Юный техник, 2007 № 07
Шрифт:
Техническая характеристика:
Длина… 4,660 м
Ширина… 1,828 м
Высота… 1,417 м
База… 2,700 м
Объем двигателя… 1859 см 3
Мощность… 160 л.с.
Максимальная скорость… 212 км/ч
Снаряженная масса… 1480 кг
Вместимость топливного бака… 70 л
Разгон до 100 км/ч… 9,7 с
Средний расход топлива… 8,7
ПОЛИГОН
Парусники без парусов
В 1931 году в Германии появилось небольшое грузовое судно «Букау». И хотя на нем не было парусов, именно под действием ветра оно уверенно пересекало Атлантический океан.
На палубе «Букау» располагались два цилиндра высотою 15,6 и диаметром 2,8 м. Вращаясь, они, подобно парусам, гнали корабль по волнам, благодаря физическому эффекту, который первыми обнаружили… артиллеристы.
В середине XIX века на вооружение армии поступила нарезная артиллерия. Снаряды ее вращались, и это повышало меткость стрельбы. Но вели себя снаряды все же странно: при боковом ветре их дальность полета то возрастала, то значительно уменьшалась.
Причину этого явления выяснил в 1852 г. немецкий ученый Густав Магнус. Он обнаружил, что на вращающийся цилиндр, обдуваемый сбоку ветром, действует сила, перпендикулярная его направлению (это явление стали называть эффектом Магнуса). Снаряд нарезного орудия — это, в сущности, и есть вращающийся цилиндр. Потому, когда ветер дул на него с одного бока, он поднимался и летел дальше, а когда дул с другой стороны, то терял высоту.
Физическую суть эффекта Магнуса прояснил профессор Геттингенского университета Л.Прандтль в начале 1900-х годов. Вот, что происходит на поверхности вращающегося цилиндра, обдуваемого воздушным потоком. На одной его стороне направление вращения совпадает с направлением потока, а с другой — ему противоположно.
Воздух, коснувшийся поверхности цилиндра, образует на ней так называемый пограничный слой, в котором, чем ближе к поверхности, тем меньше его скорость относительно этой поверхности. На самой же поверхности воздух относительно неподвижен, он как бы к ней прилипает. По мере поворота цилиндра «прилипший» к ней пограничный слой устремляется навстречу внешнему потоку, отрывается от поверхности цилиндра, и возникает давление, направленное перпендикулярно потоку, омывающему цилиндр.
Такая же сила возникает и на парусе, и на крыле самолета. Но у цилиндра она примерно в десять раз больше. Поэтому вращающиеся цилиндры — роторы — были использованы немецким инженером Флеттнером вместо парусов судна «Букау». При совсем небольшом ветре 8 м/с на каждом цилиндре возникала сила тяги в 2300 кг. Цилиндры вращались электромоторами мощностью 18 л.с., получавшими энергию от дизельной электростанции.
Так получается боковая сила при обтекании вращающегося цилиндра ( эффект Магнуса).
Под действием ветра судно двигалось со скоростью 40 км/ч, при этом на преодоление силы сопротивления расходовалась мощность около 700 л.с. Сравните: если то же судно двигать при помощи винтов, то понадобятся двигатели общей мощностью около 1000 кВт!
А будь «Букау» парусником, для обслуживания парусов понадобилось бы 20 человек. Между тем для обслуживания роторов Флеттнера хватало одного механика.
К сожалению, суда с ротором Флеттнера зависели от прихотей ветра и были вытеснены теплоходами. Интерес к ним возродился в 70-е годы прошлого века в связи с ростом цен на топливо и повышением внимания к вопросам экологии. Французский исследователь океана Ж.И.Кусто в 1980 г. построил судно «Калипсо», оснащенное двумя роторными ветродвижителями. На каждом его роторе имелся щиток, направляющий поток воздуха. Изменяя его положение, можно было получать тягу в нужном направлении независимо от того, куда дует ветер. К сожалению, опыты с такими судами были прекращены после кончины ученого и более не возобновлялись.
Зависимость от ветра для торговых и грузовых судов, безусловно, большой недостаток. Однако на небольших лодках рыболовов и туристов компактные роторные ветродвижители могли бы найти широкое применение.
Судя по опытам Флеттнера и Кусто, для получения одной и той же скорости мощность двигателя, вращающего ротор, была бы примерно в 20 раз ниже, чем мощность лодочного мотора, работающего на винт.
Для лодки необходимую мощность можно было бы получить, вращая ротор при помощи педалей. Средняя мощность, которую ноги человека могут давать без особого напряжения в течение длительного времени, составляет 100–200 Вт. При этом от роторов Флеттнера можно получить тягу, как от лодочного мотора мощностью 2–4 л.с. Добавим, что лодка двигалась бы в полной тишине, не пугая рыбу, и при полном отсутствии выхлопа. Такие суда можно оснастить подводными крыльями, и они, используя совместную силу ветра и мускульную силу человека, смогут двигаться со скоростью 30–40 км/ч. Если ветра нет, то мощность педалей можно переключить на винт.
Для быстроходного катера с ротором Флеттнерадостаточно мускульной силы.
Опыты по созданию судов с ротором Флеттнера можно начать с небольшой модели, приводимой в действие электродвигателем от игрушек.
В целом она не намного сложнее обычной модели лодки. Особое внимание нужно уделить изготовлению самого ротора. Его тягу можно рассчитать по формуле профессора В.И.Меркулова:
Р = 8,1U•V•d•h,
где Р— сила тяги ротора в ньютонах, U— скорость ветра, м/с, V— линейная скорость поверхности ротора, м/с, d— диаметр ротора, м, h— высота ротора, м.
Если ротор сделать из банки от кофе диаметром 10 см и высотой 14 см, то при скорости ветра 5 м/с может получиться вполне приличная тяга в 2,8 Н, или 277 г. В таком случае ротор должен делать 16 об/с, или 960 об/мин.