Эффект Магнуса

Эффект Магнуса при воздействии на вращающийся шар

Эффе́кт Ма́гнуса[1] — физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа. Образуется сила, воздействующая на тело и направленная перпендикулярно направлению потока. Это является результатом совместного воздействия таких физических явлений, как эффект Бернулли и образования пограничного слоя в среде вокруг обтекаемого объекта.

Вращающийся объект создаёт в среде вокруг себя вихревое движение. С одной стороны объекта направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и, соответственно, скорость движения среды с этой стороны увеличивается. С другой стороны объекта направление вихря противоположно направлению движения потока, и скорость движения среды уменьшается. Ввиду этой разности скоростей возникает разность давлений, порождающая поперечную силу от той стороны вращающегося тела, на которой направление вращения и направление потока противоположны, к той стороне, на которой эти направления совпадают.[2] Такое явление часто применяется в спорте, см., например, специальные удары: топ-спин и бэк-спин, сухой лист в футболе или система hop-up в страйкболе.

Эффект впервые описан немецким физиком Генрихом Магнусом в 1853 году.

Формула для расчёта силы

Идеальная жидкость

Даже если жидкость не обладает внутренним трением (вязкостью), можно рассчитать эффект подъёмной силы.

Пусть шар находится в потоке набегающей на него идеальной жидкости. Скорость потока на бесконечности (вблизи она, конечно, искажается) ${\displaystyle {\vec {u}}_{\infty }}$. Чтобы сымитировать вращение шара, введём циркуляцию скорости ${\displaystyle \Gamma }$ вокруг него. Исходя из закона Бернулли, можно получить, что полная сила, действующая в таком случае на шар, равна:

${\displaystyle {\vec {R}}=-\rho {\vec {\Gamma }}\times {\vec {u}}_{\infty }~.}$

Отсюда видно, что:

1. полная сила перпендикулярна потоку, то есть сила сопротивления потока идеальной жидкости, воздействующая на шар равна нулю (парадокс Даламбера);
2. сила, в зависимости от соотношения направлений циркуляции и скорости потока, сводится к подъёмной или опускающей силе (в предположении, что линия визирования направлена горизонтально).

Вязкая жидкость

Следующее уравнение описывает необходимые величины для подсчёта подъёмной силы, создаваемой вращением шара в реальной жидкости:

${\displaystyle {F}={1 \over 2}{\rho }{V^{2}AC_{l}}~,}$

где:

${\displaystyle F}$— подъёмная сила;

${\displaystyle \rho }$ — плотность жидкости;

${\displaystyle V}$— скорость шара относительно среды;

${\displaystyle A}$— поперечная площадь шара;

${\displaystyle {C_{l}}}$ — коэффициент подъёмной силы.

Коэффициент подъёмной силы может быть определён из графиков экспериментальных данных с использованием числа Рейнольдса и коэффициента вращения ((угловая скорость${\displaystyle \times }$диаметр)/(2${\displaystyle \times }$линейная скорость)). Для коэффициентов вращения от 0,5 до 4,5 коэффициент подъёмной силы находится в диапазоне от 0,2 до 0,6.

Применение

Ветрогенераторы

Ветрогенератор «воздушный ротор» представляет собой привязно́й аппарат, который поднимается гелием на высоту от 120 до 300 метров.[3]

Турбопаруса на кораблях

E-ship 1

С 1980-х годов эксплуатировалось судно Кусто Алсион со сложным турбопарусом, использующим эффект Магнуса.

С 2010 года эксплуатируется грузовое судно E-Ship 1 с более простыми роторными парусами Антона Флеттнера.

В 2017 году роторный парус, использующий эффект Магнуса, установлен на пароме Viking Grace[4].

Пневматика

Применяется в страйкболе в системах hop-up для увеличения дальности выстрела.

См. также

• Эффект Коанда

Примечания

1. Ма́гнуса эффе́кт : [арх. 15 июня 2024] // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
2. Магнуса эффект // Лилль — Маммалогия. — М. : Советская энциклопедия, 1938. — (Большая советская энциклопедия : [в 66 т.] / гл. ред. О. Ю. Шмидт ; 1926—1947, т. 37).
3. Странный корабль для ветра Архивная копия от 22 октября 2012 на Wayback Machine // altenerg.ru, 29.09.2009
4. Cruise ferry Viking Grace install turbosail for hybrid usage of wind power / Maritime Herald, January 27, 2017  (неопр.). Дата обращения: 20 апреля 2019. Архивировано 20 апреля 2019 года.

Литература

• Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль.» (журнал «Успехи физических наук» выпуск 1-2. 1925 г)
• Л. Прандтль. О движении жидкости при очень малом трении. — 1905.

Ссылки

• Почему в некоторых видах спорта мяч движется по «невероятным» траекториям? // elementy.ru
• Физика футбола // technicamolodezhi.ru
• RC KFC bucket aeroplane (magnus effect) на YouTube