Efekt Magnusa - Magnus effect

Efekt Magnusa, przedstawiony za pomocą wirującego wstecznego cylindra lub piłki w strumieniu powietrza. Strzałka przedstawia wynikową siłę podnoszenia. Kręcone linie przepływu reprezentują turbulentny ślad. Strumień powietrza został odchylony w kierunku wirowania.
Efekt Magnusa: siła skierowana w dół na cylinder z rotacją górną
Efekt Magnusa. Podczas gdy rura obraca się, w wyniku tarcia płynu, ciągnie wokół siebie powietrze. Powoduje to, że powietrze przepływa z większą prędkością po jednej stronie rury, a wolniej po drugiej stronie.
Efekt Magnusa w płynie 2D dysków twardych

Efekt Magnusa jest obserwowalnym zjawiskiem, które jest powszechnie kojarzone z wirującym obiektem poruszającym się w płynie . Ścieżka wirującego obiektu jest odchylana w sposób, który nie występuje, gdy obiekt się nie kręci. Odchylenie można wytłumaczyć różnicą ciśnienia płynu po przeciwnych stronach wirującego przedmiotu. Efekt Magnusa jest zależny od prędkości obrotu.

Najłatwiej zaobserwować przypadek efektu Magnusa, gdy wirująca kula (lub cylinder) zakrzywia się od łuku, za którym podążałaby, gdyby się nie obracała. Jest często używany przez graczy w piłkę nożną i siatkówkę, miotaczy baseballowych i kręgle krykieta. W związku z tym zjawisko to jest ważne w badaniach fizyki wielu sportów piłkarskich . Jest to również ważny czynnik w badaniu wpływu wirowania na kierowane pociski rakietowe — i ma pewne zastosowania inżynieryjne, na przykład w projektowaniu statków z wirnikami i samolotów Flettner .

Topspin w grach z piłką definiuje się jako rotację wokół poziomej osi prostopadłej do kierunku ruchu, która przesuwa górną powierzchnię piłki w kierunku ruchu. Pod wpływem efektu Magnusa, rotacja górna powoduje zboczenie w dół poruszającej się piłki, większe niż byłoby to wywołane samą grawitacją. Backspin wytwarza siłę w górę, która przedłuża lot poruszającej się piłki. Podobnie side-spin powoduje skręcanie w obie strony, co widać podczas niektórych boisk baseballowych, np . slider . Ogólne zachowanie jest podobne do tego wokół płata (patrz siła nośna ), ale z cyrkulacją generowaną przez obrót mechaniczny, a nie przez działanie płata.

Efekt Magnusa nosi imię Heinricha Gustava Magnusa , niemieckiego fizyka, który go badał. Siła działająca na obracający się cylinder jest znana jako winda Kutta-Joukowskiego , od nazwiska Martina Kutty i Nikołaja Żukowskiego (lub Joukowskiego), którzy jako pierwsi przeanalizowali ten efekt.

Fizyka

Intuicyjne rozumienie tego zjawiska pochodzi z trzeciego prawa Newtona, że ​​siła odchylająca działająca na ciało jest reakcją na odchylanie, jakie ciało wywiera na przepływ powietrza. Ciało „popycha” powietrze w jednym kierunku, a powietrze popycha ciało w drugim. W szczególności sile nośnej towarzyszy ugięcie strumienia powietrza w dół. Jest to kątowe ugięcie przepływu płynu za ciałem.

Lyman Briggs wykonał badanie w tunelu aerodynamicznym efektu Magnusa na piłkach baseballowych, a inni stworzyli obrazy tego efektu. Badania pokazują, że turbulentny ślad za wirującą kulą powoduje opór aerodynamiczny, a ponadto występuje zauważalne odchylenie kątowe w śladzie, i to w kierunku wirowania.

Proces, w którym turbulentny ślad rozwija się za ciałem w strumieniu powietrza, jest złożony, ale dobrze zbadany pod względem aerodynamiki. W pewnym momencie cienka warstwa graniczna odrywa się (" oddzielenie przepływu ") od ciała i tam zaczyna się rozwijać kilwater. Sama warstwa graniczna może być turbulentna lub nie, co ma znaczący wpływ na formowanie się przebudzenia. Dość niewielkie zmiany stanu powierzchni ciała mogą wpływać na początek formowania się śladu, a tym samym mieć wyraźny wpływ na schemat przepływu w dole. Tego rodzaju jest wpływ rotacji ciała.

Mówi się, że sam Magnus błędnie postulował teoretyczny efekt z przepływem laminarnym na skutek tarcia skóry i lepkości jako przyczyny efektu Magnusa. Takie efekty są fizycznie możliwe, ale nieznaczne w porównaniu do tego, co jest wytwarzane we właściwym efekcie Magnusa. W niektórych okolicznościach przyczyny efektu Magnusa mogą powodować ugięcie przeciwne do efektu Magnusa.

Powyższy schemat pokazuje siłę nośną wytwarzaną na piłce z rotacją wsteczną. Strumień i spływający strumień powietrza zostały odchylone w dół. Ruch warstwy granicznej jest bardziej gwałtowny w dolnej części piłki, gdzie wirujący ruch powierzchni piłki jest skierowany do przodu i wzmacnia efekt ruchu translacyjnego piłki. Warstwa przyścienna generuje turbulencje w śladzie po krótkim czasie.

W baseballu ten efekt jest używany do generowania ruchu w dół podkręconej piłki, w której piłka obraca się do przodu (z 'topspin'). Z tego efektu korzystają również uczestnicy innych sportów uprawianych z piłką.

Na cylindrze siła wywołana obrotem jest znana jako winda Kutta-Joukowskiego . Można go analizować pod kątem wiru wytwarzanego przez rotację. Podnośnik na cylindrze na jednostkę długości, F/L, jest iloczynem prędkości v (w metrach na sekundę), gęstości płynu ρ (w kg/m 3 ) i siły wiru ustalonej przez obrót G :

gdzie siła wiru jest dana przez

gdzie s to obrót walca (w obrotach na sekundę), ω to prędkość kątowa obrotu walca (w radianach/sekundę), a r to promień walca (w metrach).

Historia

Niemiecki fizyk Heinrich Gustav Magnus opisał ten efekt w 1852 roku. Jednak w 1672 roku Isaac Newton opisał go i prawidłowo wywnioskował przyczynę obserwując tenisistów w jego college'u w Cambridge . W 1742 r. Benjamin Robins , brytyjski matematyk, badacz balistyki i inżynier wojskowy, wyjaśnił odchylenia trajektorii kul do muszkietów za pomocą efektu Magnusa.

W sporcie

Efekt Magnusa wyjaśnia często obserwowane odchylenia od typowych trajektorii lub torów wirujących piłek w sporcie , zwłaszcza w piłce nożnej asocjacyjnej , tenisie stołowym , tenisie , siatkówce , golfie , baseballu i krykiecie .

Zakrzywiona ścieżka piłki golfowej, znana jako plaster lub hak, jest w dużej mierze spowodowana ruchem wirującym piłki (wokół jej pionowej osi) i efektem Magnusa, powodującym poziomą siłę, która przesuwa piłkę z linii prostej na jej trajektorii. Backspin (górna powierzchnia obracająca się do tyłu od kierunku ruchu) na piłce golfowej powoduje pionową siłę, która lekko przeciwdziała sile grawitacji i umożliwia piłce unoszenie się w powietrzu nieco dłużej, niż gdyby piłka się nie obracała: pozwala to piłka podróżuje dalej niż piłka nie obraca się wokół swojej osi poziomej.

W tenisie stołowym efekt Magnusa można łatwo zaobserwować, ze względu na małą masę i niską gęstość piłki. Doświadczony gracz może obstawiać piłkę różnymi rotacjami. Rakiety do tenisa stołowego mają zwykle powierzchnię wykonaną z gumy, aby zapewnić maksymalną przyczepność rakiety do piłki, aby nadać jej rotację.

Efekt Magnusa nie jest odpowiedzialny za ruch piłki do krykieta obserwowany w konwencjonalnym swingowym kręgu , chociaż może być odpowiedzialny za „ Malinga Swing” i przyczynia się do ruchu znanego jako dryf i zanurzenie w kręgle spinowym .

W airsoft system zwany hop-up służy do tworzenia backspinu na wystrzelonej kulce , co znacznie zwiększa jej zasięg, wykorzystując efekt Magnusa w podobny sposób jak w golfie.

W baseballu miotacze często nadają piłce różne obroty, powodując jej zakrzywienie w pożądanym kierunku dzięki efektowi Magnusa. System PITCHf/x mierzy zmianę trajektorii wywołaną przez Magnusa we wszystkich rzutach w Major League Baseball .

Mecz piłka do FIFA World Cup 2010 został skrytykowany za innego efektu Magnusa z poprzednich piłek meczowych. Piłka została opisana jako mająca mniejszy efekt Magnusa iw rezultacie leci dalej, ale z mniej kontrolowanym skręceniem.

W balistyce zewnętrznej

Efekt Magnusa można również znaleźć w zaawansowanej balistyce zewnętrznej . Po pierwsze, wirujący pocisk w locie jest często poddawany bocznemu wiatrowi , który można uprościć jako wiejący z lewej lub prawej strony. Ponadto, nawet w całkowicie spokojnym powietrzu, pocisk odczuwa niewielką składową bocznego wiatru z powodu ruchu odchylającego . Ten ruch odchylający wzdłuż toru lotu pocisku oznacza, że ​​dziób pocisku jest skierowany w nieco innym kierunku niż kierunek, w którym porusza się pocisk. Innymi słowy, pocisk „ślizga się” na boki w dowolnym momencie i w ten sposób doświadcza małej składowej wiatru bocznego oprócz składowej wiatru bocznego.

Połączona składowa wiatru bocznego tych dwóch efektów powoduje, że na pocisk działa siła Magnusa, która jest prostopadła zarówno do kierunku, w jakim jest skierowany pocisk, jak i połączonego wiatru bocznego. W bardzo prostym przypadku, w którym ignorujemy różne czynniki komplikujące, siła Magnusa z bocznego wiatru spowoduje, że na wirujący pocisk będzie działała siła skierowana w górę lub w dół (w zależności od lewego lub prawego wiatru i obrotu), powodując odchylenie toru lotu pocisku w górę lub w dół, wpływając w ten sposób na punkt uderzenia.

Ogólnie rzecz biorąc, wpływ siły Magnusa na sam tor lotu pocisku jest zwykle nieznaczny w porównaniu z innymi siłami, takimi jak opór aerodynamiczny . Jednak ma to duży wpływ na stabilność pocisku, co z kolei wpływa na opór, zachowanie pocisku po uderzeniu i wiele innych czynników. Wpływa to na stabilność pocisku, ponieważ efekt Magnusa działa na środek nacisku pocisku zamiast na jego środek ciężkości . Oznacza to, że wpływa na kąt odchylenia pocisku; ma tendencję do skręcania pocisku wzdłuż toru lotu, albo w kierunku osi lotu (zmniejszając odchylenie, co stabilizuje pocisk), albo od osi lotu (zwiększając odchylenie, co destabilizuje pocisk). Krytycznym czynnikiem jest położenie środka nacisku, który zależy od struktury pola przepływu, które z kolei zależy głównie od prędkości pocisku (naddźwiękowej lub poddźwiękowej), ale także kształtu, gęstości powietrza i cech powierzchni. Jeśli środek nacisku znajduje się przed środkiem ciężkości, efekt jest destabilizujący; jeśli środek nacisku znajduje się za środkiem ciężkości, efekt stabilizuje się.

W lotnictwie

Wirnik Antona Flettnera

Niektóre samoloty zostały zbudowane tak, aby wykorzystywały efekt Magnusa do tworzenia windy z obracającym się cylindrem zamiast skrzydła, co pozwala na lot z niższymi prędkościami poziomymi. Najwcześniejsza próba wykorzystania efektu Magnusa do samolotu cięższego od powietrza została podjęta w 1910 roku przez amerykańskiego członka Kongresu, Butlera Amesa z Massachusetts. Kolejna próba została podjęta na początku lat 30. przez trzech wynalazców w stanie Nowy Jork.

Napęd i stabilizacja statku

E-Ship 1 z zamontowanymi wirnikami Flettner

Statki z wirnikami używają do napędu podobnych do masztów cylindrów, zwanych wirnikami Flettnera . Są one montowane pionowo na pokładzie statku. Kiedy wiatr wieje z boku, efekt Magnusa tworzy pchnięcie do przodu. Tak więc, jak w przypadku każdego żaglowca, statek z wirnikiem może poruszać się do przodu tylko wtedy, gdy wieje wiatr. Efekt jest również wykorzystywany w specjalnym typie stabilizatora statku składającego się z obracającego się cylindra zamontowanego poniżej linii wodnej i wynurzającego się z boku. Kontrolując kierunek i prędkość obrotu, można generować silne podnoszenie lub docisk . Największe dotychczasowe wdrożenie systemu miało miejsce na jachcie motorowym Eclipse .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki