Что объединяет футбольный мяч, парусное судно и ветрогенератор? Их работу в различных условиях может определять общее физическое явление — эффект Магнуса. О природе и практическом значении этого эффекта рассказывает кандидат физико-математических наук, директор Физико-механического института Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Николай Георгиевич Иванов.
Что такое эффект Магнуса?
Эффект Магнуса — это физическое явление, которое впервые описал немецкий физик Генрих Магнус в 1853 году. Оно демонстрирует взаимодействие законов гидродинамики (науки о движении жидкостей и газов) и механики твердого тела. Суть явления заключается в том, что на вращающееся в потоке жидкости или газа тело действует поперечная сила.
Как это работает?
Когда объект вращается в движущейся среде (например, в воздухе или воде), на него начинает воздействовать сила, направленная перпендикулярно основному потоку. При вращении происходит изменение характера движения потока вокруг тела: с одной стороны скорость потока возрастает, а с противоположной — снижается. В результате образуется разница давлений между двумя сторонами, порождающая поперечную силу, известную как сила Магнуса.
Величина этой силы определяется несколькими важными параметрами: плотностью окружающей среды, скоростью движения потока, скоростью вращения самого тела и его геометрическими характеристиками. Именно эти факторы в совокупности определяют интенсивность воздействия данного эффекта на вращающийся объект.
Где можно наблюдать эффект Магнуса?
«Действие эффекта Магнуса проявляется при полетах спортивных снарядов в различных спортивных дисциплинах, — рассказывает ученый. — В футболе вращение мяча при ударе приводит к искривлению его траектории, что позволяет игрокам выполнять обводящие удары и закручивать мяч с угловых ударов прямо в ворота. Подобный механизм используется в большом и настольном теннисе, а также в бейсболе, где вращение мяча помогает спортсменам контролировать его полет и поведение после отскока».
Помимо спорта, эффект Магнуса находит применение в инженерных и энергетических технологиях. В области альтернативной энергетики его используют при создании ветроэнергетических установок, оснащенных вращающимися цилиндрическими элементами. В таких системах подъемная сила, возникающая за счет эффекта Магнуса, преобразуется в механическую энергию. Подобные установки эффективно работают при сравнительно низких скоростях ветра и отличаются высокой устойчивостью к изменению направления воздушного потока.
Судостроение также использует эффект Магнуса в системах вспомогательной тяги. Наиболее известным примером являются роторы Флеттнера, или турбопаруса, — вертикально расположенные вращающиеся цилиндры, устанавливаемые на палубах судов. Взаимодействуя с ветром, они создают дополнительную тягу, что позволяет существенно снизить расход топлива и уменьшить вредные выбросы в атмосферу.
«Эффект Магнуса наглядно демонстрирует, как фундаментальные законы физики находят применение в различных областях человеческой деятельности. Это яркий пример того, как научные открытия превращаются в практические решения, способствующие развитию современных технологий и защите окружающей среды», — подводит итог эксперт.