Efeito Magnus e turbosail

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2024-01-10 22:14

Na Austrália, físicos amadores demonstraram o efeito Magnus em ação. O vídeo experimental, postado na hospedagem do YouTube, recebeu mais de 9 milhões de visualizações.

O efeito Magnus é um fenômeno físico que ocorre quando uma corrente de líquido ou gás flui ao redor de um corpo em rotação. Quando um corpo redondo voador gira em torno dele, camadas de ar próximas começam a circular. Como resultado, em vôo, o corpo muda sua direção de movimento.

Para o experimento, físicos amadores escolheram uma barragem de 126,5 metros de altura e uma bola de basquete comum. No início, a bola era simplesmente lançada para baixo, voava paralelamente à barragem e pousava no ponto demarcado. Na segunda vez, a bola caiu, rolando levemente em torno de seu eixo. A bola voadora voou ao longo de uma trajetória incomum, demonstrando claramente o efeito Magnus.

O Efeito Magnus explica por que em alguns esportes, como o futebol, a bola voa em uma trajetória estranha. O exemplo mais marcante do vôo "anormal" da bola pôde ser visto após uma cobrança de falta do jogador de futebol Roberto Carlos durante a partida de 3 de junho de 1997 entre as seleções do Brasil e da França.

O navio está navegando turbo

A famosa série de documentários "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" foi filmada pelo grande oceanógrafo francês nas décadas de 1960-1970. O navio principal do Cousteau foi então convertido do caça-minas britânico "Calypso". Mas em um dos filmes subsequentes - "Rediscovery of the World" - outro navio apareceu, o iate "Alcyone".

Olhando para ele, muitos espectadores se perguntaram: o que são esses canos estranhos instalados no iate?.. Talvez sejam canos de caldeiras ou sistemas de propulsão? Imagine o seu espanto se descobrir que estas são VELAS … turbosails …

O fundo Cousteau adquiriu o iate "Alkion" em 1985, e este navio foi considerado não tanto como um navio de pesquisa, mas como uma base para estudar a eficiência das turbosails - o sistema de propulsão original do navio. E quando, 11 anos depois, o lendário "Calypso" afundou, a "Alkiona" tomou seu lugar como o navio principal da expedição (aliás, hoje o "Calypso" foi erguido e está em estado de semi-saque no porto de Concarneau).

Na verdade, a turbosail foi inventada por Cousteau. Além de equipamento de mergulho, um disco subaquático e muitos outros dispositivos para explorar as profundezas do mar e a superfície dos oceanos. A ideia nasceu no início dos anos 1980 e era criar o sistema de propulsão mais ecológico, mas ao mesmo tempo conveniente e moderno para aves aquáticas. O uso da energia eólica parecia ser a área de pesquisa mais promissora. Mas aqui está o azar: a humanidade inventou uma vela há vários milhares de anos, e o que poderia ser mais simples e lógico?

Claro, Cousteau e sua empresa entenderam que era impossível construir um navio movido exclusivamente a velas. Mais precisamente, talvez, mas seu desempenho de direção será muito medíocre e dependente dos caprichos do tempo e da direção do vento. Portanto, estava originalmente planejado que a nova “vela” fosse apenas uma força auxiliar, aplicável para auxiliar os motores a diesel convencionais. Ao mesmo tempo, um turbosail reduziria significativamente o consumo de óleo diesel e, em um vento forte, poderia se tornar a única propulsão da embarcação. E o olhar da equipe de pesquisa voltou-se para o passado - para a invenção do engenheiro alemão Anton Flettner, o famoso projetista de aeronaves, que deu uma contribuição significativa para a construção naval.

Rotor de Flettner e o efeito Magnus

Em 16 de setembro de 1922, Anton Flettner recebeu uma patente alemã para o chamado navio rotativo. E em outubro de 1924, o navio rotativo experimental Buckau deixou os estoques da empresa de construção naval Friedrich Krupp em Kiel. É verdade que a escuna não foi construída do zero: antes da instalação dos rotores de Flettner, era uma embarcação à vela comum.

A ideia de Flettner era usar o chamado efeito Magnus, cuja essência é a seguinte: quando uma corrente de ar (ou líquido) flui ao redor de um corpo em rotação, é gerada uma força perpendicular à direção do fluxo e que atua sobre o corpo. O fato é que um objeto em rotação cria um movimento de vórtice ao seu redor. Do lado do objeto, onde a direção do vórtice coincide com a direção do fluxo do líquido ou gás, a velocidade do meio aumenta e, do lado oposto, diminui. A diferença de pressão cria uma força de cisalhamento direcionada do lado onde a direção de rotação e a direção do fluxo são opostas ao lado onde coincidem.

Esse efeito foi descoberto em 1852 pelo físico berlinense Heinrich Magnus.

Efeito magnus

O engenheiro aeronáutico e inventor alemão Anton Flettner (1885-1961) entrou para a história da navegação como um homem que tentava substituir as velas. Ele teve a chance de viajar por um longo tempo em um veleiro pelos oceanos Atlântico e Índico. Muitas velas foram postas nos mastros de navios à vela daquela época. O equipamento de vela era caro, complexo e aerodinamicamente não muito eficiente. Perigos constantes espreitavam os marinheiros que, mesmo durante uma tempestade, tinham que navegar a 40-50 metros de altura.

Durante a viagem, o jovem engenheiro teve a ideia de substituir as velas, que exigem mais esforço, por um dispositivo mais simples, mas eficaz, cuja principal propulsão também seria o vento. Ponderando isso, ele se lembrou de experimentos aerodinâmicos conduzidos por seu físico compatriota Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Eles descobriram que quando um cilindro gira em um fluxo de ar, uma força transversal surge com uma direção que depende da direção de rotação do cilindro (efeito Magnus).

Um de seus experimentos clássicos era assim: “Um cilindro de latão pode girar entre dois pontos; a rotação rápida do cilindro era transmitida, como em um topo, por uma corda.

O cilindro giratório foi colocado em uma estrutura que, por sua vez, poderia ser facilmente girada. Um forte jato de ar foi enviado para este sistema usando uma pequena bomba centrífuga. O cilindro desviou-se em uma direção perpendicular à corrente de ar e ao eixo do cilindro, além disso, na direção da qual as direções de rotação e o jato eram as mesmas "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925)

A. Flettner pensou imediatamente que as velas poderiam ser substituídas por cilindros giratórios instalados no navio.

Acontece que onde a superfície do cilindro se move contra o fluxo de ar, a velocidade do vento diminui e a pressão aumenta. Do outro lado do cilindro, o oposto é verdadeiro - a velocidade do fluxo de ar aumenta e a pressão diminui. Essa diferença na pressão de diferentes lados do cilindro é a força motriz que faz o vaso se mover. Este é o princípio básico de operação de equipamentos rotativos, que usam a força do vento para mover a embarcação. Tudo é muito simples, mas apenas A. Flettner "não passou", embora o efeito Magnus seja conhecido há mais de meio século.

Ele começou a implementar o plano em 1923 em um lago perto de Berlim. Na verdade, Flettner fez uma coisa bem simples. Ele instalou um rotor-cilindro de papel com cerca de um metro de altura e 15 cm de diâmetro em um barco de teste com um metro de comprimento e adaptou um mecanismo de relógio para girá-lo. E o barco partiu.

Os capitães dos navios à vela zombavam dos cilindros de A. Flettner, com os quais ele queria substituir as velas. O inventor conseguiu atrair o interesse de ricos patronos da arte com sua invenção. Em 1924, em vez de três mastros, dois cilindros de rotor foram instalados na escuna de 54 metros "Buckau". Esses cilindros eram movidos por um gerador a diesel de 45 CV.

Os rotores do Bucau eram movidos por motores elétricos. Na verdade, não houve diferença dos experimentos clássicos de Magnus no design. Do lado em que o rotor girava contra o vento, foi criada uma área de aumento de pressão, do lado oposto, uma área de baixa pressão. A força resultante é o que impulsionou o navio. Além disso, essa força era cerca de 50 vezes maior do que a força da pressão do vento em um rotor estacionário!

