Эффект Магнуса - Magnus effect

Эффект Магнуса, изображенный с вращающимся цилиндром или шаром в воздушном потоке. Стрелка показывает результирующую подъемную силу. Фигурные линии потока представляют собой бурный будить. Воздушный поток отклоняется в сторону вращения.
Эффект Магнуса: сила, направленная вниз на цилиндр верхнего вращения
Эффект Магнуса. Во время вращения труба вследствие трения жидкости вытягивает воздух вокруг себя. Это заставляет воздушный поток с более высокой скоростью на одной стороне трубы и с более низкой скоростью на другой стороне.
Эффект Магнуса в 2D жидкости жестких дисков

В Эффект Магнуса наблюдаемый явление что обычно ассоциируется с прядением объект перемещение по воздуху или другому жидкость. Путь вращающегося объекта отклоняется таким образом, который отсутствует, когда объект не вращается. Отклонение можно объяснить разницей давления жидкости на противоположных сторонах вращающегося объекта. Эффект Магнуса зависит от скорости вращения.

Наиболее легко наблюдаемый случай эффекта Магнуса - это когда вращающаяся сфера (или цилиндр) отклоняется от дуги, по которой она следовала бы, если бы не вращалась. Его часто используют футболисты, бейсбольные питчеры и боулеры в крикет. Следовательно, это явление важно при изучении физики многих спорт с мячом. Это также важный фактор при изучении эффектов прядение на управляемые ракеты - и имеет некоторые инженерные применения, например, при разработке винтокрылые корабли и Самолеты Флеттнера.

Топспин в играх с мячом определяется как вращение вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной направлению движения, которая перемещает верхнюю поверхность мяча в направлении движения. Под эффектом Магнуса верхнее вращение вызывает отклонение движущегося шара вниз, большее, чем могло бы быть вызвано одной лишь гравитацией. Обратное вращение создает направленную вверх силу, которая продлевает полет движущегося мяча.[1] Точно так же боковое вращение вызывает отклонение в любую сторону, как это видно на некоторых бейсбольных площадках, например слайдер.[2] Общее поведение похоже на поведение крыло (видеть подъемная сила ), но с обращение создается механическим вращением, а не действием аэродинамического профиля.[3]

Эффект Магнуса назван в честь Генрих Густав Магнус, немецкий физик, исследовавший это. Сила, действующая на вращающийся цилиндр, известна как Кутта – Жуковски поднимать, [4] после Мартин Кутта и Николай Жуковский (или Жуковски), который первым проанализировал эффект.

Физика

Интуитивное понимание этого явления исходит из третьего закона Ньютона, согласно которому отклоняющая сила, действующая на тело, является реакцией на отклонение, которое тело оказывает на воздушный поток. Тело «толкает» воздух в одном направлении, а воздух толкает его в другом направлении. В частности, подъемная сила сопровождается отклонением воздушного потока вниз. Это угловое отклонение потока жидкости к корме корпуса.

Лайман Бриггс[5] сделал аэродинамическая труба изучение эффекта Магнуса на бейсболах и другие дали изображения этого эффекта.[5][6][7][8] Исследования показывают, что турбулентный след за вращающимся шаром вызывает аэродинамическое сопротивление, плюс есть заметное угловое отклонение в следе, причем это отклонение происходит в направлении вращения.

Процесс образования турбулентного следа за телом в воздушном потоке сложен, но хорошо изучен в аэродинамике. Тонкий пограничный слой отделяется ("разделение потока ") от тела в какой-то момент, и именно здесь начинает развиваться след. Сам пограничный слой может быть турбулентным или нет, и это оказывает значительное влияние на образование следа. Достаточно небольшие изменения в состоянии поверхности тела может влиять на начало образования следа и тем самым оказывать заметное влияние на картину потока ниже по потоку.Такого рода влияние вращения тела.

Говорят, что сам Магнус ошибочно постулировал теоретический эффект ламинарного потока из-за поверхностного трения и вязкости как причины эффекта Магнуса. Такие эффекты физически возможны, но незначительны по сравнению с тем, что создается собственно эффектом Магнуса.[5] В некоторых случаях причины эффекта Магнуса могут вызывать отклонение, противоположное отклонению от эффекта Магнуса.[8]

В диаграмма выше показан подъем, создаваемый вращающимся назад шаром. След и задний поток воздуха отклонены вниз. Движение пограничного слоя более интенсивно на нижней стороне мяча, где вращательное движение поверхности мяча направлено вперед и усиливает эффект поступательного движения мяча. Пограничный слой создает турбулентность в следе через короткий промежуток времени.

На цилиндре сила вращения известна как Подъемник Кутта-Жуковски. Его можно проанализировать с точки зрения вихря, создаваемого вращением. Подъем на цилиндр на единицу длины, F/L, - произведение скорости, v (в метрах в секунду), плотность жидкости, ρ (в кг / м3), а сила вихрь что устанавливается вращением, грамм:[4]

где сила вихря определяется выражением

куда s - вращение цилиндра (в оборотах в секунду), ω - угловая скорость вращения цилиндра (в радианах в секунду) и р - радиус цилиндра (в метрах).

История

Немецкий физик Генрих Густав Магнус описал эффект в 1852 году.[9][10] Однако в 1672 г. Исаак Ньютон описал это и правильно вывел причину после наблюдения теннис игроков в его Кембридж колледж.[11][12] В 1742 г. Бенджамин Робинс, британский математик, исследователь баллистики и военный инженер, объяснил отклонения траекторий мушкетных ядер эффектом Магнуса.[13][14][15][16]

В спорте

Эффект Магнуса объясняет обычно наблюдаемые отклонения от типичных траекторий или траекторий вращающихся шаров в спорт, особенно ассоциация футбола, настольный теннис, теннис,[17] волейбол, гольф, бейсбол, и крикет.

Изогнутый путь мяч для гольфа известный как ломтик или же крюк в значительной степени из-за вращательного движения мяча (вокруг его вертикальной оси) и эффекта Магнуса, вызывающего горизонтальную силу, которая перемещает мяч по прямой линии на его траектории.[18]:§ 4.5 Обратное вращение (верхняя поверхность, вращающаяся в обратном направлении от направления движения) мяча для гольфа вызывает вертикальную силу, которая немного противодействует силе тяжести и позволяет мячу оставаться в воздухе немного дольше, чем если бы мяч не вращался: это позволяет мяч путешествовать дальше шара, не вращающегося вокруг своей горизонтальной оси.

В настольном теннисе легко наблюдается эффект Магнуса из-за небольшой массы и небольшого плотность мяча. Опытный игрок может делать самые разные вращения мяча. Ракетки для настольного тенниса обычно имеют поверхность из резины, чтобы дать ракетке максимальное сцепление с мячом, чтобы придать вращение.

Эффект Магнуса не отвечает за движение мяча для крикета, наблюдаемое в обычных условиях. качели боулинг,[18]:Рис. 4.19 хотя он может быть ответственным за "Малинга Качать"[19][20] и вносит свой вклад в движение, известное как дрейф и окунать в спин боулинг.

В страйкбол, система, известная как запрыгнуть используется для создания обратного вращения на запущенном BB, что значительно увеличивает радиус действия, используя эффект Магнуса так же, как в гольфе.

В бейсбол питчеры часто вращают мяч по-разному, заставляя его изгибаться в нужном направлении из-за эффекта Магнуса. В PITCHf / x Система измеряет изменение траектории, вызванное Магнусом, на всех точках, брошенных Высшая лига бейсбола.[21]

В футбольный мяч для Чемпионат мира по футболу 2010 года подвергался критике за то, что эффект Магнуса отличался от предыдущих мячей. Мяч описывался как обладающий меньшим эффектом Магнуса, и в результате он летит дальше, но с менее контролируемым поворотом.[22]

По внешней баллистике

Эффект Магнуса также можно найти в расширенных внешняя баллистика. Во-первых, вращающаяся пуля в полете часто подвергается боковой ветер, который можно упростить как дуть слева или справа. Кроме того, даже в совершенно спокойном воздухе пуля испытывает небольшую боковую составляющую ветра из-за ее рыскание движение. Это рыскание по траектории полета пули означает, что носовая часть пули направлена ​​немного в другом направлении от направления, в котором движется пуля. Другими словами, пуля в любой момент «скользит» в сторону и, таким образом, испытывает небольшую составляющую бокового ветра в дополнение к любой составляющей бокового ветра.[23]

Комбинированный компонент бокового ветра этих двух эффектов заставляет силу Магнуса воздействовать на пулю, которая перпендикулярна как направлению, в котором указывает пуля, так и комбинированному боковому ветру. В очень простом случае, когда мы игнорируем различные усложняющие факторы, сила Магнуса от бокового ветра может вызвать действие направленной вверх или вниз силы на вращающуюся пулю (в зависимости от левого или правого ветра и вращения), вызывая отклонение траектории полета пули. вверх или вниз, тем самым влияя на точку удара.

В целом влияние силы Магнуса на траекторию полета пули обычно незначительно по сравнению с другими силами, такими как аэродинамическое сопротивление. Однако это сильно влияет на стабильность пули, что, в свою очередь, влияет на величину сопротивления, поведение пули при ударе и многие другие факторы. Это влияет на стабильность пули, потому что эффект Магнуса воздействует на центр давления пули, а не на ее центр. центр тяжести.[24] Это означает, что это влияет на угол рыскания пули; он имеет тенденцию закручивать пулю по траектории полета либо по направлению к оси полета (уменьшая рыскание, таким образом стабилизируя пулю), либо от оси полета (увеличивая рыскание, таким образом дестабилизируя пулю). Решающим фактором является расположение центра давления, которое зависит от структуры поля потока, которая, в свою очередь, зависит главным образом от скорости пули (сверхзвуковой или дозвуковой), а также от формы, плотности воздуха и характеристик поверхности. Если центр давления находится впереди центра тяжести, эффект дестабилизирует; если центр давления находится за центром тяжести, эффект стабилизируется.[25]

В авиации

Несущий самолет Антона Флеттнера

Некоторые самолеты были построены, которые используют эффект Магнуса для создания подъемной силы с вращающимся цилиндром в передней части крыла, что позволяет летать на более низких горизонтальных скоростях.[4] Самая ранняя попытка использовать эффект Магнуса для самолета тяжелее воздуха была предпринята в 1910 году одним из членов Конгресса США, Батлер Эймс Массачусетса. Следующая попытка была предпринята в начале 1930-х годов тремя изобретателями из штата Нью-Йорк.[26]

Движение и стабилизация корабля

Электронное судно 1 с установленными роторами Флеттнера
Основная статья: Роторный корабль

Роторные суда используют цилиндры типа мачты, называемые Роторы Флеттнера, для приведения в движение. Они устанавливаются вертикально на палубе корабля. Когда ветер дует сбоку, эффект Магнуса создает прямую тягу. Таким образом, как и любой парусный корабль, винтокрылый корабль может двигаться вперед только тогда, когда дует ветер. Эффект также используется в особом типе стабилизатор корабля состоящий из вращающегося цилиндра, установленного под ватерлинией и выходящего сбоку. Контролируя направление и скорость вращения, сильный поднимать или же прижимная сила могут быть созданы.[27] На сегодняшний день наибольшее развертывание системы осуществляется на моторных яхтах. Затмение.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Почему мячи для гольфа покрыты ямочками?". math.ucr.edu.
  2. ^ Curveball В архиве 21 октября 2012 г. Wayback Machine, Физика бейсбола.
  3. ^ Клэнси, Л.Дж. (1975), Аэродинамика, Раздел 4.6, Pitman Publishing
  4. ^ а б c «Подъем на вращающихся цилиндрах». Исследовательский центр Гленна НАСА. 9 ноября 2010 г.. Получено 7 ноября 2013.
  5. ^ а б c Бриггс, Лайман (1959). «Влияние вращения и скорости на боковое отклонение (кривую) бейсбольного мяча и эффект Магнуса для гладких сфер» (PDF). Американский журнал физики. 27 (8): 589–596. Bibcode:1959AmJPh..27..589B. Дои:10.1119/1.1934921. Архивировано из оригинал (PDF) 16 мая 2011 г.
  6. ^ Браун, F (1971). Смотри на ветер. Университет Нотр-Дам.
  7. ^ Ван Дайк, Милтон (1982). Альбом плавного движения. Стэндфордский Университет.
  8. ^ а б Крест, Род. "Фотографии аэродинамической трубы" (PDF). Физический факультет Сиднейского университета. п. 4. Получено 10 февраля 2013.
  9. ^ Г. Магнус (1852 г.) «Убер умирает Абвейчунг дер Гешоссе», Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, страницы 1–23.
  10. ^ Г. Магнус (1853) "Über die Abweichung der Geschosse, und: Über eine abfallende Erscheinung bei rotierenden Körpern" (Об отклонении снарядов и: о феномене погружения среди вращающихся тел), Annalen der Physik, т. 164, нет. 1, страницы 1-29.
  11. ^ Исаак Ньютон, «Письмо г-на Исаака Ньютона из Кембриджского университета, содержащее его новую теорию света и цвета», Философские труды Королевского общества, т. 7, страницы 3075–3087 (1671–1672). (Примечание: в этом письме Ньютон попытался объяснить преломление света, аргументируя это тем, что вращающиеся частицы изгибаются, когда они движутся через среду, так же как вращающийся теннисный мяч изгибается при движении в воздухе.)
  12. ^ Глейк, Джеймс. 2004. Исаак Ньютон. Лондон: Harper Fourth Estate.
  13. ^ Бенджамин Робинс, Новые принципы стрельбы: определение силы пороха и исследование разницы в силе сопротивления воздуха быстрым и медленным движениям (Лондон: Дж. Нурс, 1742). (На стр. 208 издания Робинса 1805 г. Новые принципы стрельбыРобинс описывает эксперимент, в котором он наблюдал эффект Магнуса: мяч подвешивался на тросе, состоящем из двух скрученных вместе струн, и шар заставлялся качаться. При разматывании струн вращался качающийся шар, как и плоскость его качания. Направление вращения плоскости зависело от направления вращения шара.)
  14. ^ Том Холмберг "Артиллерия качается как маятник ... "в" Наполеоне "
  15. ^ Стил, Бретт Д. (апрель 1994 г.) «Мушкеты и маятники: Бенджамин Робинс, Леонард Эйлер и революция в баллистике». Технологии и культура, т. 35, нет. 2, страницы 348–382.
  16. ^ Наблюдения Ньютона и Робинса за эффектом Магнуса воспроизведены в: Peter Guthrie Tait (1893) "На пути вращающегося сферического снаряда," Сделки Королевского общества Эдинбурга, т. 37, страницы 427–440.
  17. ^ Лорд Рэйли (1877) «О неправильном полете теннисного мяча», Посланник математики, т. 7, страницы 14–16.
  18. ^ а б Клэнси, Л. Дж. (1975). Аэродинамика. Лондон: Pitman Publishing Limited. ISBN  0-273-01120-0.
  19. ^ Мехта, Р.Д. (2007). «Уникальные качели Малинги». Игрок в крикет Wisden, 4, № 10, 2007, 23. Pitman Publishing Limited.
  20. ^ Гидравлическая механика качания мячом для крикета, (PDF) Р. Д. Мехта, 2014, 19-я Австралийская конференция по механике жидкости.
  21. ^ Натан, Алан М. (18 октября 2012 г.). «Определение движения высоты тона по данным PITCHf / x» (PDF). Получено 18 октября 2012.[постоянная мертвая ссылка ]
  22. ^ Интервью SBS 2010 FIFA World Cup Show 22 июня 2010 г., 22:30 Крейг Джонстон
  23. ^ Рупрехт Неннштиль. "Рыскание покоя". Nennstiel-ruprecht.de. Получено 22 февраля 2013.
  24. ^ Математическое моделирование траекторий снарядов под влиянием окружающей среды, Райан Ф. Гук, * Университет Нового Южного Уэльса, Канберра, Академия сил обороны Австралии, 2612, Австралия.
  25. ^ Том Бенсон. «Условия устойчивости ракеты». Архивировано из оригинал 13 мая 2013 г.. Получено 29 августа 2014.
  26. ^ Вихревые катушки поднимают этот самолет. Популярная наука. Ноябрь 1930. Получено 22 февраля 2013.
  27. ^ «Квантовые поворотные стабилизаторы». 2 июня 2009 г.

дальнейшее чтение

  • Уоттс, Р. Г. и Феррер, Р. (1987). «Боковая сила на вращающейся сфере: аэродинамика кривого мяча». Американский журнал физики. 55 (1): 40. Bibcode:1987AmJPh..55 ... 40Вт. Дои:10.1119/1.14969.

внешняя ссылка