta al Carib el 1931. I es van oblidar de les veles rotatives durant molt de temps…

Sembla que l'inici dels vaixells rotatius va ser força reeixit, però no van rebre desenvolupament i es van oblidar durant molt de temps. Per què? En primer lloc, el "pare" dels vaixells rotatius A. Flettner es va submergir en la creació d'helicòpters i va deixar d'interessar-se pel transport marítim. En segon lloc, malgrat tots els seus avantatges, els vaixells rotatius han continuat sent vaixells de vela amb els seus inconvenients inherents, el principal dels quals és la dependència del vent.

Els rotors de Flettner es van tornar a interessar als anys 80 del segle XX, quan els científics van començar a proposar diverses mesures per mitigar l'escalfament climàtic, reduir la contaminació i un ús més racional del combustible. Un dels primers a recordar-los va ser l'explorador francès Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Per provar el funcionament del sistema de turbovela i reduir el consum de combustible, el catamarà de dos pals "Alcyone" (Alcyone és la filla del déu dels vents Eol) es va convertir en un vaixell rotatiu. Després d'haver iniciat un viatge per mar l'any 1985, va viatjar al Canadà i Amèrica, va envoltar el cap d'Hornos, va passar per alt Austràlia i Indonèsia, Madagascar i Sud-àfrica. Va ser traslladat al mar Caspi, on va navegar durant tres mesos, fent diverses investigacions. Alcyone encara utilitza dos sistemes de propulsió diferents: dos motors dièsel i dues turboveles.

Turbo vela Cousteau

Els velers es van construir al llarg del segle XX. En els vaixells moderns d'aquest tipus, l'armament de vela es plega amb l'ajuda de motors elèctrics, els nous materials permeten alleugerir significativament l'estructura. Però un veler és un veler, i la idea d'utilitzar l'energia eòlica d'una manera radicalment nova està en l'aire des dels temps de Flettner. I va ser recollida per l'incansable aventurer i explorador Jacques-Yves Cousteau.

El 23 de desembre de 1986, després del llançament de l'Alcyone esmentat al començament de l'article, Cousteau i els seus col·legues Lucien Malavar i Bertrand Charier van rebre la patent conjunta núm. US4630997 per "un dispositiu que crea força mitjançant l'ús d'un líquid o gas en moviment.." La descripció general diu el següent: “El dispositiu es col·loca en un entorn que es mou en una direcció determinada; en aquest cas, sorgeix una força que actua en direcció perpendicular a la primera. El dispositiu evita l'ús de veles massives, en les quals la força motriu és proporcional a la superfície de la vela". Quina diferència hi ha entre la turbovela de Cousteau i la vela rotativa de Flettner?

En secció transversal, una turbovela és una cosa semblant a una gota allargada arrodonida des de l'extrem afilat. Als laterals de la "gota" hi ha reixes d'admissió d'aire, a través d'una de les quals (segons la necessitat d'avançar o retrocedir) s'aspira aire. Per a la succió del vent més eficient, s'instal·la un petit ventilador accionat per un motor elèctric a la presa d'aire de la vela turbo.

Augmenta artificialment la velocitat del moviment de l'aire des del costat sotavent de la vela, aspirant el corrent d'aire en el moment de la seva separació del pla de la turbovela. Això crea un buit en un costat de la turbovela alhora que evita la formació de vòrtexs turbulents. I llavors actua l'efecte Magnus: rarefacció d'un costat, com a resultat, una força transversal capaç de posar el vaixell en moviment. En realitat, un turbovela és una ala d'avió posicionada verticalment, almenys el principi de crear una força propulsora és similar al principi de crear una sustentació d'un avió. Per assegurar-se que el turbovela sempre gira al vent en la direcció més avantatjosa, està equipat amb sensors especials i s'instal·la en una plataforma giratòria. Per cert, la patent de Cousteau implica que l'aire pot ser aspirat de l'interior d'una vela turbo no només per un ventilador, sinó també, per exemple, per una bomba d'aire; així Cousteau va tancar la porta per als "inventors" posteriors.

De fet, per primera vegada, Cousteau va provar un prototip de turbovela al catamarà Moulin à Vent l'any 1981. La navegació més exitosa del catamarà va ser un viatge des de Tànger (Marroc) a Nova York sota la supervisió d'un vaixell d'expedició més gran.

I l'abril de 1985, al port de La Rochelle, es va botar l'Alcyone, el primer vaixell de ple dret equipat amb turbovelas. Ara encara està en moviment i avui és el vaixell insígnia (i, de fet, l'únic gran vaixell) de la flotilla Cousteau. Les veles turbo que hi ha no són l'únic motor, però ajuden a l'acoblament habitual de dos dièsel i

diversos cargols (que, per cert, redueix el consum de combustible en aproximadament un terç). Si el gran oceanògraf hagués estat viu, probablement hauria construït diversos vaixells més semblants, però l'entusiasme dels seus associats després de la sortida de Cousteau va disminuir notablement.

Poc abans de la seva mort el 1997, Cousteau treballava activament en el projecte del vaixell "Calypso II" amb un turbovela, però no va aconseguir completar-lo. Segons les últimes dades, l'hivern del 2011, "Alkiona" es trobava al port de Caen i esperava una nova expedició.

I de nou Flettner

Avui s'està intentant reviure la idea de Flettner i fer que les veles rotatives siguin corrents. Per exemple, la famosa empresa d'Hamburg Blohm + Voss, després de la crisi del petroli de 1973, va començar el desenvolupament actiu d'un vaixell cisterna rotatiu, però el 1986, els factors econòmics van cobrir aquest projecte. Després hi va haver tota una sèrie de dissenys amateurs.

L'any 2007, estudiants de la Universitat de Flensburg van construir un catamarà propulsat per una vela giratòria (Uni-cat Flensburg).

El 2010, va aparèixer el tercer vaixell amb veles rotatives: el camió pesat E-Ship 1, que va ser construït per ordre d'Enercon, un dels majors fabricants d'aerogeneradors del món. El 6 de juliol de 2010, el vaixell va ser llançat per primera vegada i va fer un viatge curt des d'Emden fins a Bremerhaven. I ja a l'agost va fer el seu primer viatge de treball a Irlanda amb una càrrega de nou aerogeneradors. El vaixell està equipat amb quatre rotors Flettner i, per descomptat, un sistema de propulsió tradicional en cas de calma i per obtenir més potència. Tot i així, les veles rotatives només serveixen com a hèlixs auxiliars: per a un camió de 130 metres, la seva potència no és suficient per desenvolupar la velocitat adequada. Els motors són nou centrals elèctriques de Mitsubishi i els rotors són accionats per una turbina de vapor Siemens que utilitza l'energia dels gasos d'escapament. Les veles rotatives proporcionen un estalvi de combustible del 30 al 40% a 16 nusos.

Però la turbovela de Cousteau encara roman en un cert oblit: "Alcyone" és avui l'únic vaixell de mida completa amb aquest tipus de propulsió. L'experiència dels constructors de vaixells alemanys mostrarà si té sentit desenvolupar encara més el tema de les veles que operen amb l'efecte Magnus. El més important és trobar un cas de negoci per a això i demostrar la seva eficàcia. I allà, veieu, tota la navegació mundial passarà al principi que un talentós científic alemany va descriure fa més de 150 anys.

El 2 d'agost de 2010, el major fabricant mundial de centrals eòliques Enercon va llançar un vaixell rotatiu de 130 metres, 22 m d'ample, que més tard es va anomenar "E-Ship 1", a la drassana Lindenau de Kiel. Després es va provar amb èxit al mar del Nord i al Mediterrani, i actualment està transportant generadors eòlics des d'Alemanya, on es produeixen, a altres països europeus. Desenvolupa una velocitat de 17 nusos (32 km / h), transporta simultàniament més de 9 mil tones de càrrega, la seva tripulació és de 15 persones.

L'empresa naviliera Wind Again, amb seu a Singapur, una tecnologia de reducció de combustible i emissions, ofereix rotors Flettner (plegables) especialment dissenyats per a vaixells cisterna i vaixells de càrrega. Reduiran el consum de combustible en un 30-40% i pagaran en 3-5 anys.

L'empresa finlandesa d'enginyeria marina Wartsila ja té previst adaptar les turbovelas als ferris de creuers. Això es deu al desig de l'operador de ferris finlandès Viking Line de reduir el consum de combustible i la contaminació ambiental.

La Universitat de Flensburg (Alemanya) està estudiant l'ús dels rotors Flettner a les embarcacions d'esbarjo. L'augment del preu del petroli i l'alarmant escalfament climàtic semblen ser condicions favorables per al retorn dels aerogeneradors.