Magnus-effect en turbozeil

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-10 22:02

In Australië hebben amateurfysici het Magnus-effect in actie aangetoond. De experimentvideo, gepost op YouTube-hosting, is meer dan 9 miljoen keer bekeken.

Het Magnus-effect is een fysiek fenomeen dat optreedt wanneer een stroom vloeistof of gas rond een roterend lichaam stroomt. Wanneer een rondvliegend lichaam eromheen draait, beginnen nabijgelegen luchtlagen te circuleren. Als gevolg hiervan verandert het lichaam tijdens de vlucht van bewegingsrichting.

Voor het experiment kozen amateurfysici een dam van 126,5 meter hoog en een gewone basketbal. Eerst werd de bal gewoon naar beneden gegooid, hij vloog evenwijdig aan de dam en landde op het gemarkeerde punt. De tweede keer werd de bal gedropt, licht scrollend rond zijn as. De vliegende bal vloog langs een ongebruikelijk traject, wat duidelijk het Magnus-effect aantoont.

Het Magnus-effect verklaart waarom bij sommige sporten, zoals voetbal, de bal een vreemd traject aflegt. Het meest opvallende voorbeeld van de "abnormale" balvlucht was te zien na een vrije trap van voetballer Roberto Carlos tijdens de wedstrijd van 3 juni 1997 tussen de nationale teams van Brazilië en Frankrijk.

Het schip is onder turbozeilen

De beroemde documentaireserie "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" werd in de jaren zestig - zeventig gemaakt door de grote Franse oceanograaf. Het hoofdschip van de Cousteau werd toen omgebouwd van de Britse mijnenveger "Calypso". Maar in een van de volgende films - "Rediscovery of the World" - verscheen een ander schip, het jacht "Alcyone".

Toen ze ernaar keken, stelden veel kijkers zich de vraag: wat zijn deze vreemde leidingen die op het jacht zijn geïnstalleerd?.. Misschien zijn het leidingen van ketels of voortstuwingssystemen? Stel je je verbazing voor als je erachter komt dat dit SAILS zijn … turbosails …

Het Cousteau-fonds verwierf het jacht "Alkion" in 1985, en dit schip werd niet zozeer beschouwd als een onderzoeksschip, maar als een basis voor het bestuderen van de efficiëntie van turbosails - het oorspronkelijke voortstuwingssysteem van schepen. En toen, 11 jaar later, de legendarische "Calypso" zonk, nam de "Alkiona" haar plaats in als het belangrijkste schip van de expeditie (trouwens, vandaag werd de "Calypso" opgeheven en bevindt zich in een semi-geplunderde staat in de haven van Concarneau).

Eigenlijk is het turbozeil uitgevonden door Cousteau. Evenals duikuitrusting, een onderwaterschotel en vele andere apparaten om de diepten van de zee en het oppervlak van de oceanen te verkennen. Het idee ontstond begin jaren tachtig en was om het meest milieuvriendelijke, maar tegelijkertijd handige en moderne voortstuwingssysteem voor een watervogel te creëren. Het gebruik van windenergie leek het meest veelbelovende onderzoeksgebied. Maar hier is de pech: de mensheid heeft enkele duizenden jaren geleden een zeil uitgevonden, en wat is er eenvoudiger en logischer?

Cousteau en zijn compagnie begrepen natuurlijk dat het onmogelijk was om een schip te bouwen dat uitsluitend door zeil werd aangedreven. Meer precies misschien, maar de rijprestaties zullen zeer middelmatig zijn en afhankelijk van de grillen van het weer en de windrichting. Daarom was het oorspronkelijk de bedoeling dat het nieuwe "zeil" alleen een hulpkracht zou zijn, van toepassing om conventionele dieselmotoren te helpen. Tegelijkertijd zou een turbozeil het dieselverbruik aanzienlijk verminderen en bij harde wind zou het de enige voortstuwing van het schip kunnen worden. En de blik van het onderzoeksteam wendde zich tot het verleden - naar de uitvinding van de Duitse ingenieur Anton Flettner, de beroemde vliegtuigontwerper, die een belangrijke bijdrage leverde aan de scheepsbouw.

Flettner's rotor en het Magnus-effect

Op 16 september 1922 ontving Anton Flettner een Duits patent voor het zogenaamde roterende vaartuig. En in oktober 1924 verliet het experimentele roterende schip Buckau de voorraden van het scheepsbouwbedrijf Friedrich Krupp in Kiel. Toegegeven, de schoener is niet helemaal opnieuw gebouwd: vóór de installatie van de rotoren van Flettner was het een gewoon zeilschip.

Flettners idee was om het zogenaamde Magnus-effect te gebruiken, waarvan de essentie als volgt is: wanneer een lucht (of vloeistof)stroom rond een roterend lichaam stroomt, wordt een kracht gegenereerd die loodrecht op de richting van de stroming staat en inwerkt op het lichaam. Het feit is dat een roterend object een vortexbeweging om zichzelf heen creëert. Aan de kant van het object, waar de richting van de vortex samenvalt met de richting van de vloeistof- of gasstroom, neemt de snelheid van het medium toe en aan de andere kant neemt deze af. Het drukverschil en creëert een dwarskracht gericht vanaf de zijde waar de draairichting en de stroomrichting tegengesteld zijn aan de zijde waar ze samenvallen.

Dit effect werd in 1852 ontdekt door de Berlijnse natuurkundige Heinrich Magnus.

Magnus-effect

De Duitse luchtvaartingenieur en uitvinder Anton Flettner (1885-1961) ging de geschiedenis van de navigatie in als een man die zeilen probeerde te vervangen. Hij had de kans om lange tijd op een zeilschip over de Atlantische en Indische Oceaan te reizen. Op de masten van zeilschepen uit die tijd werden veel zeilen gehesen. Zeiluitrusting was duur, complex en aerodynamisch niet erg efficiënt. Voortdurende gevaren loerden op zeelieden die, zelfs tijdens een storm, op 40-50 meter hoogte moesten varen.

Tijdens de reis kwam de jonge ingenieur op het idee om de zeilen, die meer inspanning vergen, te vervangen door een eenvoudiger maar doeltreffender apparaat, waarvan de belangrijkste voortstuwing ook de wind zou zijn. Toen hij hierover nadacht, herinnerde hij zich aërodynamische experimenten uitgevoerd door zijn landgenoot, fysicus Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Ze ontdekten dat wanneer een cilinder in een luchtstroom draait, er een dwarskracht ontstaat met een richting die afhangt van de draairichting van de cilinder (Magnus-effect).

Een van zijn klassieke experimenten zag er als volgt uit: “Een koperen cilinder kan tussen twee punten draaien; de snelle rotatie van de cilinder werd verleend, zoals in een top, door een koord.

De roterende cilinder werd in een frame geplaatst, dat op zijn beurt gemakkelijk kon worden gedraaid. Met behulp van een kleine centrifugaalpomp werd een sterke luchtstraal naar dit systeem gestuurd. De cilinder week af in een richting loodrecht op de luchtstroom en op de cilinderas bovendien in de richting van waaruit de draairichtingen en de straal hetzelfde waren "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner dacht meteen dat de zeilen vervangen konden worden door roterende cilinders die op het schip waren geïnstalleerd.

Het blijkt dat waar het oppervlak van de cilinder tegen de luchtstroom in beweegt, de windsnelheid afneemt en de druk toeneemt. Aan de andere kant van de cilinder is het tegenovergestelde waar: de snelheid van de luchtstroom neemt toe en de druk neemt af. Dit drukverschil van verschillende kanten van de cilinder is de drijvende kracht die het vat doet bewegen. Dit is het basisprincipe van de werking van roterende apparatuur, die de kracht van de wind gebruikt om het schip te verplaatsen. Alles is heel eenvoudig, maar alleen A. Flettner "kwam niet voorbij", hoewel het Magnus-effect al meer dan een halve eeuw bekend is.

Hij begon het plan in 1923 uit te voeren op een meer bij Berlijn. Eigenlijk deed Flettner iets heel simpels. Hij installeerde een papieren cilinder-rotor van ongeveer een meter hoog en 15 cm in diameter op een meter lange testboot, en paste een klokmechanisme aan om het te laten draaien. En de boot zeilde weg.

De kapiteins van zeilschepen spotten met de cilinders van A. Flettner, waarmee hij de zeilen wilde vervangen. De uitvinder wist met zijn vinding vermogende beschermers van de kunst te interesseren. In 1924 werden in plaats van drie masten twee rotorcilinders geïnstalleerd op de 54 meter lange schoener "Buckau". Deze cilinders werden aangedreven door een 45 pk sterke dieselgenerator.

De rotoren van de Bucau werden aangedreven door elektromotoren. Eigenlijk was er in het ontwerp geen verschil met de klassieke experimenten van Magnus. Aan de kant waar de rotor tegen de wind in draaide, ontstond een gebied met verhoogde druk, aan de andere kant een lagedrukgebied. De resulterende kracht is wat het schip voortstuwde. Bovendien was deze kracht ongeveer 50 keer groter dan de kracht van winddruk op een stationaire rotor!

Dit opende grote perspectieven voor Flettner. Onder andere het rotoroppervlak en zijn massa waren meerdere malen kleiner dan het oppervlak van het zeiltuig, wat een gelijke aandrijfkracht zou hebben gegeven. De rotor was veel gemakkelijker te besturen en het was vrij goedkoop om te produceren. Van bovenaf bedekte Flettner de rotoren met plaatvlakken - dit verhoogde de aandrijfkracht met ongeveer twee keer vanwege de juiste oriëntatie van de luchtstromen ten opzichte van de rotor. De optimale hoogte en diameter van de rotor voor "Bukau" werd berekend door een model van het toekomstige schip in een windtunnel te blazen.

De rotor van Flettner bleek uitstekend te zijn. In tegenstelling tot een gewoon zeilschip was een roterend schip praktisch niet bang voor slecht weer en harde zijwind, het kon gemakkelijk zeilen met wisselende overstag onder een hoek van 25º met de tegenwind (voor een normaal zeil is de limiet ongeveer 45º). Twee cilindrische rotoren (hoogte 13,1 m, diameter 1,5 m) maakten het mogelijk om het schip perfect uit te balanceren - het bleek stabieler te zijn dan de zeilboot die Bukau was vóór de herstructurering.

De tests werden uitgevoerd bij rustig weer, in een storm en met opzettelijke overbelasting - en er werden geen ernstige tekortkomingen vastgesteld. Het meest voordelig voor de beweging van het vaartuig was de windrichting exact loodrecht op de as van het vaartuig, en de bewegingsrichting (vooruit of achteruit) werd bepaald door de draairichting van de rotoren.

Medio februari 1925 vertrok de schoener Buckau, uitgerust met Flettner's rotors in plaats van zeilen, van Danzig (nu Gdansk) naar Schotland. Het weer was slecht en de meeste zeilboten durfden de havens niet te verlaten. In de Noordzee had de Buckau serieus te maken met harde wind en hoge golven, maar de schoener hakte minder aan boord dan andere zeilboten tegenkwamen.

Tijdens deze reis was het niet nodig om een beroep te doen op het dek van de bemanningsleden om van zeilen te wisselen afhankelijk van de sterkte of richting van de wind. Eén navigator van het horloge was genoeg, die, zonder het stuurhuis te verlaten, de activiteit van de rotors kon regelen. Voorheen bestond de bemanning van een driemastschoener uit minstens 20 zeilers, na de ombouw tot een roterend schip waren 10 mensen voldoende.

