Effetto Magnus e turbovela

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-10 21:28

In Australia, fisici dilettanti hanno dimostrato l'effetto Magnus in azione. Il video dell'esperimento, pubblicato sull'hosting di YouTube, ha ricevuto oltre 9 milioni di visualizzazioni.

L'effetto Magnus è un fenomeno fisico che si verifica quando un flusso di liquido o gas scorre attorno a un corpo rotante. Quando un corpo rotondo volante gli ruota intorno, gli strati d'aria vicini iniziano a circolare. Di conseguenza, in volo, il corpo cambia la sua direzione di movimento.

Per l'esperimento, i fisici dilettanti hanno scelto una diga alta 126,5 metri e un normale pallone da basket. All'inizio, la palla è stata semplicemente lanciata verso il basso, è volata parallela alla diga ed è atterrata nel punto segnato. La seconda volta, la palla è stata lasciata cadere, scorrendo leggermente attorno al proprio asse. La palla volante ha volato lungo una traiettoria insolita, dimostrando chiaramente l'effetto Magnus.

L'effetto Magnus spiega perché in alcuni sport, come il calcio, la palla vola in una strana traiettoria. L'esempio più eclatante del volo "anomalo" della palla si può vedere dopo un calcio di punizione del calciatore Roberto Carlos durante la partita del 3 giugno 1997 tra le nazionali di Brasile e Francia.

La nave è sotto vele turbo

La famosa serie di documentari "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" è stata girata dal grande oceanografo francese negli anni '60 - '70. La nave principale del Cousteau fu poi convertita dal dragamine britannico "Calypso". Ma in uno dei film successivi - "Riscoperta del mondo" - è apparsa un'altra nave, lo yacht "Alcyone".

Guardandolo, molti spettatori si sono posti la domanda: cosa sono questi strani tubi installati sullo yacht?.. Forse sono tubi di caldaie o sistemi di propulsione? Immagina il tuo stupore se scopri che queste sono VELE… turbovele…

Il fondo Cousteau ha acquisito lo yacht "Alkion" nel 1985 e questa nave era considerata non tanto come una nave da ricerca, ma come una base per studiare l'efficienza delle turbovele, il sistema di propulsione navale originale. E quando, 11 anni dopo, il leggendario "Calypso" affondò, l'"Alkiona" prese il suo posto come nave principale della spedizione (a proposito, oggi il "Calypso" è stato sollevato ed è in uno stato semi-saccheggiato nel porto di Concarneau).

In realtà, il turbosail è stato inventato da Cousteau. Oltre a attrezzatura subacquea, un piattino subacqueo e molti altri dispositivi per esplorare le profondità del mare e la superficie degli oceani. L'idea è nata nei primi anni '80 ed era quella di creare il sistema di propulsione più ecologico, ma allo stesso tempo conveniente e moderno per un uccello acquatico. L'uso dell'energia eolica sembrava essere l'area di ricerca più promettente. Ma ecco la sfortuna: l'uomo ha inventato una vela diverse migliaia di anni fa, e cosa potrebbe esserci di più semplice e logico?

Naturalmente, Cousteau e la sua compagnia hanno capito che era impossibile costruire una nave alimentata esclusivamente a vela. Più precisamente, forse, ma le sue prestazioni di guida saranno molto mediocri e dipenderanno dai capricci del tempo e della direzione del vento. Pertanto, originariamente era previsto che la nuova "vela" fosse solo una forza ausiliaria, applicabile per aiutare i motori diesel convenzionali. Allo stesso tempo, un turbosail ridurrebbe significativamente il consumo di gasolio e, in caso di vento forte, potrebbe diventare l'unica propulsione della nave. E l'aspetto del team di ricerca si è rivolto al passato, all'invenzione dell'ingegnere tedesco Anton Flettner, il famoso progettista di aerei, che ha dato un contributo significativo alla costruzione navale.

Il rotore di Flettner e l'effetto Magnus

Il 16 settembre 1922, Anton Flettner ricevette un brevetto tedesco per la cosiddetta nave rotante. E nell'ottobre 1924, la nave rotante sperimentale Buckau lasciò le scorte della società di costruzioni navali Friedrich Krupp a Kiel. È vero, la goletta non è stata costruita da zero: prima dell'installazione dei rotori di Flettner, era una normale nave a vela.

L'idea di Flettner era quella di utilizzare il cosiddetto effetto Magnus, la cui essenza è la seguente: quando un flusso d'aria (o liquido) scorre attorno a un corpo rotante, si genera una forza perpendicolare alla direzione del flusso e agisce su il corpo. Il fatto è che un oggetto rotante crea un movimento vorticoso attorno a sé. Dal lato dell'oggetto, dove la direzione del vortice coincide con la direzione del flusso di liquido o gas, la velocità del mezzo aumenta e dal lato opposto diminuisce. La differenza di pressione e crea una forza di taglio diretta dal lato in cui il senso di rotazione e il senso di flusso sono opposti al lato in cui coincidono.

Questo effetto fu scoperto nel 1852 dal fisico berlinese Heinrich Magnus.

Effetto Magnus

L'ingegnere aeronautico e inventore tedesco Anton Flettner (1885-1961) è passato alla storia della navigazione come un uomo che cercava di sostituire le vele. Ha avuto la possibilità di viaggiare a lungo su una nave a vela attraverso l'Oceano Atlantico e l'Oceano Indiano. Molte vele erano impostate sugli alberi dei velieri di quell'epoca. L'attrezzatura per la vela era costosa, complessa e aerodinamicamente poco efficiente. Pericoli costanti incombevano sui marinai che, anche durante una tempesta, dovevano navigare a 40-50 metri di altezza.

Durante il viaggio, il giovane ingegnere ebbe l'idea di sostituire le vele, che richiedono uno sforzo maggiore, con un dispositivo più semplice ma efficace, la cui propulsione principale sarebbe stata anche il vento. Riflettendo su questo, ha ricordato gli esperimenti aerodinamici condotti dal suo fisico connazionale Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Hanno scoperto che quando un cilindro ruota in un flusso d'aria, si genera una forza trasversale con una direzione che dipende dalla direzione di rotazione del cilindro (effetto Magnus).

Uno dei suoi esperimenti classici assomigliava a questo: “Un cilindro di ottone potrebbe ruotare tra due punti; la rapida rotazione del cilindro era impartita, come in una cima, da una corda.

Il cilindro rotante era posto in un telaio, che a sua volta poteva essere facilmente ruotato. Un forte getto d'aria è stato inviato a questo sistema utilizzando una piccola pompa centrifuga. Il cilindro deviava in una direzione perpendicolare al flusso d'aria e all'asse del cilindro, inoltre, nella direzione da cui i sensi di rotazione e il getto erano gli stessi” (L. Prandtl “L'effetto Magnus e la nave del vento”, 1925).

A. Flettner pensò subito che le vele potessero essere sostituite da cilindri rotanti installati sulla nave.

Si scopre che dove la superficie del cilindro si muove contro il flusso d'aria, la velocità del vento diminuisce e la pressione aumenta. Dall'altro lato del cilindro, è vero il contrario: la velocità del flusso d'aria aumenta e la pressione diminuisce. Questa differenza di pressione da diversi lati del cilindro è la forza motrice che fa muovere la nave. Questo è il principio di base del funzionamento dell'attrezzatura rotante, che utilizza la forza del vento per spostare la nave. Tutto è molto semplice, ma solo A. Flettner "non è passato", sebbene l'effetto Magnus sia noto da più di mezzo secolo.

Ha iniziato ad attuare il piano nel 1923 su un lago vicino a Berlino. In realtà, Flettner ha fatto una cosa piuttosto semplice. Ha installato un cilindro-rotore di carta di circa un metro di altezza e 15 cm di diametro su una barca di prova lunga un metro, e ha adattato un meccanismo di orologio per ruotarlo. E la barca salpò.

I capitani dei velieri schernivano i cilindri di A. Flettner, con i quali voleva sostituire le vele. L'inventore è riuscito a interessare ricchi mecenati d'arte con la sua invenzione. Nel 1924, invece di tre alberi, furono installati due cilindri del rotore sulla goletta "Buckau" di 54 metri. Questi cilindri erano alimentati da un generatore diesel da 45 CV.

I rotori del Bucau erano azionati da motori elettrici. In realtà, non c'era alcuna differenza rispetto agli esperimenti classici di Magnus nel design. Sul lato in cui il rotore ruotava contro il vento, si è creata un'area di maggiore pressione, sul lato opposto, un'area di bassa pressione. La forza risultante è ciò che ha spinto la nave. Inoltre, questa forza era circa 50 volte maggiore della forza della pressione del vento su un rotore fermo!

Questo ha aperto grandi prospettive per Flettner. Tra l'altro, l'area del rotore e la sua massa erano parecchie volte inferiori all'area dell'impianto di navigazione, che avrebbe dato uguale forza motrice. Il rotore era molto più facile da controllare ed era abbastanza economico da produrre. Dall'alto, Flettner ha coperto i rotori con piastre pialla - questo ha aumentato la forza motrice di circa due volte a causa del corretto orientamento dei flussi d'aria rispetto al rotore. L'altezza e il diametro ottimali del rotore per "Bukau" sono stati calcolati soffiando un modello della futura nave in una galleria del vento.

Il rotore di Flettner si è dimostrato eccellente. A differenza di una normale nave a vela, una nave rotante praticamente non temeva il maltempo e i forti venti laterali, poteva facilmente navigare con virate alternate con un angolo di 25º rispetto al vento contrario (per una vela normale, il limite è di circa 45º). Due rotori cilindrici (altezza 13,1 m, diametro 1,5 m) hanno permesso di bilanciare perfettamente la nave - si è rivelata più stabile della barca a vela che era Bukau prima della ristrutturazione.

I test sono stati eseguiti con tempo calmo e durante una tempesta e con un sovraccarico deliberato - e non sono state identificate gravi carenze. La più vantaggiosa per il movimento della nave era la direzione del vento esattamente perpendicolare all'asse della nave, e la direzione del movimento (avanti o indietro) era determinata dalla direzione di rotazione dei rotori.

A metà febbraio 1925, la goletta Buckau, dotata di rotori Flettner al posto delle vele, lasciò Danzica (ora Danzica) per la Scozia. Il tempo era brutto e la maggior parte delle barche a vela non osava lasciare i porti. Nel Mare del Nord, il Buckau ha dovuto affrontare seriamente i forti venti e le grandi onde, ma la goletta ha sbandato a bordo meno di altre barche a vela incontrate.

Durante questo viaggio, non era necessario chiamare in coperta i membri dell'equipaggio per cambiare le vele a seconda della forza o della direzione del vento. Era sufficiente un navigatore dell'orologio, che, senza lasciare la timoneria, poteva controllare l'attività dei rotori. In precedenza, l'equipaggio di una goletta a tre alberi era composto da almeno 20 marinai, dopo la sua conversione in una nave rotante, erano sufficienti 10 persone.

Nello stesso anno, il cantiere gettò le basi per la seconda nave rotante: la potente nave da carico "Barbara", azionata da tre rotori di 17 metri. Allo stesso tempo, un piccolo motore con una capacità di soli 35 CV era sufficiente per ciascun rotore. (alla velocità massima di rotazione di ogni rotore 160 giri/min)! La spinta del rotore era equivalente a quella di un'elica azionata da un'elica accoppiata con un motore diesel convenzionale della nave con una capacità di circa 1000 CV. Tuttavia, sulla nave era disponibile anche un motore diesel: oltre ai rotori, metteva in moto un'elica (che rimaneva l'unico dispositivo di propulsione in caso di tempo calmo).

Esperimenti promettenti spinsero la compagnia di navigazione Rob. M. Sloman di Amburgo a costruire la nave Barbara nel 1926. È stato pianificato in anticipo di equipaggiare turbovele - i rotori di Flettner. Su una nave lunga 90 m e larga 13 m sono stati montati tre rotori con un'altezza di circa 17 m.

Da tempo Barbara trasporta con successo frutta dall'Italia ad Amburgo, come previsto. Circa il 30-40% del tempo di viaggio la nave stava navigando a causa della forza del vento. Con un vento di 4-6 punti "Barbara" ha sviluppato una velocità di 13 nodi.

Era previsto di testare la nave rotante su viaggi più lunghi nell'Oceano Atlantico.

Ma alla fine degli anni '20, la Grande Depressione colpì. Nel 1929 la società di charter abbandonò l'ulteriore locazione della Barbara e fu venduta. Il nuovo proprietario ha rimosso i rotori e ha rimontato la nave secondo lo schema tradizionale. Tuttavia, il rotore ha perso le eliche a vite in combinazione con una centrale elettrica diesel convenzionale a causa della sua dipendenza dal vento e da alcune limitazioni di potenza e velocità. Flettner si rivolse a ricerche più avanzate e Baden-Baden alla fine affondò durante una tempesta nei Caraibi nel 1931. E si sono dimenticati delle vele rotanti per molto tempo …

L'inizio delle navi rotanti, a quanto pare, ha avuto un discreto successo, ma non hanno ricevuto sviluppo e sono state dimenticate per molto tempo. Come mai? In primo luogo, il "padre" delle navi rotanti A. Flettner si è immerso nella creazione di elicotteri e ha cessato di interessarsi al trasporto marittimo. In secondo luogo, nonostante tutti i loro vantaggi, le navi rotanti sono rimaste navi a vela con i loro svantaggi intrinseci, il principale dei quali è la dipendenza dal vento.

I rotori di Flettner erano di nuovo interessati agli anni '80 del ventesimo secolo, quando gli scienziati iniziarono a proporre varie misure per mitigare il riscaldamento climatico, ridurre l'inquinamento e un uso più razionale del carburante. Uno dei primi a ricordarli fu l'esploratore francese Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Per testare il funzionamento del sistema turbovela e ridurre i consumi di carburante, il catamarano a due alberi "Alcyone" (Alcyone è la figlia del dio dei venti Eolo) è stato trasformato in nave rotante. Dopo aver intrapreso un viaggio per mare nel 1985, ha viaggiato in Canada e in America, ha circumnavigato Capo Horn, ha aggirato l'Australia e l'Indonesia, il Madagascar e il Sud Africa. Fu trasferito nel Mar Caspio, dove navigò per tre mesi, facendo varie ricerche. Alcyone utilizza ancora due diversi sistemi di propulsione: due motori diesel e due turbovele.

Turbovela Cousteau

Le barche a vela sono state costruite nel corso del XX secolo. Nelle moderne navi di questo tipo, l'armamento a vela viene piegato con l'aiuto di motori elettrici, nuovi materiali consentono di alleggerire in modo significativo la struttura. Ma una barca a vela è una barca a vela, e l'idea di utilizzare l'energia eolica in un modo radicalmente nuovo è nell'aria fin dai tempi di Flettner. Ed è stata raccolta dall'instancabile avventuriero ed esploratore Jacques-Yves Cousteau.

Il 23 dicembre 1986, dopo il lancio dell'Alcyone menzionato all'inizio dell'articolo, Cousteau e i suoi colleghi Lucien Malavar e Bertrand Charier hanno ricevuto il brevetto congiunto n. US4630997 per "un dispositivo che crea forza attraverso l'uso di un liquido o gas in movimento." La descrizione generale recita: “Il dispositivo è posto in un ambiente che si muove in una certa direzione; in questo caso nasce una forza che agisce in direzione perpendicolare alla prima. Il dispositivo evita l'uso di vele massicce, in cui la forza motrice è proporzionale alla superficie velica." Qual è la differenza tra il turbovela di Cousteau e la vela rotante di Flettner?

In sezione trasversale, un turbosail è qualcosa come una goccia allungata arrotondata dall'estremità acuminata. Ai lati della "goccia" sono presenti delle griglie di aspirazione dell'aria, attraverso una delle quali (a seconda della necessità di spostarsi in avanti o indietro) viene aspirata l'aria. Per l'aspirazione del vento più efficiente, una piccola ventola azionata da un motore elettrico è installata nella presa d'aria sulla vela turbo.

Aumenta artificialmente la velocità del movimento dell'aria dal lato sottovento della vela, aspirando il flusso d'aria al momento della sua separazione dal piano della turbovela. Questo crea un vuoto su un lato del turbovela prevenendo la formazione di vortici turbolenti. E poi agisce l'effetto Magnus: rarefazione da un lato, di conseguenza - una forza trasversale in grado di mettere in moto la nave. In realtà, un turbovela è un'ala di aereo posizionata verticalmente, almeno il principio di creare una forza propulsiva è simile al principio di creare una portanza di un aereo. Per fare in modo che il turbovela sia sempre virato al vento nella direzione più vantaggiosa, è dotato di appositi sensori ed è installato su una piattaforma girevole. A proposito, il brevetto di Cousteau implica che l'aria può essere aspirata dall'interno di una turbo-vela non solo da un ventilatore, ma anche, ad esempio, da una pompa d'aria - così Cousteau ha chiuso il cancello per i successivi "inventori".

In effetti, per la prima volta, Cousteau ha testato un prototipo di turbovela sul catamarano Moulin à Vent nel 1981. La più grande crociera di successo del catamarano è stata un viaggio da Tangeri (Marocco) a New York sotto la supervisione di una nave da spedizione più grande.

E nell'aprile 1985, nel porto di La Rochelle, fu varata l'Alcyone, la prima nave a tutti gli effetti dotata di turbovele. Ora è ancora in movimento e oggi è l'ammiraglia (e, di fatto, l'unica grande nave) della flottiglia Cousteau. Le vele turbo su di esso non sono l'unico motore, ma aiutano il solito accoppiamento di due diesel e

diverse viti (che, tra l'altro, riduce il consumo di carburante di circa un terzo). Se il grande oceanografo fosse vivo, probabilmente avrebbe costruito molte altre navi simili, ma l'entusiasmo dei suoi soci dopo la partenza di Cousteau diminuì notevolmente.

Poco prima della sua morte nel 1997, Cousteau stava lavorando attivamente al progetto della nave "Calypso II" con un turbovela, ma non riuscì a completarlo. Secondo gli ultimi dati, nell'inverno del 2011, "Alkiona" si trovava nel porto di Caen e aspettava una nuova spedizione.

E ancora Flettner

Oggi si stanno facendo tentativi per far rivivere l'idea di Flettner e rendere le vele rotanti mainstream. Ad esempio, la famosa compagnia di Amburgo Blohm + Voss, dopo la crisi petrolifera del 1973, iniziò lo sviluppo attivo di una cisterna rotativa, ma nel 1986 fattori economici coprirono questo progetto. Poi c'è stata un'intera serie di progetti amatoriali.

Nel 2007, gli studenti dell'Università di Flensburg hanno costruito un catamarano alimentato da una vela rotante (Uni-cat Flensburg).

Nel 2010 è apparsa la terza nave in assoluto con vele rotanti: il camion pesante E-Ship 1, costruito per ordine di Enercon, uno dei più grandi produttori di turbine eoliche al mondo. Il 6 luglio 2010 la nave è stata varata per la prima volta e ha effettuato un breve viaggio da Emden a Bremerhaven. E già ad agosto ha fatto il suo primo viaggio di lavoro in Irlanda con un carico di nove turbine eoliche. La nave è dotata di quattro rotori Flettner e, naturalmente, di un sistema di propulsione tradizionale in caso di calma e per potenza aggiuntiva. Tuttavia, le vele rotanti servono solo come eliche ausiliarie: per un camion di 130 metri, la loro potenza non è sufficiente per sviluppare la velocità adeguata. I motori sono nove centrali elettriche Mitsubishi e i rotori sono alimentati da una turbina a vapore Siemens che utilizza l'energia dei gas di scarico. Le vele rotanti offrono un risparmio di carburante dal 30 al 40% a 16 nodi.

Ma il turbovela di Cousteau rimane ancora nell'oblio: "Alcyone" oggi è l'unica nave a grandezza naturale con questo tipo di propulsione. L'esperienza dei costruttori navali tedeschi dimostrerà se ha senso sviluppare ulteriormente il tema delle vele che operano sull'effetto Magnus. La cosa principale è trovare un business case per questo e dimostrarne l'efficacia. E lì, vedete, tutte le spedizioni mondiali si sposteranno sul principio che un talentuoso scienziato tedesco descrisse più di 150 anni fa.

Il 2 agosto 2010, il più grande produttore mondiale di centrali eoliche Enercon ha varato una nave rotante di 130 metri, larga 22 metri, che è stata successivamente denominata "E-Ship 1", presso il cantiere Lindenau di Kiel. Successivamente è stato testato con successo nel Mare del Nord e nel Mediterraneo e attualmente trasporta generatori eolici dalla Germania, dove vengono prodotti, ad altri paesi europei. Sviluppa una velocità di 17 nodi (32 km/h), trasporta contemporaneamente più di 9mila tonnellate di carico, il suo equipaggio è di 15 persone.

La compagnia di navigazione con sede a Singapore Wind Again, una tecnologia per la riduzione del carburante e delle emissioni, offre rotori Flettner (pieghevoli) appositamente progettati per navi cisterna e navi da carico. Ridurranno il consumo di carburante del 30-40% e si ripagheranno in 3-5 anni.

La società finlandese di ingegneria navale Wartsila sta già progettando di adattare le turbovele sui traghetti da crociera. Ciò è dovuto al desiderio dell'operatore di traghetti finlandese Viking Line di ridurre il consumo di carburante e l'inquinamento ambientale.

L'uso dei rotori Flettner sulle imbarcazioni da diporto è allo studio dell'Università di Flensburg (Germania). L'aumento dei prezzi del petrolio e l'allarmante riscaldamento climatico sembrano essere condizioni favorevoli per il ritorno delle turbine eoliche.