Magnuse efekt ja selle uskumatud rakendused. Magnuse efekti rakendamine ja selle hämmastavad omadused Magnuse efekti arvutamine

Pöörlev objekt tekitab seda ümbritsevas keskkonnas keerise. Objekti ühel küljel kattub keerise suund ümberringi voolava voolu suunaga ja vastavalt sellele suureneb keskkonna kiirus sellelt küljelt. Teisel pool objekti on keerise suund vastupidine voolu suunale ja keskkonna kiirus väheneb. Selle kiiruste erinevuse tõttu tekib rõhkude erinevus, mis tekitab põikjõu pöörleva keha küljelt, millel pöörlemissuund ja voolu suund on vastassuunas, sellele küljele, millel need suunad langevad kokku. Seda nähtust kasutatakse sageli spordis, vaata näiteks spetsiaalseid lööke: top spin, kuiv leht jalgpallis.

Seda efekti kirjeldas esmakordselt saksa füüsik Heinrich Magnus 1853. aastal.

Valem jõu arvutamiseks

Ideaalne vedelik

Isegi kui vedelikul puudub sisehõõrdumine (viskoossus), saab liftiefekti arvutada.

Lase pallil olla sellel jooksva ideaalse vedeliku voolus. Voolukiirus on lõpmatus (selle lähedal on muidugi moonutatud). Kuuli pöörlemise simuleerimiseks tutvustame selle ümber kiiruse tsirkulatsiooni. Bernoulli seaduse põhjal võib saada, et sel juhul kuulile mõjuv kogujõud on võrdne:

On selge, et:

1. kogujõud on vooluga risti, see tähendab, et ideaalse vedelikuvoolu tõmbejõud kuulile on null (d'Alemberti paradoks)
2. jõud, olenevalt tsirkulatsioonisuundade ja voolukiiruse suhtest, taandatakse tõste- või langetusjõuks.

viskoosne vedelik

Järgmine võrrand kirjeldab vajalikke suurusi, et arvutada palli pöörlemisel tekkiv tõstejõud reaalses vedelikus.

Tõstetegurit saab määrata katseandmete graafikutelt, kasutades Reynoldsi arvu ja pöörlemiskoefitsienti ((nurkkiirus*läbimõõt)/(2*joonekiirus)). Pöörlemissuhete puhul 0,5 kuni 4,5 on tõsteteguri vahemik 0,2 kuni 0,6.

Rakendus

Lingid

• Miks pall mõnel spordialal liigub "uskumatutel" trajektooridel? // elementy.ru
• Jalgpalli füüsika // technicamolodezhi.ru

Kirjandus

• L. Prandtl"Maguse efekt ja tuulelaev". (ajakiri "Uspekhi fizicheskikh nauk", number 1-2. 1925)
• L. Prandtl Väga vähese hõõrdumisega vedeliku liikumisel. - 1905.

Märkmed

Wikimedia sihtasutus. 2010 .

Vaadake, mis on "Magnuse efekt" teistes sõnaraamatutes:

Magnuse efekt- Magnuso reiškinys statusas T ala fizika vastavusmenys: engl. Magnuse efekt vok. Magnus Effect, m rus. Magnuse efekt, m; Magnuse ilmutus, n pranc. effet Magnus, m … Fizikos terminų žodynas

Magnuse efekt kokkupuutel pöörleva kuuliga Magnuse efekt on füüsikaline nähtus, mis tekib siis, kui vedelik või gaas voolab ümber pöörleva keha. Tekib jõud, mis mõjub kehale ja on suunatud voolusuunaga risti ... Wikipedia

magnuse efekt- Magnuse efekt. MAGNUSEMÕJU, selle ümber vedeliku- või gaasivoolus pöörlevale kehale mõjuva põikjõu Y tekkimine; alati suunatud pöörleva keha sellelt küljelt, millel pöörlemissuund ja voolu suund ... ... Illustreeritud entsüklopeediline sõnaraamat

magnuse efekt Entsüklopeedia "Lennundus"

magnuse efekt- Magnuse efekt. Magnuse efekt (nimetatud saksa teadlase G. G. Magnuse, G. G. Magnuse järgi) on põikjõu tekkimine, kui pöörleva keha ümber voolab homogeenne vedeliku või gaasi vool. See jõud on suunatud pöörleva keha sellele küljele... Entsüklopeedia "Lennundus"

Selle ümber voolavas vedeliku- või gaasivoolus pöörlevale kehale mõjuva põikjõu Y tekkimine; Y on suunatud sellele küljele, kus voolukiiruse suund υ ja keha pöörlemissuund langevad kokku. Avastas G. G. Magnus 1852. aastal. * * *… … entsüklopeediline sõnaraamat

Sellele langeva vedeliku (gaasi) voolus pöörlevale kehale mõjuva põikjõu tekkimine; talle avatud. teadlase G. G. Magnuse poolt aastal 1852. Näiteks kui pöörlev lõpmatult pikk ringikujuline silinder voolab ümber keerisevaba ... Füüsiline entsüklopeedia

- (nimetatud saksa teadlase G. G. Magnuse, G. G. Magnuse järgi) põikjõu tekkimine, kui pöörleva keha ümber voolab homogeenne vedeliku või gaasi vool. See jõud on suunatud pöörleva keha sellele küljele, millel pöörlemissuunad ja ... ... Tehnoloogia entsüklopeedia

Selle ümber voolavas vedeliku- või gaasivoolus pöörlevale kehale mõjuva põikjõu Y tekkimine; Y on suunatud sellele küljele, kus voolukiirus v ja keha pöörlemine langevad kokku. Avastas G. G. Magnus 1852. aastal ... Suur entsüklopeediline sõnaraamat

Jõud, mis mõjub silindrilisele kehale (rootorile) selle pöörlemisel liikuvas vedelikus või gaasis (näiteks tuulega õhus) ja tekib rõhuerinevuse tõttu. See jõud on risti kandja liikumissuunaga (meie näites ... ... meresõnastik

Kõik on näinud, kuidas jalgpallis või tennises lendab pall mööda uskumatut trajektoori. Miks see juhtub? Ma ei mäleta kooli õppekavast, et nad meile sellest räägiksid ja me nimetasime seda alati lihtsalt "väänatuks". Kuid ikkagi, milline jõud paneb lendavat palli siksakke kirjeldama?

Nüüd saame kõik teada...

Selle efekti avastas saksa füüsik Heinrich Magnus 1853. aastal. Nähtuse olemus seisneb selles, et pall tekitab pöörlemise ajal enda ümber õhu keerise. Objekti ühel küljel kattub keerise suund ümberringi voolava voolu suunaga ja keskkonna kiirus sellelt küljelt suureneb. Teisel pool objekti on keerise suund vastupidine voolu suunale ja keskkonna kiirus väheneb. See kiiruse erinevus tekitab külgsuunalise jõu, mis muudab lennutrajektoori. Nähtust kasutatakse sageli spordis, näiteks erilöögid: top spin, dry sheet jalgpallis või Hop-Up süsteem airsoftis.

Magnuse efekt on selles videos hästi näidatud. Kõrgelt vertikaalselt alla visatud korvpall, mis sai pöörlema, muudab trajektoori ja lendab mõnda aega horisontaalselt.

Magnuse efekti on demonstreeritud Austraalia tammil. Korvpall lasti algul temalt lihtsalt maha, lendas peaaegu otse alla ja maandus ettenähtud kohta. Seejärel visati pall tammilt teist korda, seda kergelt väänades (muide, jalgpallurid puutuvad “keerdunud” pallide serveerimisel sageli kokku Magnuse efektiga). Sel juhul käitus objekt ebatavaliselt. YouTube'i hostimisse postitati füüsilist nähtust demonstreeriv video, mis kogus vaid paari päevaga üle 9 miljoni vaatamise ja ligi 1,5 tuhande kommentaari.

Riis. 1 1 — piirkiht

Translatsiooniliselt (mittepöörlev) suhtelise kiirusega V0 liikuv silinder voolab ümber laminaarse voolu, mis ei ole keeris (joonis 1b).

Kui silinder pöörleb ja liigub samaaegselt edasi, siis kaks seda ümbritsevat voolu kattuvad ja tekitavad selle ümber tekkinud voolu (joonis 1c).

Kui silinder pöörleb, liigub ka vedelik. Liikumine piirkihis on keeris; see koosneb potentsiaalsest liikumisest, mille peal on pöörlemine. Silindri ülaosas langeb voolu suund kokku silindri pöörlemissuunaga ja allosas on see vastupidine. Silindri peal olevas piirkihis olevad osakesed kiirendatakse voolu toimel, mis takistab piirkihi eraldumist. Altpoolt aeglustab vool liikumist piirkihis, mis aitab kaasa selle eraldamisele. Piirkihi eraldunud osad kantakse vooluga minema keeriste kujul. Selle tulemusena toimub silindri ümber kiiruse tsirkulatsioon samas suunas, milles silinder pöörleb. Bernoulli seaduse kohaselt on vedeliku rõhk silindri ülaosas väiksem kui põhjas. Selle tulemuseks on vertikaalne jõud, mida nimetatakse tõstmiseks. Kui silindri pöörlemissuund on vastupidine, pöörab ka tõstejõud suunda.

Magnuse efekti korral on jõud F all risti voolukiirusega V0. Selle jõu suuna leidmiseks peate vektorit kiiruse V0 suhtes pöörama 90 ° silindri pöörlemisele vastupidises suunas.

Magnuse efekti saab jälgida katses, kus kerge silinder veereb mööda kaldtasandit alla.

Rullilindri skeem

Pärast kaldtasapinnast alla veeremist ei liigu silindri massikese mitte mööda parabooli, nagu liiguks materiaalne punkt, vaid mööda kaldtasandi alla kulgevat kõverat.

Kui asendame pöörleva silindri keerise (pöörleva vedelikusamba) intensiivsusega J=2Sw, siis Magnuse jõud on sama. Seega mõjub liikuvale keerisele jõud, mis on risti suhtelise kiirusega V0 ja mis on suunatud ülaltoodud vektori pöörlemisreegliga määratud küljele ümbritseva vedeliku küljelt.

Magnuse efektis on omavahel seotud: voolu suund ja kiirus, suund ja nurkkiirus, suund ja sellest tulenev jõud. Vastavalt sellele saab mõõta ja kasutada jõudu või mõõta voolu ja nurkkiirust.

Tulemuse sõltuvus mõjust on järgmisel kujul (Žukovski-Kutta valem):

kus J on liikumise intensiivsus ümber silindri;

r on vedeliku tihedus;

V0 - suhteline voolukiirus.

Piirangud füüsilise mõju ilmingutele: vedeliku (gaasi) laminaarse voolu tagamine objekti kohal ülespoole suunatud tõstejõuga.

Seda efekti kirjeldas esmakordselt saksa füüsik Heinrich Magnus 1853. aastal.

Ta õppis füüsikat ja keemiat 6 aastat – algul Berliini ülikoolis, seejärel veel aasta (1828) Stockholmis, Jons Berzeliuse laboris ning hiljem Pariisis Gay-Lussaci ja Tenardi juures. 1831. aastal kutsuti Magnus Berliini ülikooli füüsika- ja tehnikaõppejõuks, seejärel oli ta kuni 1869. aastani füüsikaprofessor. 1840. aastal valiti Magnus Berliini Akadeemia liikmeks, aastast 1854 oli ta Peterburi Teaduste Akadeemia korrespondentliige.

Magnus töötas kogu elu väsimatult kõige erinevamate füüsika ja keemia küsimuste kallal. Veel üliõpilasena (1825) avaldas ta oma esimese töö metallipulbrite iseenesliku põlemise kohta ning 1828. aastal avastas ta endanimelise plaatinasoola (PtCl 2NH3). 1827-33 tegeles peamiselt keemiaga, seejärel töötas füüsika alal. Neist tuntuimad on uurimused gaaside imendumise kohta vere kaudu (1837-45), kuumutamisel tekkivate gaaside paisumise kohta (1841-44), veeauru ja vesilahuste elastsuse kohta (1844-54), termoelektrilisus (1851), elektrolüüs (1856) , voolude induktsioon (1858-61), gaaside soojusjuhtivus (1860), kiirgussoojuse polarisatsioon (1866-68) ja gaaside kütteväärtuse küsimus (alates 1861).

Mitte vähem kuulus pole Magnus õpetajana; tema laborist tuli välja suurem osa väljapaistvaid kaasaegseid saksa füüsikuid ja seal töötasid ka mõned vene teadlased.

P. MANTASHYAN.

Jätkame P. N. Mantashyani artikli “Pöörised: molekulist galaktikani” ajakirja versiooni avaldamist (vt “Teadus ja elu nr.”). räägime tornaadodest ja tornaadodest - tohutu hävitava jõuga looduslikest moodustistest, mille tekkemehhanism pole siiani päris selge.

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Joonis Ameerika füüsiku Benjamin Franklini raamatust, mis selgitab tornaadode esinemise mehhanismi.

Kulgur Spirit avastas, et Marsi haruldases atmosfääris tekivad tornaadod, ja filmis need. Pilt NASA veebisaidilt.

Ameerika Ühendriikide ja Hiina lõunaosa tasandikel esinevad hiiglaslikud keeristormid ja tornaadod on hirmuäratav ja väga ohtlik nähtus.

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Tornaado võib äikesepilve peal puhates ulatuda kilomeetri kõrguseni.

Tornaado merel tõstab ja tõmbab koos mereelustikuga sisse kümneid tonne vett ning võib murda ja uputada väikese laeva. Purjelaevade ajastul üritati tornaadot hävitada kahuritest tulistades.

Pildil on selgelt näha, et tornaado pöörleb, keerledes õhku, tolmu ja vihmavett spiraalselt.

Kansas City linn, mille võimas tornaado muutis varemeteks.

Taifuunile mõjuvad jõud passaattuulevoolus.

Ampere'i seadus.

Coriolis sunnib plaadimängijat.

Magnuse efekt laual ja õhus.

Õhu keerislist liikumist ei täheldata mitte ainult taifuunides. Seal on taifuunist suuremad keeristormid – need on tsüklonid ja antitsüklonid, planeedi suurimad õhukeerised. Need on palju suuremad kui taifuunid ja nende läbimõõt võib ulatuda üle tuhande kilomeetri. Teatud mõttes on need antipoodaalsed keerised: neil on peaaegu vastupidine. Põhja- ja lõunapoolkera tsüklonid pöörlevad nende poolkerade taifuunidega samas suunas ja antitsüklonid vastupidises suunas. Tsüklon toob endaga kaasa halva ilma, millega kaasnevad sademed, antitsüklon aga selge, päikesepaistelise ilma. Tsükloni tekkimise skeem on üsna lihtne – kõik saab alguse külma ja sooja atmosfäärifrondi koosmõjust. Samal ajal tungib osa soojast atmosfäärifrondist omalaadse atmosfääri “keele” kujul külma frondi sisse, mille tulemusena hakkab soe kergem õhk tõusma ning toimub kaks protsessi. Esiteks hakkavad Maa magnetvälja mõjul olevad veeauru molekulid pöörlema ​​ja kaasavad pöörlevasse liikumisse kogu tõusva õhu, moodustades hiiglasliku õhukeerise (vt "Teadus ja elu" nr.). Teiseks, ülaosas olev soe õhk jahtub ja selles olev veeaur kondenseerub pilvedeks, mis langevad sademetena vihma, rahe või lumena. Selline tsüklon võib ilma rikkuda mitme päeva kuni kahe kuni kolme nädala jooksul. Selle "elutegevust" toetab uute niiske sooja õhu portsjonite sissevool ja selle koostoime külma õhufrondiga.