In hetzelfde jaar legde de scheepswerf de basis voor het tweede roterende schip - het machtige vrachtschip "Barbara", voortgestuwd door drie 17-meter rotoren. Tegelijkertijd was één kleine motor met een vermogen van slechts 35 pk voldoende voor elke rotor. (bij het maximale toerental van elke rotor 160 tpm)! De rotor stuwkracht was gelijk aan die van een propeller aangedreven propeller gekoppeld aan een conventionele scheepsdieselmotor met een vermogen van ongeveer 1000 pk. Er was echter ook een dieselmotor op het schip aanwezig: naast de rotoren zette deze een propeller in beweging (die bij rustig weer de enige voortstuwing bleef).

Veelbelovende experimenten waren voor rederij Rob. M. Sloman uit Hamburg aanleiding om in 1926 het schip Barbara te bouwen. Het was van tevoren gepland om turbosails uit te rusten - de rotoren van Flettner. Op een schip van 90 m lang en 13 m breed waren drie rotoren met een hoogte van ongeveer 17 m gemonteerd.

Zoals gepland vervoert Barbara al enige tijd met succes fruit van Italië naar Hamburg. Ongeveer 30-40% van de reistijd voer het schip door de kracht van de wind. Met een wind van 4-6 punten ontwikkelde "Barbara" een snelheid van 13 knopen.

Het was de bedoeling om het roterende schip te testen op langere reizen in de Atlantische Oceaan.

Maar eind jaren twintig sloeg de Grote Depressie toe. In 1929 zag de chartermaatschappij af van de verdere verhuur van de Barbara en werd verkocht. De nieuwe eigenaar heeft de rotoren verwijderd en het schip volgens het traditionele schema teruggeplaatst. Toch verloor de rotor van de schroefpropellers in combinatie met een conventionele dieselkrachtcentrale vanwege zijn afhankelijkheid van de wind en bepaalde beperkingen in vermogen en snelheid. Flettner wendde zich tot meer geavanceerd onderzoek en Baden-Baden zonk uiteindelijk tijdens een storm in het Caribisch gebied in 1931. En ze zijn de roterende zeilen lange tijd vergeten …

Het lijkt erop dat het begin van roterende schepen behoorlijk succesvol was, maar ze kregen geen ontwikkeling en werden lange tijd vergeten. Waarom? Ten eerste stortte de "vader" van roterende schepen A. Flettner zich in de creatie van helikopters en was niet langer geïnteresseerd in zeetransport. Ten tweede zijn roterende schepen, ondanks al hun voordelen, zeilschepen gebleven met hun inherente nadelen, waarvan de belangrijkste afhankelijkheid van de wind is.

De rotors van Flettner waren opnieuw geïnteresseerd in de jaren 80 van de twintigste eeuw, toen wetenschappers verschillende maatregelen begonnen voor te stellen om de klimaatopwarming te verminderen, de vervuiling te verminderen en een rationeler brandstofgebruik. Een van de eersten die zich hen herinnerde was de Franse ontdekkingsreiziger Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Om de werking van het turbozeilsysteem te testen en het brandstofverbruik te verminderen, werd de tweemast catamaran "Alcyone" (Alcyone is de dochter van de god van de wind Aeolus) omgebouwd tot een roterend vaartuig. Nadat hij in 1985 een zeereis had gemaakt, reisde hij naar Canada en Amerika, omcirkelde Kaap Hoorn, omzeilde Australië en Indonesië, Madagaskar en Zuid-Afrika. Hij werd overgebracht naar de Kaspische Zee, waar hij drie maanden zeilde en verschillende onderzoeken deed. Alcyone gebruikt nog steeds twee verschillende voortstuwingssystemen: twee dieselmotoren en twee turbozeilen.

Turbo zeil Cousteau

Zeilboten werden gebouwd in de 20e eeuw. In moderne schepen van dit type wordt zeilbewapening gevouwen met behulp van elektromotoren, nieuwe materialen maken het mogelijk om de structuur aanzienlijk te verlichten. Maar een zeilboot is een zeilboot, en het idee om windenergie op een radicaal nieuwe manier te gebruiken, hangt al sinds de dagen van Flettner in de lucht. En ze werd opgepikt door de onvermoeibare avonturier en ontdekkingsreiziger Jacques-Yves Cousteau.

Op 23 december 1986, nadat de aan het begin van het artikel genoemde Alcyone was gelanceerd, ontvingen Cousteau en zijn collega's Lucien Malavar en Bertrand Charier gezamenlijk octrooi nr. US4630997 voor "een apparaat dat kracht creëert door het gebruik van een bewegende vloeistof of gas." De algemene beschrijving luidt als volgt: “Het apparaat wordt geplaatst in een omgeving die in een bepaalde richting beweegt; in dit geval ontstaat er een kracht die werkt in een richting loodrecht op de eerste. Het apparaat vermijdt het gebruik van massieve zeilen, waarbij de drijvende kracht evenredig is met het zeiloppervlak." Wat is het verschil tussen het turbozeil van Cousteau en het roterende zeil van Flettner?

In dwarsdoorsnede is een turbozeil zoiets als een langwerpige druppel, afgerond vanaf het scherpe uiteinde. Aan de zijkanten van de "drop" bevinden zich luchtinlaatroosters, waardoor (afhankelijk van de noodzaak om naar voren of naar achteren te gaan) lucht wordt weggezogen. Voor de meest efficiënte windaanzuiging is een kleine, door een elektromotor aangedreven ventilator in de luchtinlaat op het turbozeil geïnstalleerd.

Het verhoogt kunstmatig de snelheid van de luchtbeweging vanaf de lijzijde van het zeil, waarbij de luchtstroom wordt aangezogen op het moment dat het zich losmaakt van het vlak van het turbozeil. Hierdoor ontstaat een vacuüm aan één zijde van het turbozeil en wordt de vorming van turbulente wervels voorkomen. En dan treedt het Magnus-effect in werking: verdunning aan één kant, als resultaat - een dwarskracht die het schip in beweging kan zetten. Eigenlijk is een turbozeil een verticaal geplaatste vliegtuigvleugel, althans het principe van het creëren van een voortstuwingskracht is vergelijkbaar met het principe van het creëren van een lift van een vliegtuig. Om ervoor te zorgen dat het turbozeil altijd in de meest voordelige richting naar de wind wordt gedraaid, is het uitgerust met speciale sensoren en op een draaischijf gemonteerd. Het patent van Cousteau houdt overigens in dat lucht uit de binnenkant van een turbozeil kan worden gezogen, niet alleen door een ventilator, maar bijvoorbeeld ook door een luchtpomp - zo sloot Cousteau de poort voor volgende "uitvinders".

Voor het eerst testte Cousteau in 1981 een prototype turbozeil op de Moulin à Vent-catamaran. De grootste geslaagde zeiltocht van de catamaran was een reis van Tanger (Marokko) naar New York onder begeleiding van een groter expeditieschip.

En in april 1985 werd in de haven van La Rochelle de Alcyone, het eerste volwaardige schip uitgerust met turbozeilen, te water gelaten. Nu is ze nog steeds in beweging en is vandaag het vlaggenschip (en eigenlijk het enige grote schip) van de Cousteau-vloot. De turbozeilen erop zijn niet de enige beweger, maar ze helpen de gebruikelijke koppeling van twee diesels en

verschillende schroeven (die trouwens het brandstofverbruik met ongeveer een derde verminderen). Als de grote oceanograaf nog had geleefd, zou hij waarschijnlijk nog meer soortgelijke schepen hebben gebouwd, maar het enthousiasme van zijn medewerkers na het vertrek van Cousteau nam merkbaar af.

Kort voor zijn dood in 1997 werkte Cousteau actief aan het project van het schip "Calypso II" met een turbozeil, maar slaagde er niet in om het te voltooien. Volgens de laatste gegevens lag "Alkiona" in de winter van 2011 in de haven van Caen en wachtte op een nieuwe expeditie.

En weer Flettner

Tegenwoordig worden er pogingen ondernomen om het idee van Flettner nieuw leven in te blazen en draaizeilen mainstream te maken. Het beroemde Hamburgse bedrijf Blohm + Voss begon bijvoorbeeld na de oliecrisis van 1973 met de actieve ontwikkeling van een roterende tanker, maar in 1986 verdoezelden economische factoren dit project. Dan was er een hele reeks amateurontwerpen.

In 2007 bouwden studenten van de Universiteit van Flensburg een catamaran aangedreven door een roterend zeil (Uni-cat Flensburg).

In 2010 verscheen het derde schip ooit met roterende zeilen - de zware vrachtwagen E-Ship 1, die werd gebouwd in opdracht van Enercon, een van de grootste fabrikanten van windturbines ter wereld. Op 6 juli 2010 ging het schip voor het eerst te water en maakte een korte reis van Emden naar Bremerhaven. En al in augustus ging hij op zijn eerste werkreis naar Ierland met een lading van negen windturbines. Het schip is uitgerust met vier Flettner-rotoren en natuurlijk een traditioneel voortstuwingssysteem in geval van rust en voor extra vermogen. Toch dienen roterende zeilen alleen als hulppropellers: voor een 130 meter lange vrachtwagen is hun vermogen niet voldoende om de juiste snelheid te ontwikkelen. De motoren zijn negen Mitsubishi-krachtcentrales en de rotoren worden aangedreven door een Siemens-stoomturbine die energie uit uitlaatgassen gebruikt. Draaizeilen zorgen voor 30 tot 40% brandstofbesparing bij 16 knopen.

Maar Cousteau's turbozeil blijft nog steeds in de vergetelheid: "Alcyone" is vandaag het enige schip op ware grootte met dit type voortstuwing. De ervaring van Duitse scheepsbouwers zal uitwijzen of het zin heeft om het thema zeilen op het Magnus-effect verder uit te werken. Het belangrijkste is om hiervoor een business case te vinden en de effectiviteit ervan aan te tonen. En daar, zie je, zal de hele wereldscheepvaart overgaan op het principe dat een getalenteerde Duitse wetenschapper meer dan 150 jaar geleden beschreef.

Op 2 augustus 2010 lanceerde 's werelds grootste fabrikant van windenergiecentrales Enercon een 130 meter lang roterend schip, 22 meter breed, dat later "E-Ship 1" werd genoemd, op de Lindenau-scheepswerf in Kiel. Daarna werd het met succes getest in de Noordzee en de Middellandse Zee en vervoert het momenteel windgeneratoren vanuit Duitsland, waar ze worden geproduceerd, naar andere Europese landen. Het ontwikkelt een snelheid van 17 knopen (32 km / h), vervoert tegelijkertijd meer dan 9000 ton vracht, de bemanning bestaat uit 15 personen.

De in Singapore gevestigde rederij Wind Again, een brandstof- en emissiereductietechnologie, biedt speciaal ontworpen Flettner-rotors (opvouwbaar) voor tankers en vrachtschepen. Ze zullen het brandstofverbruik met 30-40% verminderen en zullen hun vruchten afwerpen in 3-5 jaar.

Het Finse waterbouwbedrijf Wartsila is al van plan om turbozeilen op cruiseferries aan te passen. Dit komt door de wens van de Finse ferrymaatschappij Viking Line om het brandstofverbruik en de milieuvervuiling te verminderen.

Het gebruik van Flettner-rotoren op pleziervaartuigen wordt onderzocht door de Universiteit van Flensburg (Duitsland). Stijgende olieprijzen en alarmerende klimaatopwarming lijken gunstige voorwaarden voor de terugkeer van windturbines.