Isso abriu grandes perspectivas para Flettner. Entre outras coisas, a área do rotor e sua massa eram várias vezes menores do que a área da plataforma de navegação, o que teria dado a mesma força motriz. O rotor era muito mais fácil de controlar e muito barato de fabricar. De cima, Flettner cobriu os rotores com planos de placa - isso aumentou a força motriz em cerca de duas vezes devido à orientação correta dos fluxos de ar em relação ao rotor. A altura e o diâmetro ideais do rotor para "Bukau" foram calculados soprando um modelo do futuro navio em um túnel de vento.

O rotor de Flettner provou ser excelente. Ao contrário de uma embarcação à vela comum, um navio rotativo praticamente não temia o mau tempo e os fortes ventos laterais, podendo navegar facilmente com amuras alternadas a um ângulo de 25º em relação ao vento contrário (para uma vela normal, o limite é cerca de 45º). Dois rotores cilíndricos (altura de 13,1 m, diâmetro de 1,5 m) possibilitaram equilibrar perfeitamente a embarcação - ela se mostrou mais estável do que o veleiro que era o Bukau antes da reestruturação.

Os testes foram realizados em tempo calmo e em uma tempestade e com sobrecarga deliberada - e nenhuma deficiência grave foi identificada. O mais vantajoso para o movimento da embarcação era a direção do vento exatamente perpendicular ao eixo da embarcação, e a direção do movimento (para frente ou para trás) era determinada pelo sentido de rotação dos rotores.

Em meados de fevereiro de 1925, a escuna Buckau, equipada com os rotores de Flettner em vez das velas, partiu de Danzig (hoje Gdansk) para a Escócia. O tempo estava ruim e a maioria dos veleiros não se atreveu a deixar os portos. No Mar do Norte, o Buckau teve que lidar seriamente com ventos fortes e ondas grandes, mas a escuna adernou menos do que outros veleiros encontrados.

Durante esta viagem, não foi necessário chamar o convés dos tripulantes para trocar as velas em função da força ou direção do vento. Bastava um navegador do relógio que, sem sair da casa do leme, pudesse controlar a atividade dos rotores. Anteriormente, a tripulação de uma escuna de três mastros era composta por pelo menos 20 marinheiros, após sua conversão em navio rotativo bastavam 10 pessoas.

No mesmo ano, o estaleiro lançou as bases para o segundo navio rotativo - o poderoso navio de carga "Barbara", impulsionado por três rotores de 17 metros. Ao mesmo tempo, um pequeno motor com capacidade de apenas 35 CV era suficiente para cada rotor. (na velocidade máxima de rotação de cada rotor 160 rpm)! O empuxo do rotor era equivalente ao de uma hélice acionada por hélice acoplada a um motor a diesel de navio convencional com capacidade de cerca de 1000 hp. No entanto, também estava disponível no navio um motor diesel: além dos rotores, acionava uma hélice (que continuava sendo o único dispositivo de propulsão em caso de tempo calmo).

Experimentos promissores levaram a empresa de navegação Rob. M. Sloman de Hamburgo a construir o navio Barbara em 1926. Foi planejado com antecedência equipar turbosails - os rotores de Flettner. Em uma embarcação de 90 m de comprimento e 13 m de largura, foram montados três rotores com altura de cerca de 17 m.

Barbara transporta frutas com sucesso da Itália para Hamburgo há algum tempo, conforme planejado. Aproximadamente 30–40% do tempo de viagem o navio estava navegando devido à força do vento. Com um vento de 4-6 pontos "Barbara" desenvolveu uma velocidade de 13 nós.

Foi planejado para testar o navio rotativo em viagens mais longas no Oceano Atlântico.

Mas no final dos anos 1920, a Grande Depressão aconteceu. Em 1929, a empresa charter abandonou o novo aluguel do Barbara e foi vendida. O novo proprietário removeu os rotores e remontou o navio de acordo com o esquema tradicional. Ainda assim, o rotor perdeu para as hélices de parafuso em combinação com uma usina de energia a diesel convencional devido à sua dependência do vento e certas limitações de potência e velocidade. Flettner se voltou para pesquisas mais avançadas e Baden-Baden afundou durante uma tempestade no Caribe em 1931. E eles se esqueceram das velas rotativas por muito tempo …

O início dos vasos rotativos, ao que parece, foi muito bem-sucedido, mas eles não receberam desenvolvimento e foram esquecidos por muito tempo. Por quê? Em primeiro lugar, o "pai" dos navios rotativos A. Flettner mergulhou na criação de helicópteros e deixou de se interessar pelo transporte marítimo. Em segundo lugar, apesar de todas as suas vantagens, os navios rotativos continuaram a ser navios com as desvantagens inerentes, a principal das quais é a dependência do vento.

Os rotores de Flettner voltaram a se interessar pelos anos 80 do século XX, quando os cientistas começaram a propor várias medidas para mitigar o aquecimento do clima, reduzir a poluição e usar mais racionalmente o combustível. Um dos primeiros a relembrá-los foi o explorador francês Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Para testar o funcionamento do sistema turbosail e reduzir o consumo de combustível, o catamarã de dois mastros "Alcyone" (Alcyone é filha do deus dos ventos Éolo) foi convertido em uma embarcação rotativa. Tendo feito uma viagem marítima em 1985, ele viajou para o Canadá e a América, contornou o Cabo Horn, contornou a Austrália e a Indonésia, Madagascar e a África do Sul. Ele foi transferido para o Mar Cáspio, onde navegou por três meses, fazendo várias pesquisas. Alcyone ainda usa dois sistemas de propulsão diferentes - dois motores a diesel e duas turbosails.

Vela turbo Cousteau

Os veleiros foram construídos ao longo do século XX. Nos navios modernos deste tipo, o armamento da vela é dobrado com o auxílio de motores elétricos, novos materiais permitem tornar a estrutura significativamente mais leve. Mas um veleiro é um veleiro, e a ideia de usar a energia eólica de uma forma radicalmente nova está no ar desde os dias de Flettner. E ela foi resgatada pelo incansável aventureiro e explorador Jacques-Yves Cousteau.

Em 23 de dezembro de 1986, após o lançamento do Alcyone mencionado no início do artigo, Cousteau e seus colegas Lucien Malavar e Bertrand Charier receberam a patente conjunta US4630997 para "um dispositivo que cria força através do uso de um líquido ou gás em movimento. " A descrição geral diz o seguinte: “O dispositivo é colocado em um ambiente que se move em uma determinada direção; neste caso, surge uma força que atua em uma direção perpendicular à primeira. O dispositivo evita o uso de velas maciças, em que a força motriz é proporcional à área da vela. " Qual é a diferença entre a vela turbo de Cousteau e a vela rotativa de Flettner?

Em seção transversal, uma turbosail é algo como uma queda alongada arredondada a partir da extremidade afiada. Nas laterais da "queda" existem grades de entrada de ar, por uma das quais (dependendo da necessidade de avançar ou recuar) o ar é aspirado. Para uma sucção mais eficiente do vento, um pequeno ventilador acionado por um motor elétrico é instalado na entrada de ar da vela turbo.

Ele aumenta artificialmente a velocidade do movimento do ar do lado de sotavento da vela, sugando a corrente de ar no momento de sua separação do plano da turbo-vela. Isso cria um vácuo em um lado da vela turbo, evitando a formação de vórtices turbulentos. E então o efeito Magnus atua: rarefação de um lado, como resultado - uma força transversal capaz de colocar o navio em movimento. Na verdade, uma turbosail é uma asa de aeronave posicionada verticalmente, pelo menos o princípio de criar uma força propulsiva é semelhante ao princípio de criar uma sustentação de uma aeronave. Para garantir que a turbosail esteja sempre virada para o vento na direção mais vantajosa, ela é equipada com sensores especiais e é instalada em uma mesa giratória. A propósito, a patente de Cousteau implica que o ar pode ser sugado de dentro de uma turbo-vela não apenas por um ventilador, mas também, por exemplo, por uma bomba de ar - assim Cousteau fechou a porta para os “inventores” subsequentes.

Na verdade, pela primeira vez, Cousteau testou um protótipo de turbosail no catamarã Moulin à Vent em 1981. O maior sucesso de navegação do catamarã foi uma viagem de Tânger (Marrocos) a Nova York sob a supervisão de um navio de expedição maior.

E em abril de 1985, no porto de La Rochelle, foi lançado o Alcyone, o primeiro navio completo equipado com turbosails. Agora ela ainda está em movimento e hoje é a nau capitânia (e, de fato, o único grande navio) da flotilha Cousteau. As velas turbo nele não são o único motor, mas ajudam o acoplamento usual de dois motores diesel e

vários parafusos (o que, aliás, reduz o consumo de combustível em cerca de um terço). Se o grande oceanógrafo estivesse vivo, provavelmente teria construído vários outros navios semelhantes, mas o entusiasmo de seus associados após a partida de Cousteau diminuiu visivelmente.

Pouco antes de sua morte em 1997, Cousteau trabalhava ativamente no projeto do navio "Calypso II" com turbosail, mas não conseguiu concluí-lo. Segundo os últimos dados, no inverno de 2011, "Alkiona" esteve no porto de Caen à espera de uma nova expedição.

E novamente Flettner

Hoje, tentativas estão sendo feitas para reviver a ideia de Flettner e tornar as velas rotativas comuns. Por exemplo, a famosa empresa de Hamburgo Blohm + Voss, após a crise do petróleo de 1973, iniciou o desenvolvimento ativo de um petroleiro rotativo, mas em 1986, fatores econômicos cobriram este projeto. Em seguida, houve toda uma série de projetos amadores.

Em 2007, alunos da Universidade de Flensburg construíram um catamarã movido por uma vela rotativa (Uni-cat Flensburg).

Em 2010, apareceu o terceiro navio com velas rotativas - o caminhão pesado E-Ship 1, que foi construído por encomenda da Enercon, um dos maiores fabricantes de turbinas eólicas do mundo. Em 6 de julho de 2010, o navio foi lançado pela primeira vez e fez uma curta viagem de Emden para Bremerhaven. E já em agosto, ele fez sua primeira viagem de trabalho à Irlanda com um carregamento de nove turbinas eólicas. A embarcação está equipada com quatro rotores Flettner e, claro, um sistema de propulsão tradicional em caso de calmaria e para potência adicional. Mesmo assim, as velas rotativas servem apenas como hélices auxiliares: para um caminhão de 130 metros, sua potência não é suficiente para desenvolver a velocidade adequada. Os motores são nove usinas Mitsubishi, e os rotores são movidos por uma turbina a vapor Siemens que usa energia dos gases de escapamento. As velas giratórias proporcionam economia de combustível de 30 a 40% a 16 nós.

Mas a vela turbo de Cousteau ainda permanece esquecida: o "Alcyone" hoje é o único navio em tamanho real com este tipo de propulsão. A experiência dos construtores navais alemães mostrará se faz sentido continuar a desenvolver o tema das velas operando no efeito Magnus. O principal é encontrar um business case para isso e comprovar a sua eficácia. E aí, você vê, todo o transporte marítimo mundial seguirá o princípio que um talentoso cientista alemão descreveu há mais de 150 anos.

Em 2 de agosto de 2010, o maior fabricante mundial de usinas eólicas Enercon lançou no estaleiro Lindenau, em Kiel, um navio rotativo de 130 metros e 22 m de largura, posteriormente denominado “E-Ship 1”. Em seguida, foi testado com sucesso nos mares do Norte e Mediterrâneo, e atualmente está transportando geradores eólicos da Alemanha, onde são produzidos, para outros países europeus. Desenvolve uma velocidade de 17 nós (32 km / h), transporta simultaneamente mais de 9 mil toneladas de carga, sua tripulação é de 15 pessoas.

A empresa de navegação com sede em Cingapura Wind Again, uma tecnologia de redução de combustível e emissão, oferece rotores Flettner (dobráveis) especialmente projetados para petroleiros e navios de carga. Eles reduzirão o consumo de combustível em 30-40% e terão retorno em 3-5 anos.

A empresa finlandesa de engenharia marítima Wartsila já está planejando adaptar turbosails em balsas de cruzeiro. Isso se deve ao desejo do operador de balsas finlandês Viking Line de reduzir o consumo de combustível e a poluição ambiental.

O uso de rotores Flettner em embarcações de recreio está sendo estudado pela Universidade de Flensburg (Alemanha). O aumento do preço do petróleo e o aquecimento climático alarmante parecem ser condições favoráveis para o retorno das turbinas eólicas.