Судно флеттнера своими руками
Добавил пользователь Skiper Обновлено: 18.09.2024
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Первопроходцев толкает любопытство,
Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Сегодня люди используют в своей жизни различные источники энергии. В основном энергию, используемую в быту и промышленности, добывают на поверхности Земли или в ее недрах. Ископаемые виды топлива представляют собой невозобновляемые источники энергии. Их запасы восстановить невозможно. При современных темпах потребления запасы нефти и газа будут исчерпаны уже в ближайшие годы. Сжигание этих видов топлива наносит вред экологии. Поэтому многие страны переходят к использованию возобновляемых источников энергии – солнца, ветра, воды. Развитие применения альтернативных источников энергии необходимо для экономии топливно-энергетических ресурсов и снижения негативного влияния на окружающую среду. (рис.1)
Нас заинтересовала тема двигателей, которые работают на альтернативных источниках энергии. Во втором классе предметом нашего исследования были паровые двигатели. Мы сконструировали лодочку с простейшим паровым двигателем, которая быстро передвигалась по воде. В третьем классе мы создали модель двигателя Стирлинга, который работал от разницы температур. Работать над этими темами было интересно и увлекательно, и мы продолжили знакомство с материалами по данному направлению.
В ходе изучения литературы наше внимание привлекла статья о ветродвигателях, которые работают благодаря эффекту Магнуса. [4] Сегодня ветроэнергетика активно развивается, и одной из ее задач является разработка ветродвигателя, который может эффективно работать при низких значениях скорости ветра. Широко используемые в настоящее время в мире лопастные ветрогенераторы неустойчиво и неэффективно работают при малых скоростях ветра. Поэтому интересны ветроустановки, использующие эффект Магнуса, основные преимущества которых проявляются при низких, но наиболее часто повторяющихся скоростях ветра 2–6 м/с.
Идея использования этого эффекта в качестве вспомогательного двигателя морского судна пришла прославленному исследователю и учёному Жаку-Иву Кусто. Он и его помощники создали судно с турбопарусами, работающими от силы ветра.
Целью нашей работы стало создание действующей модели двигателя, работающего на основе эффекта Магнуса.
Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:
познакомиться с эффектом Магнуса;
узнать, где он применяется и эффективно используется в жизни;
узнать историю возникновения турбопарусов;
продемонстрировать эффект Магнуса;
создать модель ветродвигателя;
Объект исследования: эффект Магнуса.
Предмет исследования: принцип и условия работы турбопаруса.
Для подтверждения гипотезы будут использованы следующие методы:
поиск и анализ информации;
демонстрация работы двигателя.
При написании данной работы были использованы научная, научно-популярная и учебно-методическая литература, статьи в периодических изданиях, видеоматериалы из Интернет-ресурсов.
Глава 1. Теоретическая часть
1.1 Эффект Магнуса
Не каждый человек слышал о том, что такое эффект Магнуса. Но зато каждый наблюдал за спортивной игрой с мячом. Крученые мячи доставляют бурю эмоций у игроков и болельщиков. Игроки заметили, что если придать вращение мячу при ударе, то его траектория заметно отличается от обычного прямого удара. (рис.2)
Отклонение вращающихся тел от траектории свободного падения заметили во времена, когда при стрельбе использовали пушечные ядра. Артиллеристы обратили внимание на неправильную траекторию полета снаряда и ещё в 1742 году предположили, что эти отклонения могут быть связаны с вращением ядра. [1]
Эффект Магнуса – физическое явление, возникающее, когда поток жидкости или газа обтекает вращающееся тело. При вращении летящего тела вокруг него начинают циркулировать близлежащие слои воздуха, возникает разница давлений, что создает дополнительную силу. В результате тело меняет направление движения.[7]
Физики-любители из Австралии для проведения эксперимента выбрали дамбу высотой 126,5 метра и обычный баскетбольный мяч. Сначала мяч был просто сброшен вниз. Он летел параллельно дамбе и приземлился в той же точке. Второй раз мяч сбросили, немного прокрутив вокруг своей оси. Подкрученный мяч пролетел по необычной траектории, наглядно продемонстрировав эффект Магнуса.
Изучив литературу по теме, мы узнали, что эффект Магнуса был замечен давно, но впервые его описал немецкий физик Густав Магнус. Это физическое явление возникает тогда, когда на вращающееся тело направлен поток воздуха, при этом возникает разница давлений, что и меняет траекторию полета тела.
1.2. Применение эффекта Магнуса в жизни
Эффект проявляется на телах вращения и находит свое применение: в конструировании воздушных змеев, в ветроэнергетических установках, в спортивных играх с мячом, в судостроении, в баллистике.
Существует самостоятельный подкласс воздушных змеев, принцип полета которых основывается на эффекте Магнуса. Этот змей чем-то напоминает вертушку. В полёте корпус змея вращается вокруг своей оси. При этом крылья-лопасти преобразуют напор ветра в подъемную силу. [ 8]
Сегодня предпринимаются попытки сделать роторные паруса массовыми. (рис.5) Опыт покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное - найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, возможно, и все мировое судоходство перейдет на принцип, который талантливый немецкий ученый описал более 150 лет назад.
Прочитав литературу по данной теме, мы выяснили, что эффект Магнуса часто используется в разных областях нашей жизни и перспективен в дальнейших разработках.
1.3. Роторное судно Флеттнера
Германский авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер (1885–1961) вошел в историю мореплавания как человек, пытавшийся заменить паруса. (рис.6) Во время плавания у молодого инженера родилась мысль заменить паруса более простым, но эффективным устройством. Понимая преимущества использования энергии ветра, он хотел необычным путем избавиться от недостатков, присущих парусным судам. Раздумывая над этим, он вспомнил опыты, проводимые Генрихом Магнусом. [1]
Флеттнер сразу подумал, что паруса можно заменить установленными на корабле вращающимися цилиндрами. К реализации замысла он приступил в 1923 году на одном озере недалеко от Берлина. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 см, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла. Инженеру удалось заинтересовать своим изобретением состоятельных меценатов. И 6 октября 1924 года в бухте появилось необычное судно с двумя огромными трубами на носу и на корме. (рис.6)
Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров. Во время плавания не требовалось вызывать на палубу членов команды, чтобы они меняли паруса в зависимости от силы или направления ветра. Хватило одного вахтенного штурмана, который, не выходя из рубки, мог управлять деятельностью роторов. Раньше команда трехмачтовой шхуны состояла как минимум из 20 матросов, в роторный корабль хватало 10 человек.[1]
Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дешев. Испытания проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой — и никаких серьезных недостатков выявлено не было. Но в конце 1920-х грянул экономический кризис. Компания, содержащая ротор разорилась, проводить испытания прекратили и о роторных парусах надолго забыли.
Изучив историю первых роторных судов, мы выяснили, что их испытания были достаточно успешны, такие судна имели ряд преимуществ, но не получили развития и надолго были забыты.
1.4. Корабль под турбопарусами
Роторами Флеттнера снова заинтересовались в 80-х годах ХХ в., когда ученые начали предлагать различные меры по смягчению потепления климата, снижению загрязнения, более рациональному расходованию топлива. Одним из первых о них вспомнил исследователь глубин француз Жак-Ив Кусто (1910–1997). (рис.7)
В начале 1980-х он задумался над созданием судна с современным двигателем, мощность которого обеспечивал бы ветер – чистый, бесплатный, возобновляемый источник энергии. И взгляд команды исследователей обратился в прошлое - к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, эффективность которого была проверена и доказана на практике. Кусто и группа инженеров решили возродить проект двигателя. [4]
Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?
В ходе работы над темой мы собрали информацию о корабле, оборудованном турбопарусами, рассмотрели ряд его преимуществ и поняли, по какому принципу работают такие паруса. Это поможет в дальнейшем создать нам свою модель ветродвигателя.
Глава 2. Исследовательская часть
Эксперименты, демонстрирующие эффект Магнуса
Достаточно изучив теорию, мы проделали несколько экспериментов, демонстрирующих эффект Магнуса.
Эксперимент 1
Эффект Магнуса можно легко показать с помощью опыта со скатыванием цилиндра по наклонной плоскости.[3] Как известно, траектория движения материальной точки после отрыва от наклонной поверхности - парабола. Можно представить себе лыжника, который прыгает с трамплина. Он движется по такой траектории. А вращающийся бумажный цилиндр, скатываясь с наклонной доски, отклоняется при падении от обычной траектории и движется по более крутой линии, уходящей под наклонную плоскость. Встречный поток воздуха создает разность давлений и смещает цилиндр в сторону низкого давления. Опытным путем мы пронаблюдали это отклонение. (рис.8)
Можно сделать вывод, что вращаясь, тело приобретает иную траекторию полета из-за воздействия на него вихревых потоков воздуха.
Эксперимент 2
Во втором эксперименте мы повторили опыт со сбрасыванием мяча с дамбы. Был выбран девятый этаж многоэтажного дома. Высота составила около 27 метров. Первый раз мы сбросили мяч прямо без подкручивания, во второй бросок - слегка подкрутили. Высота была небольшая, но хорошо видно, что мяч, брошенный прямо без подкручивания, приземляется под тем местом, откуда его скинули. Подкрученный мяч полетел по другой траектории.(рис.9)
Проведенный эксперимент доказывает, что вокруг вращающегося тела возникает дополнительная сила, способная изменить его полет.
Эксперимент 3
Для третьего эксперимента из двух пластиковых стаканчиков был сделан летательный аппарат.[3] Два пластиковых стаканчика, приставленных друг к другу дном, прикрепили при помощи изоленты. Соединили несколько канцелярских резинок между собой. Обмотали ими стаканчики в центре, хорошо растянув резинки. Резинка будет работать, как катапульта и придаст стаканчикам вращательное движение. В первой части эксперимента стаканчики кидают вниз без вращения. Под воздействием силы тяжести они падают вниз прямо и приземляются ровно под тем местом, откуда их скинули.
Во второй части эксперимента при помощи резинок стаканчикам придают вращательное движение, при этом начинает действовать эффект Магнуса. Стаканчики начинают планировать.(рис.10)
Проведя эксперименты, мы убедились в том, что если телам придать вращение, на них начинают действовать дополнительные силы, которые меняют траекторию движения тела.
2.2. Создание модели ветродвигателя
В качестве экспериментальных исследований была сделана модель роторного судна Флеттнера. Из металлического конструктора собрали основу, которая представляет собой тележку с двигающимися колесами. На нее установили электродвигатель и закрепили его. (рис.11) Из плотного картона был сделан цилиндрический ротор и установлен в вертикальном положении на тележку. Ротор приводится во вращение электромотором, работающим от батарейки напряжением 9 вольт. На корпусе также расположен переключатель, задающий направление вращению цилиндра либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. (рис.12)
В первой части эксперимента мы привели ротор в движение переключателем на корпусе. Цилиндр вращался, но тележка стояла на месте без движения.
Эксперимент показал, что если в поток воздуха поместить вращающийся цилиндр, ось которого перпендикулярна направлению воздушного потока, то цилиндр начинает увлекать за собой воздух. Скорость обтекания цилиндра потоком в направлении вращения становится больше, чем в отсутствие вращения, а давление меньше. С другой стороны цилиндра, где скорость вращения направлена в противоположную направлению скорости потока, скорость обтекания становится меньше, а давление – больше. Появляется разность давлений и сила, действующая на цилиндр в направлении, перпендикулярном потоку. [3] Начинает действовать сила Магнуса, и тележка приходит в движение.
Проанализировав данные, полученные в ходе эксперимента, можно сделать выводы: турбопарус работает благодаря эффекту Магнуса; для движения модели турбопаруса необходимы два условия: вращающийся цилиндр и направленный на него поток воздуха.
Заключение
Работая над данной темой, мы узнали о физическом явлении - эффекте Магнуса, где он применяется в нашей жизни. В спорте в играх с мячом, зная этот эффект, можно изменить траекторию полета мяча.
Также мы узнали, что эффект Магнуса используется в судостроении. Немецкий изобретатель Антон Флеттнер сконструировал роторное судно, где вместо парусов выступают вращающиеся цилиндры, работающие от силы ветра.
Позже известный ученый и путешественник Жак-Ив Кусто усовершенствовал идею Флеттнера и создал судно с турбопарусами.
В ходе работы были проведены несколько экспериментов, демонстрирующих эффект Магнуса, которые показали, что если телам придать вращательное движение, то на них начинает действовать дополнительные силы, которые меняют траекторию полета в воздухе.
Цель нашей работы достигнута: создана действующая модель ветродвигателя, по аналогии судна с турбопарусами.
Наша гипотеза подтвердилась. Экспериментальным путем мы доказали, что ветродвигатель будет работать только тогда, когда на него действует поток воздуха, создавая разность давлений. Это заставляет модель с вращающимся цилиндром двигаться.
Данная тема является продолжением работы над созданием и изучением двигателей, работающих на альтернативных источниках энергии. Считаем, что она интересна и актуальна, перспективна в современной науке, так как данные двигатели имеют много преимуществ, экологически чисты, достаточно просты в изготовлении.
В дальнейшем планируем продолжить работу по интересующей нас теме и выяснить, у какого двигателя наибольший КПД.
В настоящее время двигатели, работающие на альтернативных источниках энергии в нашей стране – это редкость. Но постепенно они входят в нашу жизнь. Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводит к глобальным изменениям климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов показывакт неизбежность перехода к использованию нетрадиционных, альтернативных источников энергии. Турбопарус, работающий от силы ветра – это двигатель будущего чистого мира.
Список литературы и информационные ресурсы
Программа Галилео. Эксперименты.
Семенов М.В., Якута А.А. Механика сплошных сред. Лекционный эксперимент. Под общей редакцией проф. В.А. Алешкевича // Изд-во Физического факультета МГУ, 1999г.
Элементарный учебник физики. Под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Том 1. Москва, Наука, 1984г.
Приложение
Рис. 1. Альтернативные источники энергии
Рис. 2. Крученый мяч
Рис. 3. Генрих Густав Магнус
Собственно, турбопарус изобрёл Кусто. Так же, как акваланг, подводное блюдце и ещё множество приспособлений для исследований морских глубин и поверхности мирового океана. Идея родилась ещё в начале восьмидесятых и заключалась в том, чтобы создать максимально экологичный, но при этом удобный и современный движитель для водоплавающего средства. Использование силы ветра представлялось наиболее перспективным направлением исследований. Но вот незадача: парус человечество придумало несколько тысяч лет назад, а что может быть проще и логичнее?
И взгляд команды исследователей обратился в прошлое – к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, знаменитого авиаконструктора, внесшего серьёзный вклад и в кораблестроение.
Ротор Флеттнера и эффект Магнуса
Идея Флеттнера заключалась в использовании так называемого эффекта Магнуса, суть которого состоит в следующем Когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело. Дело в том, что вращающийся объект создаёт вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растёт, а с противоположной – падает. Разница давлений и создаёт поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.
Турбопарус Кусто
Парусники строились и на протяжении XX века. В современных кораблях такого типа парусное вооружение сворачивается с помощью электромоторов, новые материалы позволяют заметно облегчить конструкцию. Но парусник парусником, а идея использовать энергию ветра кардинально новым способом витала в воздухе ещё со времён Флеттнера. И её подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.
И лишь в 2010 году свет увидел третий в истории корабль с роторными парусами – тяжёлый грузовик E-Ship 1, построенный по заказу компании Enercon, одного из крупнейших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010 года корабль был впервые спущен на воду и совершил короткое плавание из Эмдена в Бремерхафен. А уже в августе он отправился в первый рабочий вояж в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов.
Судно оборудовано четырьмя роторами Флеттнера и, конечно, традиционной силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Всё-таки роторные паруса служат лишь вспомогательными движителями – для 130-метрового грузовика их мощности маловато, чтобы развивать должную скорость. Двигателями служат девять силовых установок Mitsubishi, а роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, работающей от отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.
В начале 80-х годов специалисты команды Кусто задумались над созданием для корабля вспомогательного экологичного двигателя. Казалось бы, чего проще — под парусами корабли плавают тысячелетиями. Но хотелось создать нечто необычное, вот тут и вспомнился старый проект немца Антона Флеттнера, который в 20-х годах прошлого века создал уникальный движитель на основании эффекта Магнуса.
Сам эффект Магнуса был открыт еще в 1852 году. Хотя берлинец Генрих Магнус весьма детально описал открытое им явление, оно поначалу интересовало (да и то немного) исключительно физиков. Суть открытия была такова — если поток воздуха или жидкости обтекает вращающееся тело, то возникает сила ортогональная потоку движения среды и действующая на это вращающееся тело.
Это явление возникает по причине того, что вращающееся тело создает вокруг себя вихревые потоки. С той стороны, с которой направление движения среды совпадает с направлением вихря, скорость передвижения среды увеличивается, с обратной стороны направление движения среды противоположно направлению вихря, здесь скорость среды уменьшается. А вот за счет разностей скоростей среды с различных сторон вращающегося тела, и появляется нескомпенсированная сила ортогональная направлению движения среды.
Похожее явление, основанное на разности скоростей обтекания воздухом крыла сверху и снизу, вызывает в аэродинамике подъемную силу, которая успешно используется в самолетостроении уже более века.
Слабыми местами для использования эффекта Магнуса в технике виделись 2 момента — вращающийся ротор требовалось на что-то укрепить, а эта вещь, на которой он укреплен начнет движение в направлении, зависящем от ветра. На земле тележка с подобным ротором просто не поедет из-за силы трения, а железные дороги имеют строгое направление, которое вряд ли будет совпадать с силой, появившейся в результате эффекта Магнуса. А во вторых сам по себе ротор вращаться не станет. Но эти слабые места вполне можно обойти, если установить ротор на водное судно — по морю парусные корабли практически никогда не ходили по прямой, но нужной цели достигали. А заставить вращаться ротор можно с помощью небольшого двигателя, сила, появившаяся в результате проявления эффекта Магнуса, даст приличный итоговый выигрыш.
Ротор Флеттнера
Для начала Флеттнер решил проверить возможность использования эффекта Магнуса.
Для этого немецкий изобретатель сделал шлюпку длиной около метра, на которую установил ротор из бумаги метровой высоты. В качестве движителя был приспособлен часовой механизм. И шлюпка реально начала движение под воздействием силы возникшей в результате проявления эффекта Магнуса.
А что же изобрел Жак-Ив Кусто?
Как посчитали специалисты команды Кусто, у них получился вполне приемлемый вспомогательный движитель, сокращающий расход топлива двигателей примерно на треть.
Сейчас планируется установка роторных движителей на некоторые крупные корабли, что даст экономию топлива примерно в 10%.
Сразу стоит уточнить, что подобные конструкции, причем независимо от их размеров, не могут заменить привычные двигатели. Но зато, выступая в роли вспомогательного движителя, они способны снизить нагрузку на основную силовую установку, и тем самым заметно уменьшить расход топлива.
На протяжении последних десяти лет компания SkySails, известная как производитель воздушных змеев гигантских размеров, отрабатывала технологии, позволяющие задействовать силу ветра в коммерческих целях.
Контейнеровоз MS Beluga Skysails – первое в мире коммерческое грузовое судно с дополнительной тягой в виде воздушного змея. Как показали итоги трансатлантического перехода, благодаря системе SkySails, удалось добиться экономии примерно 10-12% дизельного топлива. Если перевести это количество в денежное измерение, то лишь за один рейс сухогруз MS Beluga SkySails сэкономил на заправке $15-20 тысяч.
В 2010 году по заказу компании Enercon было построено грузовое судно E-Ship1, оборудованное четырьмя роторами Флеттнера. Роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, использующей энергию отработавших газов основной силовой установки. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.
В двух словах как работает ротор Флеттнера. В народе есть выражение - эффект крученого мяча, в науке - Эффект Магнуса . Чем сильнее ветер и чем быстрее вращаются роторы - тем быстрее движется судно. Направление движения судна зависит от направления вращения ротора. Наибольший эффект достигается при боковом ветре, то есть - ветер дует в борт, а судно движется вперед (или назад).
Видео на немецком, но в принципе, понятно.
А еще вот : Норвежская компания Lade As в 2010 году разработала концепцию в которой, в качестве паруса используется корпус судна.
Экономия топлива такого судна оценивается в 60%, снижение выбросов на 80%.
Гугл переводит приблизительно так:
Горячий норвежский парень Терье Зарядка запатентовал Корабль -Ветер, который использовать в качестве круизного парома для перевозки автомобилей. Как яхта, галсами. Маршрут задает компьютер по сводке синоптиков. Топливо - природный газ. Денег на проект пока никто не дал, но Терье верит в успех и большую прибыль. Надо время, люди поняли. Пока Терье ждать.
Читайте также: