Magnus etkisi - Magnus effect

Magnus etkisi, bir hava akımında geri dönen bir silindir veya top ile tasvir edilmiştir. Ok, ortaya çıkan kaldırma kuvvetini temsil eder. Kıvrımlı akış çizgileri, türbülanslı bir uyanmayı temsil eder . Hava akışı dönüş yönünde saptırılmıştır.
Magnus etkisi: bir üstten eğirme silindirinde aşağı doğru kuvvet
Magnus etkisi. Boru dönerken sıvı sürtünmesinin bir sonucu olarak etrafındaki havayı çeker. Bu, hava akışını borunun bir tarafında daha yüksek hızda, diğer tarafında ise daha düşük hızda yapar.
2D sıvı sabit disklerde Magnus etkisi

Magnus etkisi gözlenebilir bir olgu genel olarak bir iplik ile ilişkilendirilmiş bir nesne bir geçiş hareketli sıvı . Dönen nesnenin yolu, nesne dönmediğinde mevcut olmayan bir şekilde saptırılır. Sapma, dönen nesnenin zıt taraflarındaki sıvının basıncındaki farkla açıklanabilir. Magnus etkisi dönme hızına bağlıdır.

Magnus etkisinin en kolay gözlemlenebilen durumu, dönen bir kürenin (veya silindirin) yaydan uzağa eğrilmesidir ve eğer dönmüyorsa takip edecektir. Genellikle futbol ve voleybol oyuncuları, beyzbol sürahileri ve kriket bowling oyuncuları tarafından kullanılır. Sonuç olarak, fenomen, birçok top sporunun fiziğinin incelenmesinde önemlidir . Ayrıca etkileri çalışmasında önemli bir faktördür eğirme üzerinde güdümlü füzeler -ve tasarımında örneğin bazı mühendislik kullanımlara sahiptir rotor gemileri ve Flettner uçaklar .

Top oyunlarında topspin , topun üst yüzeyini hareket yönünde hareket ettiren, hareket yönüne dik yatay bir eksen etrafında dönüş olarak tanımlanır. Magnus etkisi altında, topspin hareket eden bir topun yalnızca yerçekimi tarafından üretilecek olandan daha büyük bir aşağı doğru sapması üretir. Backspin , hareket eden bir topun uçuşunu uzatan yukarı doğru bir kuvvet üretir. Aynı şekilde, yan dönüş, bazı beyzbol sahalarında görüldüğü gibi, örneğin kaydırıcı gibi, her iki tarafa da kaymaya neden olur . Genel davranış, bir aerofoil etrafındaki davranışa benzer (bkz. kaldırma kuvveti ), ancak hava folyosu hareketinden ziyade mekanik rotasyon tarafından oluşturulan bir sirkülasyon ile .

Magnus etkisi adını , onu araştıran Alman fizikçi Heinrich Gustav Magnus'tan almıştır . Dönen bir silindir üzerindeki kuvvet , etkiyi ilk analiz eden Martin Kutta ve Nikolai Zhukovsky'den (veya Joukowski) sonra Kutta-Joukowski kaldırması olarak bilinir .

Fizik

Bu fenomenin sezgisel bir şekilde anlaşılması, Newton'un üçüncü yasasından gelir, yani vücut üzerindeki saptırıcı kuvvet, vücudun hava akışına uyguladığı sapmaya bir tepkidir. Vücut havayı bir yönde "iter" ve hava, vücudu diğer yöne doğru iter. Özellikle, bir kaldırma kuvvetine hava akışının aşağı doğru sapması eşlik eder. Vücudun kıçındaki sıvı akışında açısal bir sapmadır.

Lyman Briggs , Magnus'un beyzbol topları üzerindeki etkisiyle ilgili bir rüzgar tüneli çalışması yaptı ve diğerleri bu etkinin görüntülerini üretti. Çalışmalar, dönen topun arkasındaki türbülanslı bir izinin aerodinamik sürtünmeye neden olduğunu, ayrıca izde fark edilir bir açısal sapma olduğunu ve bu sapmanın dönüş yönünde olduğunu göstermektedir.

Bir hava akışında bir cismin kıç tarafında türbülanslı bir iz oluşumu süreci karmaşıktır, ancak aerodinamikte iyi çalışılmıştır. İnce sınır tabakası bir noktada vücuttan ayrılır (" akış ayrımı ") ve bu noktada iz oluşmaya başlar. Sınır tabakanın kendisi türbülanslı olabilir veya olmayabilir ve bunun iz oluşumu üzerinde önemli bir etkisi vardır. Cismin yüzey koşullarındaki oldukça küçük değişiklikler, iz oluşumunun başlangıcını etkileyebilir ve dolayısıyla akış aşağı akış modeli üzerinde belirgin bir etkiye sahip olabilir. Vücudun rotasyonunun etkisi bu türdendir.

Magnus etkisinin nedeni olarak cilt sürtünmesi ve viskozite nedeniyle laminer akış ile teorik bir etkiyi Magnus'un kendisinin yanlış varsaydığı söylenir. Bu tür etkiler fiziksel olarak mümkündür, ancak asıl Magnus etkisinde üretilenlere kıyasla hafiftir. Bazı durumlarda Magnus etkisinin nedenleri Magnus etkisinin tersine bir sapma üretebilir.

Yukarıdaki şema , geri dönen bir top üzerinde üretilen kaldırmayı göstermektedir. Uyanma ve takip eden hava akışı aşağı doğru saptırılmıştır. Top yüzeyinin dönme hareketinin ileri olduğu topun alt kısmında sınır tabaka hareketi daha şiddetlidir ve topun öteleme hareketinin etkisini güçlendirir. Sınır tabaka, kısa bir aradan sonra iz türbülansı üretir.

Beyzbolda bu efekt, beyzbolun ileri doğru döndüğü ('topspin' ile) bir eğri topun aşağı doğru hareketini oluşturmak için kullanılır. Topla oynanan diğer spor dallarına katılanlar da bu etkiden yararlanmaktadır.

Silindir üzerinde dönmeden kaynaklanan kuvvet Kutta-Joukowski kaldırması olarak bilinir . Döndürme ile üretilen girdap açısından analiz edilebilir. Birim uzunluk başına silindir üzerindeki kaldırma, F/L, hızın, v (metre/saniye cinsinden), sıvının yoğunluğunun, ρ (kg/m 3 cinsinden) ve dönme tarafından oluşturulan girdabın gücünün , G :

girdap kuvvetinin verildiği yerde

burada s silindirin dönüşüdür (saniyede devir olarak), ω silindirin dönüşünün açısal hızıdır (radyan / saniye olarak) ve r silindirin yarıçapıdır (metre olarak).

Tarih

Alman fizikçi Heinrich Gustav Magnus 1672 yılında, Ancak 1852 yılında etkisini tarif, Isaac Newton niteleyen ve doğru olarak gözlemleyerek sonra nedenini anlaşılmaktadır etmişti tenis onun oyuncular Cambridge kolej. 1742'de İngiliz matematikçi, balistik araştırmacısı ve askeri mühendis olan Benjamin Robins , tüfek mermilerinin yörüngesindeki sapmaları Magnus etkisi açısından açıkladı.

Sporda

Magnus etkisi, sporda , özellikle futbol , masa tenisi , tenis , voleybol , golf , beyzbol ve krikette dönen topların tipik yörüngelerinden veya yollarından yaygın olarak gözlemlenen sapmaları açıklar .

Bir golf topunun dilim veya kanca olarak bilinen kavisli yolu , büyük ölçüde topun dönme hareketinden (dikey ekseni etrafında) ve Magnus etkisinden kaynaklanır, bu da topu yörüngesinde düz bir çizgiden hareket ettiren yatay bir kuvvete neden olur. Bir golf topunun geri dönüşü (üst yüzeyin hareket yönünden geriye doğru dönmesi), yerçekimi kuvvetine hafifçe karşı koyan dikey bir kuvvete neden olur ve topun dönmediğinden biraz daha uzun süre havada kalmasını sağlar: bu, top, yatay ekseni etrafında dönmeyen bir toptan daha uzağa gidecektir.

Masa tenisinde, topun küçük kütlesi ve düşük yoğunluğu nedeniyle Magnus etkisi kolayca gözlemlenir . Deneyimli bir oyuncu topa çok çeşitli spinler yerleştirebilir. Masa tenisi raketleri, genellikle, bir dönüş sağlamak için rakete top üzerinde maksimum tutuş sağlamak için kauçuktan yapılmış bir yüzeye sahiptir.

Magnus etkisi geleneksel görülen kriket topu hareketten sorumlu tutulamaz salıncak bowling o "sorumlu olabilir ancak Malinga Swing" olarak bilinen hareketi olmasına katkıda bulunmaktadır sürüklenme ve dip içinde sıkma bowling .

Olarak airsoft olarak bilinen bir sistem şerbetçiotu kadar bir ateş bir kesmeye oluşturmak için kullanılır BB golf gibi benzer bir şekilde, Magnus etkisi kullanılarak, büyük ölçüde şekilde artırır.

In beyzbol , sürahi nedeniyle genellikle Magnus etkisi istenilen yönde eğri bunu neden topun üzerinde farklı spin vermek. PITCHf / x sistem önlemleri yörünge değişikliği atılmış bütün sahaları içinde Magnus neden olduğu büyük lig beysbol .

Maç topu için 2010 FIFA Dünya Kupası önceki maç topları farklı Magnus etkisi eleştiriliyor. Topun daha az Magnus etkisine sahip olduğu ve sonuç olarak daha uzağa uçtuğu ancak daha az kontrol edilebilir sapma ile tanımlandığı belirtildi.

Dış balistikte

Magnus etkisi, gelişmiş harici balistikte de bulunabilir . İlk olarak, uçuşta dönen bir mermi genellikle soldan veya sağdan esen olarak basitleştirilebilen bir yan rüzgara maruz kalır . Buna ek olarak, tamamen sakin havada bile bir mermi, yalpalama hareketinden dolayı küçük bir yan rüzgar bileşenine maruz kalır . Merminin uçuş yolu boyunca bu yalpalama hareketi, merminin burnunun, merminin hareket yönünden biraz farklı bir yönü gösterdiği anlamına gelir. Başka bir deyişle, mermi herhangi bir anda yana doğru "kayar" ve böylece herhangi bir yan rüzgar bileşenine ek olarak küçük bir yan rüzgar bileşeni yaşar.

Bu iki etkinin birleşik yan rüzgar bileşeni, hem merminin işaret ettiği yöne hem de birleşik yana doğru rüzgara dik olan bir Magnus kuvvetinin mermiye etki etmesine neden olur. Çeşitli karmaşık faktörleri göz ardı ettiğimiz çok basit bir durumda, yan rüzgardan gelen Magnus kuvveti, dönen mermiye (sol veya sağ rüzgara ve dönüşe bağlı olarak) yukarı veya aşağı bir kuvvetin etki etmesine neden olur ve merminin uçuş yolunun sapmasına neden olur. yukarı veya aşağı, böylece çarpma noktasını etkiler.

Genel olarak, Magnus kuvvetinin bir merminin uçuş yolu üzerindeki etkisi, aerodinamik sürükleme gibi diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında genellikle önemsizdir . Bununla birlikte, merminin stabilitesini büyük ölçüde etkiler, bu da sürüklenme miktarını, merminin darbe üzerine nasıl davrandığını ve diğer birçok faktörü etkiler. Merminin stabilitesi etkilenir, çünkü Magnus etkisi merminin ağırlık merkezi yerine basınç merkezine etki eder . Bu , merminin yalpalama açısını etkilediği anlamına gelir ; mermiyi uçuş yolu boyunca ya uçuş eksenine doğru (yaw'ı azaltarak mermiyi stabilize eder) ya da uçuş ekseninden uzağa (sapmayı artırarak merminin dengesini bozar) çevirme eğilimindedir. Kritik faktör, sırasıyla merminin hızına (süpersonik veya ses altı), aynı zamanda şekil, hava yoğunluğu ve yüzey özelliklerine bağlı olan akış alanı yapısına bağlı olan basınç merkezinin konumudur. Basınç merkezi ağırlık merkezinin önündeyse, etki dengesizleşir; basınç merkezi ağırlık merkezinin arkasındaysa, etki dengeleniyor.

Havacılıkta

Anton Flettner'ın rotor uçağı

Bazı uçaklar, Magnus efektini kullanarak, kanat yerine dönen bir silindir ile kaldırma oluşturmak ve daha düşük yatay hızlarda uçuşa izin vermek üzere inşa edilmiştir. Magnus etkisini havadan ağır bir uçak için kullanmaya yönelik ilk girişim, 1910'da ABD'li bir Kongre üyesi olan Massachusetts'ten Butler Ames tarafından yapıldı. Bir sonraki girişim 1930'ların başında New York eyaletindeki üç mucit tarafından yapıldı.

Gemi tahriki ve stabilizasyonu

Flettner rotorları monte edilmiş E-Ship 1

Rotor gemileri , tahrik için Flettner rotorları adı verilen direk benzeri silindirler kullanır . Bunlar geminin güvertesine dikey olarak monte edilir. Rüzgar yandan estiğinde, Magnus etkisi ileriye doğru bir itme yaratır. Bu nedenle, herhangi bir yelkenli gemide olduğu gibi, bir rotorlu gemi ancak bir rüzgar estiğinde ileriye doğru hareket edebilir. Efekt ayrıca , su hattının altına monte edilmiş ve yanal olarak ortaya çıkan dönen bir silindirden oluşan özel bir gemi dengeleyici tipinde de kullanılır . Dönüş yönünü ve hızını kontrol ederek, güçlü kaldırma veya bastırma kuvveti oluşturulabilir. Sistemin bugüne kadarki en büyük yerleşimi, Eclipse motor yatındadır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar