Efek Magnus dan turbosail

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-10 21:24

Di Australia, fisikawan amatir telah mendemonstrasikan efek Magnus dalam aksi. Video eksperimen, yang diposting di hosting YouTube, telah ditonton lebih dari 9 juta kali.

Efek Magnus adalah fenomena fisik yang terjadi ketika aliran cairan atau gas mengalir di sekitar benda yang berputar. Ketika benda bulat terbang berputar di sekitarnya, lapisan udara di dekatnya mulai bersirkulasi. Akibatnya, dalam penerbangan, tubuh mengubah arah gerakannya.

Untuk percobaan, fisikawan amatir memilih bendungan setinggi 126,5 meter dan bola basket biasa. Pada awalnya, bola hanya dilemparkan ke bawah, terbang sejajar dengan bendungan dan mendarat di titik yang ditandai. Kedua kalinya, bola dijatuhkan, sedikit bergulir di sekitar porosnya. Bola terbang itu terbang di sepanjang lintasan yang tidak biasa, dengan jelas menunjukkan efek Magnus.

Efek Magnus menjelaskan mengapa dalam beberapa olahraga, seperti sepak bola, bola terbang dalam lintasan yang aneh. Contoh paling mencolok dari "abnormal" penerbangan bola bisa dilihat setelah tendangan bebas oleh pemain sepak bola Roberto Carlos selama 3 Juni 1997 pertandingan antara tim nasional Brasil dan Perancis.

Kapal berada di bawah layar turbo

Serial dokumenter terkenal "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" dibuat oleh ahli kelautan Prancis yang hebat pada 1960-an - 1970-an. Kapal utama Cousteau kemudian diubah dari kapal penyapu ranjau Inggris "Calypso". Tetapi di salah satu film berikutnya - "Penemuan Kembali Dunia" - kapal lain muncul, kapal pesiar "Alcyone".

Melihatnya, banyak pemirsa bertanya pada diri sendiri: pipa aneh apa yang dipasang di kapal pesiar?.. Mungkin itu pipa boiler atau sistem propulsi? Bayangkan keheranan Anda jika mengetahui bahwa ini adalah SAILS … turbosail …

Dana Cousteau memperoleh kapal pesiar "Alkion" pada tahun 1985, dan kapal ini tidak dianggap sebagai kapal penelitian, tetapi sebagai dasar untuk mempelajari efisiensi turbosail - sistem propulsi kapal asli. Dan ketika, 11 tahun kemudian, "Calypso" yang legendaris tenggelam, "Alkiona" menggantikannya sebagai kapal utama ekspedisi (omong-omong, hari ini "Calypso" diangkat dan dalam keadaan setengah dijarah di pelabuhan Concarneau).

Sebenarnya, turbosail ditemukan oleh Cousteau. Serta perlengkapan selam, piring bawah air dan banyak perangkat lainnya untuk menjelajahi kedalaman laut dan permukaan lautan. Idenya lahir pada awal 1980-an dan adalah untuk menciptakan sistem propulsi yang paling ramah lingkungan, tetapi pada saat yang sama nyaman dan modern untuk unggas air. Penggunaan tenaga angin tampaknya menjadi bidang penelitian yang paling menjanjikan. Tapi inilah nasib buruknya: umat manusia menemukan layar beberapa ribu tahun yang lalu, dan apa yang bisa lebih sederhana dan lebih logis?

Tentu saja, Cousteau dan perusahaannya mengerti bahwa tidak mungkin membangun kapal yang ditenagai secara eksklusif oleh layar. Lebih tepatnya, mungkin, tetapi performa berkendaranya akan sangat biasa-biasa saja dan bergantung pada keanehan cuaca dan arah angin. Oleh karena itu, awalnya direncanakan bahwa "layar" baru hanya akan menjadi kekuatan tambahan, yang berlaku untuk membantu mesin diesel konvensional. Pada saat yang sama, turbosail akan secara signifikan mengurangi konsumsi bahan bakar diesel, dan dalam angin kencang itu bisa menjadi satu-satunya penggerak kapal. Dan tampilan tim peneliti beralih ke masa lalu - penemuan insinyur Jerman Anton Flettner, perancang pesawat terkenal, yang memberikan kontribusi signifikan pada pembuatan kapal.

Rotor Flettner dan efek Magnus

Pada 16 September 1922, Anton Flettner menerima paten Jerman untuk apa yang disebut kapal putar. Dan pada Oktober 1924, kapal rotari eksperimental Buckau meninggalkan stok perusahaan pembuat kapal Friedrich Krupp di Kiel. Benar, sekunar itu tidak dibangun dari awal: sebelum pemasangan rotor Flettner, itu adalah kapal layar biasa.

Ide Flettner adalah menggunakan apa yang disebut efek Magnus, yang intinya adalah sebagai berikut: ketika aliran udara (atau cairan) mengalir di sekitar benda yang berputar, gaya yang dihasilkan tegak lurus terhadap arah aliran dan bekerja pada tubuh. Faktanya adalah bahwa objek yang berputar menciptakan gerakan pusaran di sekitarnya. Di sisi benda, di mana arah pusaran bertepatan dengan arah aliran cairan atau gas, kecepatan medium meningkat, dan di sisi yang berlawanan berkurang. Perbedaan tekanan dan menciptakan gaya geser yang diarahkan dari sisi di mana arah rotasi dan arah aliran berlawanan dengan sisi di mana mereka berimpit.

Efek ini ditemukan pada tahun 1852 oleh fisikawan Berlin Heinrich Magnus.

Efek Magnus

Insinyur dan penemu penerbangan Jerman Anton Flettner (1885-1961) turun dalam sejarah navigasi sebagai seorang pria yang mencoba menggantikan layar. Ia sempat melakukan perjalanan lama dengan kapal layar melintasi samudra Atlantik dan Hindia. Banyak layar dipasang di tiang kapal layar pada zaman itu. Peralatan berlayar mahal, kompleks, dan secara aerodinamis tidak terlalu efisien. Bahaya terus-menerus mengintai para pelaut yang, bahkan selama badai, harus berlayar pada ketinggian 40-50 meter.

Selama perjalanan, insinyur muda memiliki ide untuk mengganti layar, yang membutuhkan lebih banyak usaha, dengan perangkat yang lebih sederhana namun efektif, yang penggerak utamanya adalah angin. Merenungkan hal ini, ia mengingat eksperimen aerodinamis yang dilakukan oleh rekan senegaranya fisikawan Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Mereka menemukan bahwa ketika silinder berputar dalam aliran udara, gaya transversal muncul dengan arah tergantung pada arah rotasi silinder (efek Magnus).

Salah satu eksperimen klasiknya terlihat seperti ini: “Sebuah silinder kuningan dapat berputar di antara dua titik; rotasi cepat silinder diberikan, seperti di bagian atas, dengan tali.

Silinder berputar ditempatkan dalam bingkai, yang, pada gilirannya, dapat dengan mudah diputar. Semburan udara yang kuat dikirim ke sistem ini menggunakan pompa sentrifugal kecil. Silinder menyimpang ke arah tegak lurus terhadap aliran udara dan sumbu silinder, apalagi, ke arah dari mana arah rotasi dan jet adalah sama "(L. Prandtl" Efek Magnus dan Kapal Angin ", 1925).

A. Flettner segera berpikir bahwa layar dapat diganti dengan silinder berputar yang dipasang di kapal.

Ternyata di mana permukaan silinder bergerak melawan aliran udara, kecepatan angin berkurang dan tekanan meningkat. Di sisi lain silinder, kebalikannya benar - kecepatan aliran udara meningkat, dan tekanan berkurang. Perbedaan tekanan dari sisi yang berbeda dari silinder ini adalah kekuatan pendorong yang membuat kapal bergerak. Ini adalah prinsip dasar pengoperasian peralatan putar, yang menggunakan kekuatan angin untuk menggerakkan kapal. Semuanya sangat sederhana, tetapi hanya A. Flettner yang "tidak lewat", meskipun efek Magnus telah dikenal selama lebih dari setengah abad.

Dia mulai menerapkan rencana tersebut pada tahun 1923 di sebuah danau dekat Berlin. Sebenarnya, Flettner melakukan hal yang cukup sederhana. Dia memasang rotor-silinder kertas dengan tinggi sekitar satu meter dan diameter 15 cm pada kapal uji sepanjang satu meter, dan mengadaptasi mekanisme jam untuk memutarnya. Dan perahu itu berlayar.

Para kapten kapal layar mencemooh silinder A. Flettner, yang dengannya dia ingin mengganti layar. Penemu berhasil menarik perhatian para pecinta seni yang kaya dengan penemuannya. Pada tahun 1924, alih-alih tiga tiang, dua silinder rotor dipasang pada sekunar "Buckau" sepanjang 54 meter. Silinder ini ditenagai oleh generator diesel 45 hp.

Rotor Bucau digerakkan oleh motor listrik. Sebenarnya, tidak ada perbedaan dari eksperimen klasik Magnus dalam desain. Di sisi tempat rotor berputar melawan angin, area dengan tekanan tinggi dibuat, di sisi yang berlawanan, area bertekanan rendah. Gaya yang dihasilkan inilah yang mendorong kapal. Terlebih lagi, gaya ini sekitar 50 kali lebih besar daripada gaya tekanan angin pada rotor yang tidak bergerak!

Ini membuka prospek besar bagi Flettner. Antara lain, area rotor dan massanya beberapa kali lebih kecil dari area rig berlayar, yang akan memberikan kekuatan pendorong yang sama. Rotor jauh lebih mudah dikendalikan, dan pembuatannya cukup murah. Dari atas, Flettner menutupi rotor dengan bidang pelat - ini meningkatkan gaya penggerak sekitar dua kali lipat karena orientasi yang benar dari aliran udara relatif terhadap rotor. Tinggi optimal dan diameter rotor untuk "Bukau" dihitung dengan meniup model kapal masa depan di terowongan angin.

Rotor Flettner terbukti sangat baik. Tidak seperti kapal layar biasa, kapal putar praktis tidak takut cuaca buruk dan angin kencang, dapat dengan mudah berlayar dengan paku payung bolak-balik pada sudut 25º terhadap angin sakal (untuk layar normal, batasnya sekitar 45º). Dua rotor silinder (tinggi 13,1 m, diameter 1,5 m) memungkinkan untuk menyeimbangkan kapal dengan sempurna - ternyata lebih stabil daripada perahu layar yang Bukau sebelum restrukturisasi.

Pengujian dilakukan dalam cuaca tenang, dan dalam badai, dan dengan kelebihan beban yang disengaja - dan tidak ada kekurangan serius yang diidentifikasi. Yang paling menguntungkan untuk pergerakan kapal adalah arah angin persis tegak lurus terhadap sumbu kapal, dan arah gerakan (maju atau mundur) ditentukan oleh arah putaran rotor.

Pada pertengahan Februari 1925, sekunar Buckau, yang dilengkapi dengan baling-baling Flettner sebagai ganti layar, meninggalkan Danzig (sekarang Gdansk) menuju Skotlandia. Cuaca buruk dan sebagian besar perahu layar tidak berani meninggalkan pelabuhan. Di Laut Utara, Buckau harus menghadapi angin kencang dan ombak besar dengan serius, tetapi kecepatan sekunar di atas kapal lebih sedikit daripada perahu layar lain yang ditemui.

Selama pelayaran ini, tidak perlu memanggil awak kapal untuk berganti layar tergantung pada kekuatan atau arah angin. Satu navigator arloji sudah cukup, yang, tanpa meninggalkan ruang kemudi, dapat mengontrol aktivitas rotor. Sebelumnya, awak sekunar tiga tiang terdiri dari setidaknya 20 pelaut, setelah diubah menjadi kapal putar, 10 orang sudah cukup.

Pada tahun yang sama, galangan kapal meletakkan fondasi untuk kapal putar kedua - kapal kargo perkasa "Barbara", didorong oleh tiga rotor 17 meter. Pada saat yang sama, satu motor kecil dengan kapasitas hanya 35 hp sudah cukup untuk setiap rotor. (pada kecepatan putaran maksimum setiap rotor 160 rpm)! Daya dorong rotor setara dengan baling-baling yang digerakkan baling-baling yang digabungkan dengan mesin diesel kapal konvensional dengan kapasitas sekitar 1000 hp. Namun, mesin diesel juga tersedia di kapal: selain rotor, ia menggerakkan baling-baling (yang tetap menjadi satu-satunya perangkat penggerak jika cuaca tenang).

Eksperimen yang menjanjikan mendorong perusahaan pelayaran Rob. M. Sloman dari Hamburg untuk membangun kapal Barbara pada tahun 1926. Direncanakan sebelumnya untuk melengkapi turbosail - rotor Flettner. Pada kapal dengan panjang 90 m dan lebar 13 m, dipasang tiga buah rotor dengan ketinggian sekitar 17 m.

Barbara telah berhasil mengangkut buah dari Italia ke Hamburg untuk beberapa waktu, seperti yang direncanakan. Kira-kira 30–40% waktu pelayaran kapal itu berlayar karena adanya kekuatan angin. Dengan angin 4-6 poin "Barbara" mengembangkan kecepatan 13 knot.

Direncanakan untuk menguji kapal putar pada perjalanan yang lebih panjang di Samudra Atlantik.

Namun pada akhir 1920-an, Depresi Hebat melanda. Pada tahun 1929 perusahaan charter meninggalkan sewa lebih lanjut dari Barbara dan dijual. Pemilik baru melepas rotor dan memasang kembali kapal sesuai dengan skema tradisional. Namun, rotor hilang dari baling-baling sekrup dalam kombinasi dengan pembangkit listrik tenaga diesel konvensional karena ketergantungannya pada angin dan keterbatasan tertentu dalam daya dan kecepatan. Flettner beralih ke penelitian yang lebih maju, dan Baden-Baden akhirnya tenggelam saat badai di Karibia pada tahun 1931. Dan mereka lupa tentang layar putar untuk waktu yang lama …

Permulaan kapal putar, tampaknya, cukup berhasil, tetapi mereka tidak menerima pengembangan dan dilupakan untuk waktu yang lama. Mengapa? Pertama, "bapak" kapal putar A. Flettner terjun ke penciptaan helikopter dan tidak lagi tertarik pada transportasi laut. Kedua, terlepas dari semua kelebihannya, kapal putar tetap menjadi kapal layar dengan kelemahan bawaannya, yang utamanya adalah ketergantungan pada angin.

Rotor Flettner kembali tertarik pada tahun 80-an abad kedua puluh, ketika para ilmuwan mulai mengusulkan berbagai langkah untuk mengurangi pemanasan iklim, mengurangi polusi, dan penggunaan bahan bakar yang lebih rasional. Salah satu yang pertama mengingatnya adalah penjelajah Prancis Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Untuk menguji pengoperasian sistem turbosail dan mengurangi konsumsi bahan bakar, katamaran bertiang dua "Alcyone" (Alcyone adalah putri dewa angin Aeolus) diubah menjadi kapal putar. Setelah memulai perjalanan laut pada tahun 1985, ia melakukan perjalanan ke Kanada dan Amerika, mengitari Cape Horn, melewati Australia dan Indonesia, Madagaskar dan Afrika Selatan. Dia dipindahkan ke Laut Kaspia, di mana dia berlayar selama tiga bulan, melakukan berbagai penelitian. Alcyone masih menggunakan dua sistem propulsi yang berbeda - dua mesin diesel dan dua turbosail.

Cousteau berlayar turbo

Perahu layar dibangun sepanjang abad ke-20. Di kapal modern jenis ini, persenjataan berlayar dilipat dengan bantuan motor listrik, bahan baru memungkinkan untuk secara signifikan meringankan struktur. Tapi perahu layar adalah perahu layar, dan gagasan untuk menggunakan energi angin dengan cara baru yang radikal telah ada sejak zaman Flettner. Dan dia dijemput oleh petualang dan penjelajah yang tak kenal lelah Jacques-Yves Cousteau.

Pada tanggal 23 Desember 1986, setelah Alcyone yang disebutkan di awal artikel diluncurkan, Cousteau dan rekan-rekannya Lucien Malavar dan Bertrand Chalier menerima paten bersama No. US4630997 untuk "perangkat yang menciptakan kekuatan melalui penggunaan cairan atau gas yang bergerak.." Gambaran umum berbunyi sebagai berikut: “Perangkat ditempatkan di lingkungan yang bergerak ke arah tertentu; dalam hal ini, gaya muncul yang bekerja dalam arah tegak lurus terhadap yang pertama. Perangkat menghindari penggunaan layar besar, di mana kekuatan pendorong sebanding dengan luas layar. Apa perbedaan antara kapal layar turbo Cousteau dan layar putar Flettner?

Di penampang, turbosail adalah sesuatu seperti penurunan memanjang yang dibulatkan dari ujung yang tajam. Di sisi "jatuhkan" ada kisi-kisi asupan udara, melalui salah satunya (tergantung pada kebutuhan untuk bergerak maju atau mundur) udara dihisap. Untuk penyedotan angin yang paling efisien, kipas kecil yang digerakkan oleh motor listrik dipasang ke saluran masuk udara pada layar turbo.

Ini secara artifisial meningkatkan kecepatan pergerakan udara dari sisi bawah angin layar, menyedot aliran udara pada saat pemisahannya dari bidang layar turbo. Ini menciptakan ruang hampa di satu sisi turbosail sambil mencegah pembentukan pusaran turbulen. Dan kemudian efek Magnus bertindak: penghalusan di satu sisi, sebagai hasilnya - gaya melintang yang mampu membuat kapal bergerak. Sebenarnya turbosail adalah sayap pesawat yang berposisi vertikal, setidaknya prinsip menciptakan gaya dorong mirip dengan prinsip menciptakan gaya angkat pesawat. Untuk memastikan bahwa turbosail selalu diputar ke arah angin ke arah yang paling menguntungkan, ia dilengkapi dengan sensor khusus dan dipasang di meja putar. Omong-omong, paten Cousteau menyiratkan bahwa udara dapat disedot keluar dari bagian dalam layar turbo tidak hanya oleh kipas, tetapi juga, misalnya, oleh pompa udara - sehingga Cousteau menutup gerbang untuk "penemu" berikutnya.

Sebenarnya, untuk pertama kalinya, Cousteau menguji prototipe turbosail pada catamaran Moulin Vent pada tahun 1981. Pelayaran katamaran terbesar yang berhasil adalah perjalanan dari Tangier (Maroko) ke New York di bawah pengawasan kapal ekspedisi yang lebih besar.

Dan pada bulan April 1985, di pelabuhan La Rochelle, Alcyone, kapal penuh pertama yang dilengkapi dengan turbosail, diluncurkan. Sekarang dia masih bergerak dan hari ini adalah kapal utama (dan, pada kenyataannya, satu-satunya kapal besar) dari armada Cousteau. Layar turbo di atasnya bukan satu-satunya penggerak, tetapi mereka membantu kopling biasa dari dua mesin diesel dan

beberapa sekrup (yang, omong-omong, mengurangi konsumsi bahan bakar sekitar sepertiga). Jika ahli kelautan yang hebat itu masih hidup, dia mungkin akan membuat beberapa kapal serupa, tetapi antusiasme rekan-rekannya setelah kepergian Cousteau secara nyata berkurang.

Sesaat sebelum kematiannya pada tahun 1997, Cousteau aktif mengerjakan proyek kapal "Calypso II" dengan turbosail, tetapi tidak berhasil menyelesaikannya. Menurut data terbaru, pada musim dingin 2011, "Alkiona" berada di pelabuhan Caen dan sedang menunggu ekspedisi baru.

Dan lagi Flettner

Saat ini, upaya sedang dilakukan untuk menghidupkan kembali ide Flettner dan membuat layar putar menjadi arus utama. Misalnya, perusahaan Hamburg yang terkenal, Blohm + Voss, setelah krisis minyak tahun 1973, memulai pengembangan aktif kapal tanker putar, tetapi pada tahun 1986, faktor ekonomi menutupi proyek ini. Lalu ada serangkaian desain amatir.

Pada tahun 2007, mahasiswa di Universitas Flensburg membuat kapal katamaran yang digerakkan oleh layar putar (Uni-cat Flensburg).

Pada tahun 2010, kapal ketiga dengan layar putar muncul - truk berat E-Ship 1, yang dibangun atas perintah Enercon, salah satu produsen turbin angin terbesar di dunia. Pada tanggal 6 Juli 2010, kapal pertama kali diluncurkan dan melakukan perjalanan singkat dari Emden ke Bremerhaven. Dan sudah pada bulan Agustus, dia melakukan perjalanan kerja pertamanya ke Irlandia dengan memuat sembilan turbin angin. Kapal dilengkapi dengan empat rotor Flettner dan, tentu saja, sistem propulsi tradisional jika tenang dan untuk tenaga tambahan. Namun, layar putar hanya berfungsi sebagai baling-baling tambahan: untuk truk sepanjang 130 meter, kekuatannya tidak cukup untuk mengembangkan kecepatan yang tepat. Mesinnya adalah sembilan pembangkit listrik Mitsubishi, dan rotornya digerakkan oleh turbin uap Siemens yang menggunakan energi dari gas buang. Layar putar memberikan penghematan bahan bakar 30 hingga 40% pada kecepatan 16 knot.

Tapi turbosail Cousteau masih terlupakan: "Alcyone" hari ini adalah satu-satunya kapal ukuran penuh dengan jenis propulsi ini. Pengalaman pembuat kapal Jerman akan menunjukkan apakah masuk akal untuk mengembangkan lebih lanjut tema layar yang beroperasi pada efek Magnus. Hal utama adalah menemukan kasus bisnis untuk ini dan membuktikan keefektifannya. Dan di sana, Anda lihat, semua pelayaran dunia akan beralih ke prinsip yang dijelaskan oleh seorang ilmuwan Jerman yang berbakat lebih dari 150 tahun yang lalu.

Pada tanggal 2 Agustus 2010, produsen pembangkit listrik tenaga angin terbesar di dunia Enercon meluncurkan kapal putar 130 meter, lebar 22 m, yang kemudian diberi nama “E-Ship 1”, di galangan kapal Lindenau di Kiel. Kemudian berhasil diuji di Laut Utara dan Mediterania, dan saat ini mengangkut generator angin dari Jerman, tempat mereka diproduksi, ke negara-negara Eropa lainnya. Ini mengembangkan kecepatan 17 knot (32 km / jam), secara bersamaan mengangkut lebih dari 9 ribu ton kargo, awaknya adalah 15 orang.

Perusahaan pelayaran yang berbasis di Singapura, Wind Again, sebuah teknologi pengurangan bahan bakar dan emisi, menawarkan rotor Flettner yang dirancang khusus (dapat dilipat) untuk kapal tanker dan kapal kargo. Mereka akan mengurangi konsumsi bahan bakar sebesar 30-40% dan akan terbayar dalam 3-5 tahun.

Perusahaan teknik kelautan Finlandia, Wartsila, sudah berencana untuk mengadaptasi turbosail pada kapal feri pesiar. Hal ini disebabkan keinginan operator feri Finlandia Viking Line untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan pencemaran lingkungan.

Penggunaan rotor Flettner pada kapal pesiar sedang dipelajari oleh Universitas Flensburg (Jerman). Naiknya harga minyak dan pemanasan iklim yang mengkhawatirkan tampaknya menjadi kondisi yang menguntungkan bagi kembalinya turbin angin.