Antitsükloneid seostatakse õhumasside alanemisega, mis samal ajal soojenevad adiabaatiliselt, st ilma keskkonnaga soojusvahetuseta nende suhteline õhuniiskus langeb, mis viib olemasolevate pilvede aurustumiseni. Samal ajal toimub veemolekulide interaktsiooni tõttu Maa magnetväljaga õhu antitsüklonaalne pöörlemine: põhjapoolkeral - päripäeva, lõunapoolkeral - vastu. Antitsüklonid toovad endaga kaasa stabiilse ilma mitme päeva kuni kahe kuni kolme nädala jooksul.

Ilmselt on tsüklonite, antitsüklonite ja taifuunide tekkemehhanismid identsed ning taifuunide erienergia intensiivsus (energia massiühiku kohta) on palju suurem kui tsüklonitel ja antitsüklonitel, seda ainult päikeseenergiaga soojendatavate õhumasside kõrgema temperatuuri tõttu. kiirgus.

Tornaadod

Kõigist looduses tekkivatest pööristest on tornaadod kõige salapärasem, tegelikult on äikesepilve osa. Esialgu on tornaado esimesel etapil pöörlemine nähtav ainult äikesepilve alumises osas. Seejärel ripub osa sellest pilvest alla hiiglasliku lehtri kujul, mis aina pikeneb ja jõuab lõpuks maa või vee pinnale. Pilve otsas ripub justkui hiiglaslik pagasiruum, mis koosneb sisemisest õõnsusest ja seintest. Tornaado kõrgus ulatub sadadest meetritest kilomeetrini ja on reeglina võrdne kaugusega pilve põhjast maapinnani. Sisemise õõnsuse iseloomulik tunnus on selles oleva õhu vähendatud rõhk. See tornaado omadus toob kaasa asjaolu, et tornaado õõnsus toimib omamoodi pumbana, mis suudab tõmmata merest või järvest tohutul hulgal vett ning koos loomade ja taimedega neid märkimisväärsete vahemaade taha liigutada ja ümber lükata. see vihmaga maha. Tornaado on võimeline kandma ka üsna suuri koormaid – autosid, kärusid, kerglaevu, väikseid ehitisi ja mõnikord isegi inimesi. Tornaadol on hiiglaslik hävitav jõud. Kokkupuutel hoonete, sildade, elektriliinide ja muu infrastruktuuriga põhjustab see neile suurt hävingut.

Tornaadodel on maksimaalne erienergia intensiivsus, mis on võrdeline keerise õhuvoolu kiiruse ruuduga. Meteoroloogilise klassifikatsiooni järgi, kui tuule kiirus suletud keerises ei ületa 17 m/s, nimetatakse seda troopiliseks lohuks, kui tuule kiirus ei ületa 33 m/s, siis on tegemist troopilise tormiga ja kui tuule kiirus on alates 34 m/s ja üle selle siis on taifuun. Võimsates taifuunides võib tuule kiirus ületada 60 m/s. Tornaados võib erinevate autorite hinnangul õhukiirus ulatuda 100–200 m/s (mõned autorid viitavad ülehelikiirusele tornaados – üle 340 m/s). Õhuvoolu kiiruse otsene mõõtmine tornaadodes on praegusel tehnoloogia arengutasemel praktiliselt võimatu. Kõik seadmed, mis on mõeldud tornaado parameetrite fikseerimiseks, purunevad nende poolt esimesel kokkupuutel halastamatult. Tornaadode voogude kiirust hinnatakse kaudsete märkide järgi, peamiselt nende tekitatud hävingu või veetavate kaupade kaalu järgi. Lisaks on klassikalise tornaado eripäraks arenenud äikesepilve olemasolu, omamoodi elektriaku, mis suurendab tornaado spetsiifilist energiaintensiivsust. Tornaado tekkimise ja arengu mehhanismi mõistmiseks vaatleme esmalt äikesepilve struktuuri.

TORMIPILV

Tüüpilises äikesepilves on ülemine laetud positiivne ja põhi negatiivselt laetud. See tähendab, et õhus, mida toetavad tõusvad voolud, hõljub mitme kilomeetri pikkune hiiglaslik elektrikondensaator. Sellise kondensaatori olemasolu toob kaasa asjaolu, et maa või vee pinnal, mille kohal pilv asub, ilmub selle elektriline jälg - indutseeritud elektrilaeng, millel on pilve aluse laengule vastupidine märk, see tähendab, et maa pind on positiivselt laetud.

Muide, indutseeritud elektrilaengu tekitamise kogemust saab teha kodus. Puista laua pinnale väikesed paberitükid, kammi kuivad juuksed plastkammiga ja vii kamm kuhjatud paberitükkide lähedale. Kõik nad tormavad lauast eemaldudes kammi juurde ja jäävad sellest kinni. Selle lihtsa katse tulemust selgitatakse väga lihtsalt. Kamm sai juuste vastu hõõrdumise tagajärjel elektrilaengu ning paberil kutsub see esile vastupidise märgiga laengu, mis tõmbab paberitükid täielikult Coulombi seaduse järgi kammi külge.

Arenenud rünksajupilve aluse lähedal on võimas ülespoole suunatud niiskusest küllastunud õhuvool. Lisaks dipoolvee molekulidele, mis hakkavad Maa magnetväljas pöörlema, kandes impulssi üle neutraalsetele õhumolekulidele, kaasates neid pöörlemisse, on ülesvoolus positiivsed ioonid ja vabad elektronid. Need võivad tekkida molekulide kokkupuutel päikesekiirgusega, piirkonna loodusliku radioaktiivse fooni ja äikesepilve korral äikesepilve aluse ja maapinna vahelise elektrivälja energia tõttu (pidage meeles indutseeritud elektrilaeng!). Muide, tänu indutseeritud positiivsele laengule maapinnal ületab positiivsete ioonide arv tõusvas õhuvoolus oluliselt negatiivsete ioonide arvu. Kõik need laetud osakesed sööstavad tõusva õhuvoolu toimel äikesepilve alusele. Positiivsete ja negatiivsete osakeste vertikaalsed kiirused elektriväljas on aga erinevad. Väljatugevust saab hinnata pilve aluse ja maapinna potentsiaalide erinevuse järgi - teadlaste mõõtmiste järgi on see mitukümmend miljonit volti, mis äikesepilve aluse kõrgusega üks kuni kaks kilomeetrit, annab elektrivälja tugevuseks kümneid tuhandeid volte meetri kohta. See väli kiirendab positiivseid ioone ja aeglustab negatiivseid ioone ja elektrone. Seetõttu läbib ülespoole suunatud voolu ristlõike ajaühikus rohkem positiivseid laenguid kui negatiivseid. Ehk siis maapinna ja pilve aluse vahele tekib elektrivool, kuigi õigem oleks rääkida tohutust hulgast elementaarvooludest, mis ühendavad maapinda pilve alusega. Kõik need voolud on paralleelsed ja voolavad samas suunas.

Selge on see, et Ampère’i seaduse järgi nad suhtlevad omavahel, nimelt tõmbavad nad ligi. Füüsika kursusest on teada, et kahe samas suunas voolava elektrivoolu ühiku pikkuse juhtme vastastikuse tõmbejõud on võrdeline nende voolude jõudude korrutisega ja pöördvõrdeline juhtide vahelise kaugusega. .

Kahe elektrijuhi külgetõmbejõud on tingitud Lorentzi jõududest. Iga juhi sees liikuvaid elektrone mõjutab kõrvaljuhis oleva elektrivoolu tekitatud magnetväli. Neid mõjutab Lorentzi jõud, mis on suunatud piki juhtide keskpunkte ühendavat sirgjoont. Kuid vastastikuse külgetõmbejõu tekkimiseks on juhtide olemasolu täiesti vabatahtlik - piisab vooludest endast. Näiteks kaks puhkeolekus sama elektrilaenguga osakest tõrjuvad teineteist Coulombi seaduse järgi, kuid samas suunas liikuvad samad osakesed tõmbavad teineteist seni, kuni tõmbe- ja tõukejõud tasakaalustavad teineteist. On lihtne näha, et tasakaaluasendis olevate osakeste vaheline kaugus sõltub ainult nende kiirusest.

Elektrivoolude vastastikuse külgetõmbe tõttu tormavad laetud osakesed äikesepilve keskmesse, suheldes teel elektriliselt neutraalsete molekulidega ning liigutades neid ka äikesepilve keskmesse. Tõusva voolu ristlõikepindala väheneb mitu korda ja kuna vool pöörleb, siis vastavalt impulsi jäävuse seadusele selle nurkkiirus suureneb. Ülesvooluga juhtub sama, mis iluuisutajaga, kes väljasirutatud kätega jääl keerledes surub need oma kehale, mistõttu tema pöörlemiskiirus kasvab järsult (õpikunäide füüsikaõpikutest, et me saab televiisorist vaadata!). Selline õhu pöörlemiskiiruse järsk tõus tornaados koos selle läbimõõdu samaaegse vähenemisega toob kaasa tuule lineaarse kiiruse suurenemise, mis, nagu eespool mainitud, võib isegi helikiirust ületada.

Just äikesepilve olemasolu, mille elektriväli eraldab laetud osakesed märgiliselt, viib selleni, et tornaados ületavad õhuvoolude kiirused taifuuni õhuvoolude kiirused. Piltlikult öeldes toimib äikesepilv omamoodi "elektriläätsena", mille fookusesse koondub niiske õhu ülesvoolu energia, mis viib tornaado esilekerkimiseni.

VÄIKE KERIS

On ka keerised, mille tekkemehhanism ei ole kuidagi seotud dipoolvee molekuli pöörlemisega magnetväljas. Nende hulgas on kõige levinumad tolmupöörised. Need on moodustunud kõrbes, steppides ja mägipiirkondades. Suuruse poolest jäävad nad klassikalistele tornaadodele alla, nende kõrgus on umbes 100–150 meetrit ja läbimõõt mitu meetrit. Tolmukeeriste tekkeks on vajalik tingimus kõrb, hästi soojendatud tasandik. Pärast moodustumist eksisteerib selline keeris üsna lühikest aega, 10-20 minutit, liikudes kogu selle aja tuule mõjul. Hoolimata asjaolust, et kõrbeõhk praktiliselt ei sisalda niiskust, tagab selle pöörleva liikumise elementaarlaengute koostoime Maa magnetväljaga. Päikese poolt tugevalt soojendatud tasandiku kohal tekib võimas tõusev õhuvool, mille osa molekule päikesekiirguse mõjul ja eriti selle ultraviolettosa on ioniseerunud. Päikesekiirguse footonid löövad õhuaatomite välistest elektronkihtidest välja elektronid, moodustades nii positiivsete ioonide ja vabade elektronide paarid. Tulenevalt asjaolust, et elektronidel ja positiivsetel ioonidel on võrdsete laengutega oluliselt erinev mass, on nende panus keerise nurkimpulsi tekkesse erinev ning tolmupöörise pöörlemissuund on määratud positiivse pöörlemissuunaga. ioonid. Selline pöörlev kuiva õhu sammas tõstab oma liikumise ajal kõrbe pinnalt tolmu, liiva ja väikeseid veerisid, mis iseenesest ei mängi tolmuse keeristormide tekkemehhanismis mingit rolli, vaid on omamoodi indikaator. õhu pöörlemisest.

Kirjanduses kirjeldatakse ka õhukeerist, üsna haruldast loodusnähtust. Need esinevad päeva kuumal ajal jõgede või järvede kallastel. Selliste keeriste eluiga on lühike, nad tekivad ootamatult ja sama ootamatult kaovad. Ilmselt aitavad nende tekkele kaasa nii veemolekulid kui ka päikesekiirguse toimel soojas ja niiskes õhus tekkinud ioonid.

Palju ohtlikumad on veepöörised, mille tekkemehhanism on sarnane. Kirjeldus on säilinud: „Juulis 1949 tõusis Washingtoni osariigis soojal päikesepaistelisel päeval pilvitu taevaga järve pinnale kõrge pritsmevee sammas. See eksisteeris vaid mõne minuti, kuid sellel oli märkimisväärne tõstejõud. Jõe kaldale lähenedes tõstis ta üsna raske, umbes nelja meetri pikkuse mootorpaadi, nihutas seda mitukümmend meetrit ja vastu maad põrutades murdis selle tükkideks. Veekeerised on enim levinud seal, kus veepind on päikese poolt tugevalt kuumutatud – troopilistes ja subtroopilistes vööndites.

Suurte tulekahjude korral võib tekkida õhukeeris. Selliseid juhtumeid on kirjanduses kirjeldatud, esitame neist ühe. „Veel 1840. aastal raiuti Ameerika Ühendriikides metsi põldude jaoks. Suurele lagendikule oli kuhjatud tohutul hulgal võsa, oksi ja puid. Need pandi põlema. Mõne aja pärast tõmbusid üksikute lõkete leegid kokku, moodustades tulise samba, alt lai, pealt teritatud, 50–60 meetri kõrgune. Veel kõrgemal andis tuli teed suitsule, mis tõusis kõrgele taevasse. Tulesuitsu keeristorm pöörles hämmastava kiirusega. Majesteetliku ja hirmuäratava vaatepildiga kaasnes vali müra, mis meenutas äikest. Pöörise tugevus oli nii suur, et see tõusis õhku ja paiskas kõrvale suured puud.

Mõelge tulise tornaado moodustumise protsessile. Puidu põletamisel eraldub soojust, mis osaliselt muundub kuumutatud õhu ülesvoolu kineetiliseks energiaks. Põlemisel toimub aga teine ​​protsess - õhu ja põlemisproduktide ionisatsioon.

kütust. Ja kuigi üldiselt on kuumutatud õhk ja kütuse põlemissaadused elektriliselt neutraalsed, tekivad leegis positiivselt laetud ioonid ja vabad elektronid. Ioniseeritud õhu liikumine Maa magnetväljas viib paratamatult tulise tornaado tekkeni.

Tahaksin märkida, et õhu keerisliikumine ei toimu ainult suurte tulekahjude ajal. D.V.Nalivkin esitab oma raamatus Tornaadod küsimusi: „Oleme juba rohkem kui korra rääkinud madalamõõtmeliste keeristega seotud mõistatustest, püüdnud mõista, miks kõik keerised keerlevad? Küsimusi on ka teisi. Miks põhu põlemisel kuumutatud õhk ei tõuse sirgjooneliselt, vaid spiraalselt ja hakkab pöörlema. Kuum õhk käitub samamoodi kõrbes. Miks see lihtsalt ilma tolmuta üles ei lähe? Sama juhtub udu ja pihustiga, kui kuum õhk pühib üle veepinna.

On vulkaanipursete ajal tekkivaid pööriseid, neid vaadeldi näiteks Vesuuvi kohal. Kirjanduses nimetatakse neid tuhapööristeks – vulkaani poolt purskanud tuhapilved osalevad keerise liikumises. Selliste keeristormide tekkemehhanism on üldiselt sarnane tulepööriste tekkemehhanismiga.

Vaatame nüüd, millised jõud meie Maa rahutus atmosfääris taifuunidele mõjuvad.

CORIOLISE JÕUD

Inertsiaalne jõud, mida nimetatakse Coriolise jõuks, mõjub kehale, mis liigub pöörlevas tugisüsteemis, näiteks pöörleva ketta või kuuli pinnal. Selle jõu määrab vektorkorrutis (valemite nummerdamine algab artikli esimesest osast)

F K = 2M[ VΩ], (20)

kus M- kehamass; V - keha kiiruse vektor; Ω - võrdlussüsteemi pöörlemise nurkkiiruse vektor, maakera puhul - Maa pöörlemise nurkkiirus ja [VΩ] - nende vektorkorrutis, mis skalaarkujul näeb välja järgmine:

F l \u003d 2M | v | | Ω | sin α, kus α on vektorite vaheline nurk.

Maakera pinnal liikuva keha kiiruse saab jagada kaheks komponendiks. Üks neist asub palli puutuja tasapinnal kohas, kus keha asub, ehk teisisõnu kiiruse horisontaalses komponendis: teine, vertikaalne komponent, on selle tasapinnaga risti. Kehale mõjuv Coriolise jõud on võrdeline selle asukoha geograafilise laiuskraadi siinusega. Mööda meridiaani mis tahes suunas põhjapoolkeral liikuvat keha mõjutab liikumisel paremale suunatud Coriolise jõud. Just see jõud paneb põhjapoolkera jõgede paremkaldad minema uhtuma, sõltumata sellest, kas need voolavad põhja või lõunasse. Lõunapoolkeral suunatakse liikumisel sama jõud vasakule ja meridionaalses suunas voolavad jõed uhuvad ära vasakkaldad. Geograafias nimetatakse seda nähtust Baeri seaduseks. Kui jõesäng ei ole meridionaalse suunaga joondatud, on Coriolise jõud väiksem jõe voolusuuna ja meridiaani vahelise nurga koosinuse võrra.

Peaaegu kõik taifuunide, tornaadode, tsüklonite ja igasuguste keeristormide tekkele ning nende edasisele liikumisele pühendatud uuringud näitavad, et Coriolise jõud on nende esinemise algpõhjus ja just tema määrab trajektoori. nende liikumisest Maa pinnal. Kui aga Coriolise jõud osaleks tornaadode, taifuunide ja tsüklonite loomises, oleks neil põhjapoolkeral parempööre - päripäeva ja lõunaosas - vasakule, see tähendab vastu. Kuid põhjapoolkera taifuunid, tornaadod ja tsüklonid pöörlevad vasakule, vastupäeva, ja lõunapoolkera - paremale, päripäeva. See ei vasta absoluutselt Coriolise jõu mõju suunale, pealegi on see sellele otse vastupidine. Nagu juba mainitud, on Coriolise jõu suurus võrdeline geograafilise laiuskraadi siinusega ja on seetõttu maksimaalne poolustel ja puudub ekvaatoril. Järelikult, kui see aitaks kaasa erineva ulatusega pööriste tekkele, ilmuksid need kõige sagedamini polaarsetel laiuskraadidel, mis on täiesti vastuolus olemasolevate andmetega.

Seega tõestab ülaltoodud analüüs veenvalt, et Coriolise jõul pole midagi pistmist taifuunide, tornaadode, tsüklonite ja kõikvõimalike keeristormide tekkega, mille tekkemehhanismidest on juttu eelmistes peatükkides.

Arvatakse, et Coriolise jõud määrab nende trajektoorid, eriti kuna põhjapoolkeral kalduvad taifuunid meteoroloogiliste moodustistena liikumise ajal täpselt paremale ja lõunapoolkeral täpselt vasakule, mis vastab Coriolise jõu suund nendel poolkeradel. Näib, et taifuunide trajektooride kõrvalekaldumise põhjus on leitud - see on Coriolise jõud, kuid ärgem kiirustagem järeldustega. Nagu eespool mainitud, kui taifuun liigub mööda Maa pinda, mõjutab seda kui ühte objekti Coriolise jõud, mis on võrdne:

F c = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

kus θ on taifuuni geograafiline laiuskraad; α on nurk taifuuni kui terviku kiirusvektori ja meridiaani vahel.

Taifuuni trajektooride kõrvalekaldumise tõelise põhjuse väljaselgitamiseks proovime määrata taifuunile mõjuva Coriolise jõu väärtust ja võrrelda seda teise, nagu nüüd näeme, reaalsema jõuga.

MAGNUSE JÕUD

Pasaattuule poolt liigutatud taifuunile avaldab mõju jõud, mida autorile teadaolevalt ei ole selles kontekstis veel ükski uurija käsitlenud. See on taifuuni kui ühe objekti koosmõju jõud õhuvooluga, mis seda taifuuni liigutab. Kui vaadata joonist, mis kujutab taifuunide trajektoore, siis on näha, et need liiguvad idast läände pidevalt puhuvate troopiliste tuulte ehk passaattuulte mõjul, mis tekivad maakera pöörlemise tõttu. Samas ei kanna pasaattuul taifuuni ainult idast läände. Kõige olulisem on see, et pasaattuules mõjub taifuunile jõud, mis tuleneb taifuuni enda õhuvoolude vastasmõjust passaattuule õhuvooluga.

Sellele langeva vedeliku või gaasi voolus pöörlevale kehale mõjuva põikjõu tekkimise mõju avastas Saksa teadlane G. Magnus 1852. aastal. See väljendub selles, et kui pöörlev ringsilinder voolab ümber oma teljega risti oleva irrotatsioonilise (laminaarse) voolu, siis silindri selles osas, kus selle pinna joonkiirus on vastupidine vastutuleva voolu kiirusele, tekib tekib suurenenud rõhu piirkond. Ja vastasküljel, kus pinna lineaarkiiruse suund langeb kokku läheneva voolu kiirusega, on madala rõhuga ala. Rõhu erinevus silindri vastaskülgedel toob kaasa Magnuse jõu tekkimise.

Leiutajad on teinud katseid Magnuse jõudu kasutada. Projekteeriti, patenteeriti ja ehitati laev, millele paigaldati purjede asemel vertikaalsed mootoritega pöörlevad silindrid. Selliste pöörlevate silindriliste "purjede" kasutegur ületas kohati isegi tavaliste purjede efektiivsust. Magnuse efekti kasutavad ka jalgpallurid, kes teavad, et kui anda pallile löömisel pöörlev liikumine, muutub selle lennutrajektoor kõverjooneliseks. Sellise löögiga, mida nimetatakse "kuivaks leheks", saate palli vastase väravasse saata peaaegu jalgpalliväljaku nurgast, mis on väravaga ühel joonel. Löögi korral väänavad palli võrkpallurid, tennisistid ja pingpongi mängijad. Kõikidel juhtudel tekitab keerleva palli liikumine mööda keerulist trajektoori vastasele palju probleeme.

Tulgem siiski tagasi pasaattuule liigutatud taifuuni juurde.

Pasaattuuled, stabiilsed õhuvoolud (puhuvad pidevalt üle kümne kuu aastas) ookeanide troopilistel laiuskraadidel katavad 11 protsenti nende pindalast põhjapoolkeral ja kuni 20 protsenti lõunapoolkeral. Pasaattuulte põhisuund on idast läände, kuid 1-2 kilomeetri kõrgusel lisanduvad neile ekvaatori poole puhuvad meridionaalsed tuuled. Selle tulemusena liiguvad põhjapoolkeral pasaattuuled edelasse ja lõunasse.

Loode poole. Pasaattuuled said eurooplastele tuntuks pärast Kolumbuse esimest ekspeditsiooni (1492–1493), mil selle osalejaid hämmastas tugevate kirdetuulte stabiilsus, mis kandis karavelle Hispaania rannikult läbi Atlandi ookeani troopiliste piirkondade.

Taifuuni hiiglaslikust massist võib mõelda kui pasaattuules pöörlevast silindrist. Nagu juba mainitud, pöörlevad nad lõunapoolkeral päripäeva ja vastupäeva põhjapoolkeral. Seetõttu kalduvad nii põhja- kui ka lõunapoolkeral esinevad taifuunid vastasmõju tõttu võimsa passaattuule vooluga ekvaatorist eemale - vastavalt põhja ja lõunasse. Nende liikumise sellist iseloomu kinnitavad hästi meteoroloogide tähelepanekud.

(Järgneb lõpp.)

Ampere'i seadus

1920. aastal avastas prantsuse füüsik Henre Marie Ampère eksperimentaalselt uue nähtuse – kahe juhi koosmõju vooluga. Selgus, et kaks paralleelset juhti tõmbavad või tõrjuvad sõltuvalt neis oleva voolu suunast. Juhtmed kalduvad lähenema üksteisele, kui voolud voolavad samas suunas (paralleelselt), ja eemalduvad üksteisest, kui voolud liiguvad vastassuundades (anti-paralleelsed). Ampere suutis seda nähtust õigesti seletada: toimub voolude magnetväljade vastastikmõju, mis on määratud "kinnituse reegliga". Kui rõngas on sisse keeratud voolu I suunas, näitab selle käepideme liikumine magnetvälja joonte H suunda.

Kaks paralleelselt lendavat laetud osakest moodustavad samuti elektrivoolu. Seetõttu nende trajektoorid lähenevad või lahknevad sõltuvalt osakeste laengu märgist ja liikumise suunast.

Tugeva vooluga elektripoolide (solenoidide) projekteerimisel tuleb arvestada juhtide vastasmõju - nende pöördeid läbivad paralleelsed voolud tekitavad suuri jõude, mis suruvad pooli kokku. On juhtumeid, kus torust valmistatud piksevarras muutus pärast pikselöögi silindriks: seda suruvad välklambilahendusvoolu magnetväljad kokku sadade kiloampritese jõuga.

Ampère'i seaduse alusel määratakse voolutugevuse standardühik SI-s - amper (A). Riigistandard "Füüsikaliste suuruste ühikud" määratleb:

"Amper võrdub voolu tugevusega, mis kahe paralleelse lõpmatu pikkusega ja tühise ristlõikepindalaga sirgjoonelise juhtme läbimisel, mis asuvad vaakumis üksteisest 1 m kaugusel, tekitaks vastasmõjujõu, mis on võrdne kuni 2 . 10–7 N".

Üksikasjad uudishimulikele

MAGNUSE JA CORIOLISE JÕUD

Võrrelgem Magnuse ja Coriolise jõudude mõju taifuunile, esitades selle esmase lähendusena pöörleva õhusilindri kujul, mille ümber voolab passaat. Sellisele silindrile mõjuv Magnuse jõud on võrdne:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

kus D on taifuuni läbimõõt; ρ on passaattuule õhutihedus; H on selle kõrgus; V n > - õhu kiirus pasaattuules; V t - lineaarne õhukiirus taifuunis. Lihtsate teisendustega saame

Fм = R 2 HρωV n , - (23)

kus R on taifuuni raadius; ω on taifuuni nurkkiirus.

Eeldades esimeses lähenduses, et pasaattuule õhutihedus on võrdne õhu tihedusega taifuunis, saame

M t \u003d R 2 Hρ, - (24)

kus M t on taifuuni mass.

Siis saab (19) kirjutada kui

F m \u003d M t ωV p – (25)

või F m \u003d M t V p V t / R. (26)

Jagades Magnuse jõu avaldise Coriolise jõu avaldisega (17), saame

F m / F k \u003d M t V p V t / 2RMV p Ω sinθ cosα (27)

või F m / F k \u003d V t / 2RΩ sinθ cosα (28)

Arvestades, et rahvusvahelise klassifikatsiooni järgi loetakse troopilist tsüklonit taifuuniks, mille puhul tuule kiirus ületab 34 m/s, võtame oma arvutustes selle väikseima arvu. Kuna taifuunide tekkeks kõige soodsam geograafiline laiuskraad on 16 o, siis võtame θ = 16 o ja kuna kohe pärast taifuunide tekkimist liiguvad peaaegu mööda laiuskraade, siis võtame α = 80 o. Keskmise suurusega taifuuni raadius on 150 kilomeetrit. Asendades kõik andmed valemisse, saame

F m / F k \u003d 205. (29)

Teisisõnu, Magnuse jõud ületab Coriolise jõud kakssada korda! Seega on selge, et Coriolise jõul pole midagi pistmist mitte ainult taifuuni loomise protsessiga, vaid ka selle trajektoori muutmisega.

Pasaattuules tekkivat taifuuni mõjutavad kaks jõudu - eelmainitud Magnuse jõud ja pasaattuule aerodünaamiline survejõud taifuunile, mille saab leida lihtsast võrrandist

F d \u003d KRHρV 2 p, - (30)

kus K on taifuuni õhutakistustegur.

On lihtne näha, et taifuuni liikumise määrab resultantjõu mõju, mis on Magnuse jõudude ja aerodünaamilise rõhu summa, mis mõjub õhu liikumise suuna suhtes p nurga all. passaattuul. Selle nurga puutuja on leitav võrrandist

tgβ = F m /F d. (31)

Asendades avaldised (26) ja (30) avaldisteks (31), saame pärast lihtsaid teisendusi

tgβ = V t /KV p, (32)

On selge, et taifuunile mõjuv jõud F p puutub kokku selle trajektooriga ja kui on teada pasaattuule suund ja kiirus, siis on võimalik seda jõudu konkreetse taifuuni jaoks piisava täpsusega arvutada. määrates seega kindlaks selle edasise trajektoori, mis minimeerib nende tekitatavat kahju. Taifuuni trajektoori saab ennustada samm-sammult ja tekkiva jõu tõenäoline suund tuleb arvutada selle trajektoori igas punktis.

Vektorkujul näeb avaldis (25) välja järgmine:

F m = M [ωV n ]. (33)

On lihtne näha, et Magnuse jõudu kirjeldav valem on struktuurilt identne Lorentzi jõu valemiga:

F l = q .

Neid valemeid võrreldes ja analüüsides märkame, et valemite struktuurne sarnasus on piisavalt sügav. Seega mõlema vektorkorrutise (M& #969; ja q V) iseloomustavad objektide parameetreid (taifuun ja elementaarosake) ning õigeid osi ( V n ja B) - keskkonnad (passaadituule kiirus ja magnetvälja induktsioon).

Fizpraktik

CORIOLIS SUUNDAB MÄNGIJAT

Pöörlevas koordinaatsüsteemis, näiteks maakera pinnal, Newtoni seadused ei täitu – selline koordinaatsüsteem on mitteinertsiaalne. Selles ilmneb täiendav inertsjõud, mis sõltub keha joonkiirusest ja süsteemi nurkkiirusest. See on risti keha trajektooriga (ja selle kiirusega) ja seda nimetatakse Coriolise jõuks prantsuse mehaaniku Gustave Gaspard Coriolise (1792-1843) järgi, kes selle lisajõu selgitas ja arvutas. Jõud on suunatud nii, et kiirusvektoriga kokku langemiseks tuleb seda pöörata süsteemi pöörlemissuunas täisnurga all.

Kuidas Coriolise jõud elektrilise plaadimängija abil “töötab”, saab näha kaks lihtsat katset seadistades. Nende teostamiseks lõigake paksust paberist või papist ring välja ja asetage see kettale. See toimib pöörleva koordinaatsüsteemina. Teeme kohe märkuse: mängija ketas pöörleb päripäeva ja Maa - vastu. Seetõttu suunatakse meie mudeli jõud vastupidises suunas, kui need, mida täheldatakse Maal meie poolkeral.

1. Asetage kaks virna raamatuid mängija kõrvale, selle plaadi kohale. Asetage joonlaud või sirge riba raamatutele nii, et selle üks serv langeb ketta läbimõõdule. Kui fikseeritud kettaga tõmmatakse pehme pliiatsiga piki riba selle keskelt servani, siis on see loomulikult sirge. Kui me nüüd käivitame mängija ja tõmbame mööda riba pliiatsiga, siis joonistab see kõverjoonelise trajektoori vasakule, täielikult kooskõlas G. Coriolise arvutatud seadusega.

2. Ehitage raamatuvirnadest slaid ja liimige sellele kleeplindiga paks paberisoon, mis on orienteeritud piki ketta läbimõõtu. Kui veeretate väikese palli mööda renni fikseeritud kettale, veereb see mööda läbimõõtu. Ja pöörleval kettal hakkab see vasakule minema (muidugi, kui hõõrdumine selle veeremise ajal pole väike).

Fizpraktik

MAGNUSE MÕJU LAUAL JA ÕHUS

1. Liimige paksust paberist väike silinder. Asetage raamatuvirn laua serva lähedale ja ühendage see laua servaga. Kui paberisilinder veereb saadud liugurilt alla, võime mõistlikult eeldada, et see liigub mööda parabooli lauast eemale. Selle asemel aga painutab silinder trajektoori järsult teises suunas ja lendab laua alla!

Selle paradoksaalne käitumine on täiesti arusaadav, kui meenutame Bernoulli seadust: mida madalamaks muutub siserõhk gaasi- või vedelikuvoolus, seda suurem on voolukiirus. Just selle nähtuse alusel töötab näiteks pihustuspüstol: kõrgem atmosfäärirõhk pressib vedeliku alandatud rõhuga õhuvooluks.

Huvitaval kombel järgivad mingil määral ka inimvoolud Bernoulli seadust. Metroos eskalaatori sissepääsu juures, kus liiklus on raskendatud, kogunevad inimesed tihedasse, tugevalt kokkusurutud rahvamassi. Ja kiiresti liikuval eskalaatoril seisavad nad vabalt - "siserõhk" reisijate voolus langeb.

Kui silinder langeb, jätkates pöörlemist, lahutatakse vastutuleva õhuvoolu kiirusest selle parema külje kiirus ja sellele lisatakse vasaku külje kiirus. Suhteline õhuvoolu kiirus silindrist vasakul on suurem ja rõhk selles madalam kui paremal. Rõhu erinevus muudab silindri järsult oma trajektoori ja lendab laua alla.

Coriolise ja Magnuse seadusi arvestatakse rakettide väljalaskmisel, pikkade vahemaade täpsel laskmisel, turbiinide, güroskoopide jms arvutamisel.

2. Mähi paberisilindrit mitu korda paberi või tekstiilteibiga. Kui nüüd lindi otsast järsult tõmmata, kerib see silindri lahti ja annab samal ajal translatsiooniliigutuse. Selle tulemusena lendab silinder Magnuse jõudude mõjul, kirjeldades õhus surnud silmuseid.

Animatsioon

Kirjeldus

Magnuse efekt on kehale langeva vedeliku või gaasi voolus pöörlevale kehale mõjuva tõstejõu tekkimine.

Pöörlev tahke silinder moodustab viskoosse vedeliku või gaasi piiramatu massiga keerise (joonis 1a) intensiivsusega:

J = 2S w ,

kus S on silindri pindala;

w on silindri pöörlemise nurkkiirus.

Magnuse efekti skeem

Riis. üks

1 - piirkiht

Translatsiooniliselt (mittepöörlev) suhtelise kiirusega V 0 liikuv silinder voolab ümber laminaarse voolu, mis ei ole keeris (joonis 1b).

Kui silinder pöörleb ja liigub samaaegselt edasi, siis kaks seda ümbritsevat voolu kattuvad ja tekitavad selle ümber tekkinud voolu (joonis 1c).

Kui silinder pöörleb, liigub ka vedelik. Liikumine piirkihis on keeris; see koosneb potentsiaalsest liikumisest, mille peal on pöörlemine. Silindri ülaosas langeb voolu suund kokku silindri pöörlemissuunaga ja allosas on see vastupidine. Silindri peal olevas piirkihis olevad osakesed kiirendatakse voolu toimel, mis takistab piirkihi eraldumist. Altpoolt aeglustab vool liikumist piirkihis, mis aitab kaasa selle eraldamisele. Piirkihi eraldunud osad kantakse vooluga minema keeriste kujul. Selle tulemusena toimub silindri ümber kiiruse tsirkulatsioon samas suunas, milles silinder pöörleb. Bernoulli seaduse kohaselt on vedeliku rõhk silindri ülaosas väiksem kui põhjas. Selle tulemuseks on vertikaalne jõud, mida nimetatakse tõstmiseks. Kui silindri pöörlemissuund on vastupidine, pöörab ka tõstejõud suunda.

Magnuse efekti korral on jõud F all risti voolukiirusega V 0 . Selle jõu suuna leidmiseks peate vektorit kiiruse V 0 suhtes pöörama 90 ° silindri pöörlemisele vastupidises suunas.

Magnuse efekti saab jälgida katses, kus kerge silinder veereb mööda kaldtasapinda alla (joonis 2).

Rullilindri skeem

Riis. 2

Pärast kaldtasapinnast alla veeremist ei liigu silindri massikese mitte mööda parabooli, nagu liiguks materiaalne punkt, vaid mööda kaldtasandi alla kulgevat kõverat.

Kui asendada pöörlev silinder keerise (pöörleva vedelikusamba) intensiivsusega J=2S w, siis Magnuse jõud on sama. Seega mõjub liikuvale keerisele jõud, mis on risti suhtelise liikumiskiirusega V 0 ja mis on suunatud ülaltoodud vektori pöörlemisreegliga määratud küljele ümbritseva vedeliku küljelt.

Magnuse efektis on omavahel seotud: voolu suund ja kiirus, suund ja nurkkiirus, suund ja sellest tulenev jõud. Vastavalt sellele saab mõõta ja kasutada jõudu või mõõta voolu ja nurkkiirust.

Tulemuse sõltuvus mõjust on järgmisel kujul (Žukovski-Kutta valem):

F R = J r V 0,

kus J on liikumise intensiivsus ümber silindri;

r on vedeliku tihedus;

V 0 - suhteline voolukiirus.

Piirangud füüsilise mõju ilmingutele: vedeliku (gaasi) laminaarse voolu tagamine objekti kohal ülespoole suunatud tõstejõuga.

Füüsiline mõju avaldub revolutsiooni kehadel.

Ajastus

Algusaeg (logi kuni -3 kuni -1);

eluiga (log tc vahemikus -1 kuni 9);

Lagunemisaeg (log td -3 kuni -1);

Optimaalne arendusaeg (log tk 0 kuni 6).

Diagramm:

Efekti tehnilised teostused

Kere pöörleb teljel, mille laagrid on varustatud radiaalkoormuse anduritega tekkiva tõstejõu mõõtmiseks (joon. 3).

Pöörlev keha, mis pöörleb vastutulevas vedelikuvoolus

Riis. 3

Nimetused:

1 - pöörlev keha;

2 - vastutulev vool;

w - pöörlemissagedus;

V on osakeste kiirus voolus;

F on Magnuse tugevus.

Voolukiirust ja pöörlemissagedust muutes saab sisu järgi kontrollida põhivalemi kehtivust.

Efekti rakendamine

Füüsikalist efekti kasutatakse hüdroaeromehaanikas, tehnoloogilistes protsessides ainete eraldamisel fraktsioonideks jne.

Magnuse efekti kasutatakse ebahomogeense vedela keskkonna eraldamiseks kergeteks ja rasketeks fraktsioonideks. Ebahomogeenne vedel keskkond, nagu pärmisuspensioon, allutatakse tsentrifugaal- ja gravitatsiooniväljadele, näiteks plaatseparaatoris. Selle toimingu käigus juhitakse eraldatava keskkonna vool näiteks pumba rõhu all läbi separaatori, millel on jaotusvõrk mitme paralleelse hõõrdekihi kujul, mille kiirused suurenevad. järjest ühest kihist teise.

Külgnevate kihtide liikumiskiiruste erinevus tekitab suhtelise nurkkiiruse üle 5000 rad/s. Selle tulemusena suunatakse suure fraktsiooniga osakesed pöörlevale liikumisele. Selle tulemusena aeglustub altpoolt ümber osakese voolava vedeliku piirkihi voolukiirus, ülevalt aga kiireneb. Kiiruste erinevus põhjustab survejõudude erinevust, s.t. hüdrodünaamiline tõstejõud, mis mõjub osakestele ristisuunas altpoolt (seisva vedeliku kihtide küljelt) ülespoole kuni suurenevate kiiruste piirkonda.

Kirjandus

1. Ultraheli / Toim. I.P. Golyamina.- M.: Nõukogude entsüklopeedia, 1979.

2. Brehhovskih L.M., Gontšarov V.V. Sissejuhatus kontiinummehaanikasse.- M.: Nauka, 1982.

3.Kivimite anisotroopia karakteristikute akustopolarisatsiooni mõõtmised (juhendid). Apatiit, 1985.

Märksõnad

• keeris
• ringlus
• ringi voolata
• silinder
• pöörlemine
• nurkkiirus
• tõstejõud

Loodusteaduste sektsioonid:

Magnuse efekt seisneb selles, et pöörlev silinder tekitab seda ümbritsevas ruumis keerise. Õhu liikumise kiirus pöörleva silindri ümber on erinev, seega on erinev ka rõhk, mis tekitab kasutatava jõu.

Efekti avamine

Heinrich Gustav Magnus

Saksa füüsik ja keemik Heinrich Gustav Magnus märkas 1850. aastatel, et kui õhk liigub läbi pöörleva objekti, näiteks palli, tekib külgjõud.

Jõudu rakendatakse järgmiselt:

Kui pall ei pöörle, voolab õhk sellest otse mööda, venides otse palli taha nagu komeedi saba. Kui pöörate pöörleva palli pinda, siis see tõmbab õhku endaga kaasa. Pööramine suunab palli kõrvale nurga all, mis on lähemal palli küljele, mis pöörleb vastutulevasse õhku.

Tänu Isaac Newtoni kolmandale seadusele peab igal tegevusel olema võrdne ja vastupidine reaktsioon, mistõttu deformeeriv laine lükkab kuuli vastassuunas, palli poole, mis pöördub vastutulevast õhust ära.

Magnuse jõu kasutamine

20. sajandi alguses tegid teadlased ettepaneku kasutada laevade edasiliikumiseks Magnuse efekti.

Saksa insener Anton Flettner asendas kuunari 420 ruutmeetri suuruse purje kahe 15-meetrise terasest purjerootoriga, mida keeras väike mootor. Flettner näitas, et purjerootori ümber puhuv tuul tekitas purjerootori külgedele jõu, mis lükkas laeva edasi. 1926. aastal ületas laev Atlandi ookeani. Rootormootoriga purjelaevadest huvitatud investoreid Flettneril siiski leida ei õnnestunud. Toona olid kütusehinnad lihtsalt liiga madalad ja laevale ei kehtinud keskkonnaeeskirjad.

Hiljem kasutatud Taani firmale Maersk kuulunud tankeril ja reisilaeval. Need laevad on oma tekkidel varustatud pöörlevate silindritega. Vertikaalselt paigaldatud umbes 10 korruse kõrgusele võivad need rootorpurjed vähendada kütusekulu kuni 10%. Transpordifirma säästis sadu tuhandeid dollareid. Lisaks paraneb keskkond tänu süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamisele atmosfääri ühe reisi kohta.

Purjerootor töötab Magnuse efektina tuntud aerodünaamika põhimõttel.

Tänapäeval veetakse üle 90% kaupadest üle ookeani ja Hiina Shanghai sadam saadab aastas 36 miljonit konteinerit. Kaubandus rikub keskkonda, rikub: enamik laevu põletab kütteõli, eraldab süsihappegaasi, samuti tahma- ja väävliühendeid, mis soodustavad happevihmade tekkimist.

Uus energiatõhusus

Kaasaegsed laevad on välja töötanud algsel Magnuse efektil põhineva rootorpurje, kasutades kaasaegseid materjale nagu süsinik- ja klaaskiud, mis on vähendanud kaalu kolm korda. See tähendab, et rootori pööramiseks kulub vähem energiat, mille tulemuseks on tõhusam jõusüsteem.

Samuti on välja töötatud tarkvara, mis reguleerib maksimaalse kiiruse saavutamiseks rootori pöörlemiskiirust mitmesaja pöördeni minutis.

Tehnika peab olema ohutu ka siis, kui liikumine peatub ja järele jääb vaid vastupanujõud. Ja et vastupanujõud on ilmselt palju väiksemad, kui laeva kere läbi vee liikudes kogeb ja laevade ümbermineku ohtu pole.

Rootorpurjed on üldiselt tõhusad, kui sõidavad kiirusega umbes 10 sõlme kiiremini kui 18 kilomeetrit tunnis ja puhuvad vähemalt 20° laeva vööri suunas. Selliseid tingimusi kohtab sageli Vaikse ookeani põhjaosas ja Atlandi ookeani põhjaosas laevateedel.

Erinevalt algsest Magnuse efektist on rootorpurjede uuemad versioonid mõeldud vaid lisajõu andmiseks, mitte laevamootori täielikuks asendamiseks.

Katsed viidi läbi ka kaubalaeval, mis transpordib sõidu- ja veoautosid Hollandi ja Ühendkuningriigi vahel. Kahe 18-meetrise rootorpurje lisamisel kulus laev 6% vähem kütust. Rootor on paigaldatud ka naftatankerile ja reisireisilaevale. Konteinerlaevad ei sobi pöörlevate purjede jaoks, kuna nende tekid on konteinereid täis.

Aeg näitab, kas see uus vana avastus ja leiutis on edukas. Kuid uute materjalidega saab probleemi lahendada ja palju Magnuse efekti kasutavaid kauba- ja reisilaevu pole veel näha.