Что лучше обычный парус или роторный. Великой депрессией утопленный: дизельно-роторный парусник "Барбара"

Шхуна «Букау» с роторными парусами

Впервые роторные турбопаруса немецкого инженера Антона Флеттнера были успешно испытаны на шхуне «Букау» в 1924 году .

В 1980-х годах более сложная форма турбопаруса была разработана французскими инженерами под руководством океанолога Жака-Ива Кусто . Наиболее успешно она применялась на судне «Алсион ».

Техническая конструкция

Концепция

Эффективность системы, однако, до сих пор не подвергалась обстоятельному сравнительному анализу. Система Турбопарус успешно действовала только на двух судах, и группа Кусто - единственная в мире организация, располагающая большим объёмом данных об этом устройстве. Страница, посвящённая «Алсиону» на сайте Команды Кусто , сообщает, что Турбопарус способен обеспечить экономию до 35 % горючего .

Раннее развитие (1981-1982) : «Moulin à Vent»

Кусто и его исследовательская команда установили своё изобретение на катамаран под названием «Moulin à Vent» (с фр. - «ветряная мельница») и опробовали систему в плавании из Танжера в Нью-Йорк . Переход подходил к концу, когда недалеко от американского берега судну пришлось столкнуться с ветрами, скорость которых превышала 50 узлов . Сварные швы , удерживавшие турбопарус в вертикальном положении, лопнули, и прототип рухнул в море.

Прототип системы состоял из единственной трубы, выкрашенной в тёмно-синий цвет. Исследовательская программа судна ставила целью определить эффективность тяги системы. Хотя турбопарус и давал тягу и энергию, но в меньших количествах, чем обычные паруса и генераторы, которые он замещал. Конструктивные проблемы системы привели к короблению конструкции и появлению трещин у основания паруса (за счёт усталости металла). Всё это значительно снизило эффективность турбопаруса. После того, как основная идея получила подтверждение, Кусто и его группа прекратили работу над прототипом, полностью сосредоточившись на более крупном судне, «Алсионе».

«Алсион»

Кусто использовал приобретённый опыт при постройке нового судна. Совместно с инженерами-судостроителями он разработал алюминиевый корпус, прочный и лёгкий. Кормовая часть, аналогичная катамарану, придавала судну стабильность, а одиночный нос был заложен в конструкцию, чтобы разрезать волны и облегчать движение в бурном море. Два турбопаруса были установлены на палубе, а два дизельных двигателя давали питание нагнетателям. Судно было названо по имени Алкионы , дочери древнегреческого бога ветров Эола .

При постройке «Алсиона» (начатой в 1985 году) учитывались результаты работы с «Moulin a Vent». С использованием двух турбопарусов с уменьшенным соотношением сторон нагрузки на металл поверхностей значительно уменьшились. Оба паруса включали также осевые турбины для выработки энергии, а управление системой осуществляли компьютеры, подешевевшие к тому времени. Компьютеры координировали работу турбопарусов и дизелей, запуская последние, когда ветер полностью стихал, и останавливая их при достаточной скорости ветра. Для управления судном достаточно было всего 5 человек.

В 1980-х годах Кусто сделал «Алсион» флагманским судном своей группы и основной плавучей базой для исследований. Судно обошло вокруг света, собирая информацию об использовании турбопаруса в различных погодных условиях, полностью подтверждая при этом замысел создателей.

Расчеты экономистов показывают, что в настоящее время суда, использующие для движения ветер, - ветроходы - не могут составить конкуренцию судам, имеющим обычный механический двигатель. Среди многих причин, по которым грузовые ветроходы на нынешний момент признаются непригодными к широкому использованию, хотелось бы задержаться на двух, с нашей точки зрения, наиболее серьезных. Обе носят принципиальный характер.

К сожалению, в отношении одной из них человек практически беспомощен, и даже время не сможет здесь что-либо изменить. Эта причина объективно связана с фактической бедностью «месторождений» ветровой энергии. Ветер есть везде, но его потенциальные возможности как бы размазаны по поверхности нашей планеты. Районы устойчивых ветров типа зон постоянных пассатов редки. Ветер непостоянен по силе и направлению; его средняя скорость, от которой зависят возможности паруса или другого ветрового движителя, мала. Соответственно, малы кинетическая энергия местного воздушного потока и те перепады давлений, которые можно реализовать на рабочих элементах ветроустановок. Крайне обидно, что из огромного числа клокочущих тонн атмосферы (5,5X10 15 т) на нашу долю природой выделяются только те крохи, которые попадают в «коридор» шириной не больше длины корабля и высотой (если быть реалистами) не больше нескольких десятков метров. Словом, месторождения заветного «ископаемого» обширны, общие запасы огромны, но использовать мы можем лишь незначительную их часть.

На изменение этого положения, определенного природой, рассчитывать не приходится. Очевидно, главные усилия необходимо направлять на повышение эффективности ветроэнергетических установок (ВЭУ). В случае движения судна - на получение максимальной движущей силы при ветре данного направления и силы.

Существующие варианты ветровых движителей, разнообразные по конструкции, принципу действия, своим достоинствам и недостаткам, в большинстве случаев имеют рабочие органы в виде аэродинамического крыла. На полном курсе любой парус представляет собой крыло, работающее в неблагоприятном «закритическом» режиме. На остром к ветру курсе хороший парус обладает всеми главными достоинствами настоящего крыла. В спортивном судостроении уже давно используют жесткие и полужесткие паруса-крылья.

Для оценки эффективности столь разнообразных устройств можно использовать два соотношения: одно - между реализуемой устройством силой и скоростью потока, другое - между величиной подъемной силы и лобовым сопротивлением.

Первое соотношение удобнее всего представить в виде двух «безразмерных» характеристик:

где Y - подъемная сила; X - лобовое сопротивление; S - характерная площадь; С у, С х - соответственно коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления; V - скорость потока, набегающего на устройство.

Второе соотношение называют аэродинамическим качеством

По нашему представлению, независимо от конструктивного типа конкретного ВЭУ, от того, каким образом скомпонованы в его габаритах крыльевые элементы, эффективность движителя в лучшем случае может лишь приблизиться к эффективности некоторого совершенного крыла соответствующих размеров. У такого крыла даже при высоком К максимальные значения С у не превышают величин порядка 1,0-1,1. Эти цифры, по существу, определяют верхнюю границу умеренных возможностей ВЭУ рассматриваемого класса. В этом и состоит вторая причина сегодняшней неконкурентоспособности ветроходов.

Делать прогнозы в технике и науке - занятие достойное, но и очень трудное. Будет очень хорошо, если пессимистическое заключение, высказанное выше, окажется ошибочным. Однако о сложности обсуждаемой проблемы свидетельствует тот факт, что «чайные» клипера нуждались в большом количестве парусов, да и в проектах современных ветроходов паруса-крылья имеют огромную высоту.

По-видимому, нужно искать новые типы и конструкции ветродвижителей. Один из возможных и перспективных вариантов - роторы А. Флетнера - движители, работающие с подводом энергии. Они представляют собой вертикальные цилиндры, установленные на палубе и приводимые во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Как показали эксперименты, а затем и опыт эксплуатации ротороходов, подвод относительно небольшого количества механической энергии для вращения роторов позволяет значительно повысить коэффициент подъемной силы, а значит, и существенно уменьшить эффективную площадь парусности ветрохода по сравнению с его классическим прототипом.

Эффект возникновения подъемной силы на вращающемся цилиндре, обтекаемом потоком воздуха (эффект Магнуса), объяснил в 1852 г. берлинский физик Г. Магнус, занимавшийся исследованиями баллистики - законов движения снарядов, Снаряды, получавшие вращение в нарезной чести ствола орудия, под действием бокового ветра странным образом изменяли свою траекторию вопреки рассчитанной для них баллистической кривой. Позже это явление было рассмотрено в работе знаменитого физика лорда Рэлея «Нерегулярный полет теннисного мяча». Особенность закрученного теннисного (футбольного или волейбольного) мяча заключается в том, что под влиянием эффекта Магнуса при определенном соотношении скорости полета и вращения, регулируемых нападающей стороной, он может упасть на игровое поле в совершенно неожиданном для «противника» месте.

Чтобы лучше понять принцип работы роторного движителя, представим себе картину обтекания неподвижного цилиндра идеальным однородным потоком, т. е. лишенной вязкости жидкостью (рис. 1,а). Пусть жидкость натекает на цилиндр со скоростью V 0 . По мере продвижения жидкой частицы от точки А к поперечному сечению цилиндра ее скорость повышается, а в точках Б и Б 1 становится равной 2V 0 . Согласно известному закону Бернулли, давление в потоке в этих точках цилиндра должно соответственно понизиться по сравнению с давлением «на бесконечности» (рис. 1, г). При этом давление распределяется симметрично относительно осей хх и yy.

Если же по-прежнему невращающийся цилиндр обтекается реальной жидкостью или газом, обладающими вязкостью, то картина обтекания изменяется (рис. 1, б). Частицы жидкости, миновав сечение Б-Б 1 , в результате действия сил трения затормаживаются, а в точках В и В 1 слой частиц отрывается от поверхности цилиндра, симметрия течения нарушается, на тыльной стороне цилиндра появляется область пониженного давления - разрежения. Она обусловливает возникновение силы лобового сопротивления X.

Теперь представим, что цилиндру, помещенному в реальную - вязкую, неподвижную в целом жидкость, придается вращение вокруг его оси (рис. 1, в). Поверхность цилиндра вовлечет в движение ближайший к ней слой частиц жидкости, которые как бы прилипают к цилиндру. Следующий слой частиц будет вращаться уже с меньшей скоростью за счет проскальзывания слоев относительно друг друга - скорость уменьшится пропорционально отстоянию частиц от поверхности цилиндра. На достаточно большом удалении жидкость останется неподвижной, т. е. V c =0. Таким образом, цилиндр окажется окруженным завихренным потоком жидкости, интенсивность вращения которого измеряется циркуляцией - произведением скорости частиц на длину их кругового пути. У поверхности цилиндра циркуляция Г=V c ·2πr 0 , где V c - скорость частиц; r 0 - радиус цилиндра.

Чтобы представить себе обтекание вращающегося цилиндра, помещенного в однородный поток, можно использовать принцип наложения двух из рассмотренных выше схем друг на друга (рис. 2, а). В любой точке поверхности цилиндра суммарную скорость частиц можно определить, складывая скорости, соответствующие симметричному обтеканию невращающегося цилиндра, и касательные скорости циркуляционного происхождения. Например, в точке Б первая из скоростей равна 2V0, вторая скорость составляет Vc; суммарная скорость 2V 0 +V c . В точке B 1 касательная скорость V c направлена против скорости потока 2V 0 ; суммарная скорость составит 2V 0 -V c . В результате получившейся разности скоростей (а отсюда и давлений) на верхней и нижней сторонах возникает подъемная сила Y, стремящаяся поднять цилиндр вверх. В этом и состоит эффект Магнуса, использованный в роторном движителе А. Флетнера. Величина подъемной силы на роторе зависит от соотношения скорости вращательной части движения точек поверхности ротора V c и скорости воздушного потока V 0 , набегающего на устройство.

Распоряжаться ветром человек не в силах, зато может полностью контролировать величину V c: при помощи двигателя можно вращать цилиндр и быстрее и медленнее; соответственно, можно управлять и величиной подъемной силы.

В случае обтекания обычного крыла допустимо символическое разделение результирующего течения на безвихревое и «завихренное». Сперва циркуляция возникает при срыве слоев жидкости, обтекающих верхнюю и нижнюю поверхности крыла, с острой задней его кромки в виде так называемого «стартового вихря». В дальнейшем она сохраняется, обеспечивая плавное обтекание задней кромки; При постоянной геометрии крыла скорость циркулирующего потока определяется углом атаки а и скоростью основного потока V 0 . Таким образом, величиной подъемной силы крыла можно управлять, изменяя угол атаки.

Сравнение достоинств крыла и вращающегося цилиндра можно продолжить, опираясь на результаты экспериментов А. Флетнера, но прежде следует учесть одно обстоятельство. Выше рассматривалось обтекание поперечного сечения цилиндра и крыла в одной плоскости - двухмерным потоком жидкости. На самом деле и цилиндр и крыло имеют ограниченную длину, или размах. У концов цилиндра жидкость из области повышенного давления перетекает на сторону разрежения, возникают дополнительные и нежелательные вихревые потоки. Соответственно, величина подъемной силы падает, возникает дополнительное «индуктивное» сопротивление. Чем больше длина цилиндра в сравнении с его диаметром, тем меньше концевые потери и индуктивное сопротивление. Снизить эти потери можно, установив на торцах цилиндра аэродинамические шайбы.

На рис. 3,а представлены результаты экспериментальных замеров коэффициента подъемной силы С у вращающегося цилиндра с относительным удлинением L/D=4,7, снабженного аэродинамическими шайбами и без них. Для роторного движителя, установленного на судне, нижней шайбой может быть палуба; закрепить на верхнем конце ротора шайбу диаметром 1.7D не представит труда. Поэтому можно считать, что достичь коэффициента подъемной силы С y =9 для реального ротора, установленного на судне, несложно. А это гораздо выше, чем коэффициент подъемной силы самого совершенного крыла, и тем более выше (раз в 10), чем такой же коэффициент, определяющий самый хороший парус!

График показывает, что подъемная сила на роторе растет до V c /V 0 =4. Это значит, что скорость вращения ротора может не быть слишком высокой. Чем больше диаметр ротора, тем меньшая частота вращения необходима для достижения максимальной подъемной силы. Другой важный вывод; при, скажем, незапланированном повышении скорости ветра коэффициент подъемной силы автоматически снижается. Значит, при шквале кренящий момент на роторном судне возрастает не в столь большой степени, как на обычном паруснике.

Обратимся теперь к графику зависимости коэффициента лобового сопротивления ротора С х от относительной скорости V c /V 0 (рис. 3, б). Уже при V c /V 0 ≥2 сопротивление ротора резко возрастает, что становится причиной снижения аэродинамического качества ротора по сравнению с крылом.

Аэродинамической характеристикой ротора как движителя может служить поляра - график изменения С у в зависимости от величины С х и, как подразумевается, соотношения V c /V 0 (рис. 4). Для сравнения на рис. 4 нанесена поляра гафельного паруса, обычно применяющегося для оснащения шхун.

Анализируя отношение С у /С х для обоих типов движителей, можно заметить, что качество косого паруса выше, но на единицу площади парусности (напомним, для ротора - это диаметр, умноженный на высоту) на роторе можно получать существенно более высокую подъемную силу.

Посмотрим теперь, каким образом силы, действующие на ротор, превращаются в силу тяги, движущую судно (рис. 5). Следует учитывать, что ротор обтекается потоком воздуха, скорость и направление которого (v в) отличаются от скорости и направления ветра (v и). Поскольку судно имеет ход, то появляется встречный поток воздуха (v к), который нужно сложить по правилу суммирования векторов с истинным ветром.

Сумма подъемной силы Y и лобового сопротивления X на роторе дают результирующую аэродинамическую силу R, которая также может рассматриваться в систем.е координат, связанной с судном, в виде двух составляющих - силы тяги Т и дрейфа D. Очевидно, как и любое парусное судно, ротороход прямо против ветра идти не сможет. Важно, чтобы сила R давала составляющую Т, направленную в нос корабля. Чем ниже качество ротора, тем больше минимальное значение курсового угла φ к (например, при К=1,4 φ к =35°; при К=3 φ к =18° и т. д.). Испытания показали, что роторные суда способны ходить под углом к истинному ветру φ к =25-30°.

Максимальную тягу ротор обеспечивает на курсе бакштаг. При этом поперечная составляющая аэродинамической реакции D направлена в наветренную сторону, т. е. противодействует кривящему моменту (см. рис. 5, б). На курсе, близком к фордевинду, подъемная сила ротора направлена перпендикулярно курсу, т. е. она только способствует дрейфу и крену судна. Тяга обеспечивается за счет лобового сопротивления, поэтому приводить во вращение ротор не имеет смысла. Но этом курсе тяга составляет малую долю ее максимально возможной величины.

Графически изменение величины тяги роторного движителя в зависимости от курса судно показано на рис. 6.

Изменяя направление вращения ротора, можно менять и направление действия аэродинамической силы R почти на обратное. Если на судне установлена пара роторов, то оно может двигаться вперед, назад и разворачиваться практически на месте (рис. 7).

На рис. 8 привалены расчетные кривые сопротивления и аэродинамической силы ка роторах судна А. Флетнера «Буккзу». Скорость вращения роторов постоянна, но изменяется скорость воздушного потока, т. е. имитируется усиление ветра. На обычном паруснике в такой ситуации убирают часть парусов или берут рифы. На роторном судне рифы не взять, но при повышении скорости ветра, как видно из графика на рис. 8, кренящая сила на роторе не увеличивается. Если ротор остановить (V c =0), та аэродинамическая реакция окажется намного меньше даже силы сопротивления рангоута и такелажа обычного парусника при убранных парусах. Подобными свойствами не обладает ни парус, ни (том более) жесткий парус-крыло.

Эксперименты показали, что затраты мощности на вращение ротора с оптимальной частотой составляют буквально проценты от мощности, реализуемой роторным движителем для движения судна.

Данные по кораблям А, Флетнера приведены в таблице. За короткий срок предприимчивый изобретатель (или изобретательный предприниматель) построил и испытал пять плавающих единиц.

Первой была трехфутовая модель роторохода «Данциг», снабженная склеенным из плотной бумаги ротором. Для его вращения был приспособлен пружинный часовой механизм. В этом эксперименте Флетнер не делал никаких замеров, он только проверял то, в чем не сомневался сам и во что отказывались верить его оппоненты: может ли ротор служить движителем судна?

Оппонентов было немало, начиная с самого Г. Магнуса, который, сделав открытие, счел его практически бесполезным. В ту пору А. Флетнер, искавший более эффективную замену традиционному парусу, искренне верил в перспективность жестких парусов-крыльев. Он успел разработать проект переоборудования плавающей баркентины и заключил договор с верфью и с аэродинамической лабораторией, где начались эксперименты с механизированным крылом. Надо же было так случиться, что именно в это время у изобретателя появилась мысль о возможности создания роторного судна! Изобретателю необходима была уверенность в конечном результате. Эту уверенность принесла ему уже первая маленькая модель.

Затем последовали лабораторные эксперименты. Флетнер пользовался консультациями и поддержкой таких известных ученых, как А. Бетц, И. Аккерет и Л. Прандтль. Результатом этих работ было переоборудование и испытание роторного варианта бывшего парусника «Буккау» (рис. 9). Это первый ротороход, который вышел в море. «Буккау» легко переносил шквальные ветра, ходил так же остро к ветру, как парусники, оснащенные косыми парусами. Ротороход продемонстрировал и замечательные маневренные качества. В первом грузовом рейсе из Данцига (Гданьска) в шотландский порт Грейнджмут погодные условия были очень тяжелыми. Как писали газеты, при такой погоде и ветре ни один парусник не смог бы войти в залив Фёрт-оф-Форт, в котором расположен Грейнджмут. Через год, когда ротороход, сменивший свое название на «Баден-Баден», пересек Атлантический океан, на моряков произвело сильное впечатление то, что судно самостоятельно дошло почти до самой причальной стенки в Нью-Йоркском порту.

Окрыленный успехом, изобретатель был убежден, что станет реформатором грузового мореплавания. Но этого^ ему было мало: А. Флетнер оборудовал роторами две яхты. Результаты этого эксперимента также были многообещающими. Одиннадцатиметровая яхта (рис. 10) ходила отлично; при слабом ветре она несколько уступала в скорости прототипам, оснащенным парусами, а при сильном - обгоняла их. На вращение цилиндра расходовалась мощность 1-2 л. с.; максимальная скорость на ходовых испытаниях, по свидетельству автора, составляла 12-13 уз.

Последним ротороходом А. Флетнера и последним до настоящего времени ротороходом, бороздившим море, была «Барбара» - первое судно, специально построенное для роторного движения. На него предполагалось поставить один ротор высотой 29,9 м и диаметром 7,04 м. Однако в то время промышленность не могла выпускать шарикоподшипники нужных размеров, поэтому на «Барбаре» появились три ротора. Их размеры незначительно превышали те, что надежно работали на «Буккау».

В настоящее время ротороходы не строятся и не плавают. Появившись в 20-е годы, они сразу же исчезли. Остался только опыт, который позволяет подытожить достоинства и недостатки роторных движителей.

Ротор обладает высоким коэффициентом подъемной силы (2,5-10,0) против парусного (1,0-1,1).

Движитель прост в обслуживании (10 парусов баркентины «Буккау» или два управляемых с мостика ротора, что проще?).

Ротор выходит на рабочий режим в считанные минуты, тогда как постановка и уборка парусов занимает очень много времени. Экипаж роторного судна освобожден от тяжелой и опасной работы на реях и мачтах. Ротороход обладает хорошими маневренными качествами. При шквалистом усилении ветра аэродинамические силы на роторе возрастают в гораздо меньшей степени, чем на парусах, поэтому роторное судно в меньшей степени подвержено опасности получить большой крен или опрокинуться. Наконец, ротор можно применять и в качестве главной установки, и в качестве вспомогательного двигателя: он даст прирост скорости на несколько узлов или - экономию топлива.

Перечень достоинств внушителен, но почему сегодня не видно роторных судов на океанских трассах? Наверно, потому, что ротор обладает не только достоинствами, но и недостатками. О них мы упомянули только кратко, поскольку не это главное.

Ротороходы появились в период упоения человека прелестями технического прогресса. Уголь, а за ним нефть,- что им могло противостоять? Пароходные дымы казались символом могущества человека. И скорость, скорость, скорость...

А если не нефть, не уголь и не скорость? Тогда - проблемы, проблемы и - совершенно новые корабли. Быть может, чем-то похожие на ротороходы?

От редакции

Авторы статьи «Снова ротор?» убедительно показали нам достоинства незаслуженно забытых роторных судов Антона Флетнера. И доказали, что усовершенствованные с учетом последних достижений науки и техники роторные суда в определенных условиях могут оказаться высокоэффективными и рентабельными.

Совершенно очевидно главное их преимущество перед всеми классическими видами парусного вооружения - простота управления. Даже в 20-е годы была достигнута поражавшая современников полная его механизация - никакой команды на реях, один вахтенный, нажимающий кнопки! Сокращение построечной стоимости вдвое, по сравнению с традиционным парусным вооружением; высокая надежность, относительная простота и долговечность конструкции; меньший, чем у винджаммеров, угол лавировки, - эти неоспоримые плюсы ротора оправдывают обращение к опыту полувековой давности.

Не подумайте, что сказанное - лишь умозрительное заключение теоретиков. Вот мнение капитана «Барбары»; «Роторы - многообещающее средство, особенно для больших судов, совершающих продолжительные рейсы». Б. Рихтер - совладелец компании, эксплуатировавшей это так и остающееся пока единственным роторное судно специальной постройки, заявил: «Роторы помогают увеличить среднюю скорость на 2-3 уз», и рекомендовал применять их на судах, предназначенных для трансокеанских рейсов.

В наши дни все возрастающий интерес ко всем видам ветроэнергетических установок заставил инженеров и капитанов вспомнить об изобретении А. Флетнера. Сегодня речь идет о роторах как в первую очередь вспомогательном средстве движения, обеспечивающем экономию топлива на существующих грузовых судах-теплоходах.

Известно, например, предложение знаменитого английского конструктора многих оригинальных парусников Колина Мьюди. Его идея заключается в том, чтобы наладить выпуск модульных роторных установок с встроенными приводными электродвигателями. Будет несложно установить на палубе нужное число таких установок, подать питание от судовой электростанции и вывести управление роторами на щит в ходовую рубку.

Другой англичанин - доктор Д. Ж. Велликам предложил установить роторы на 150-метровом современном судне, мощность главного двигателя которого уменьшена до величины, обеспечивающей скорость 9 уз. По расчетам, при благоприятных ветровых условиях скорость такого судна (при отборе 50% имеющейся мощности на вращение двух роторов диаметром 12,5 м и высотой 75 м от КВЛ) составит 23 уз.

Еще один англичанин - Стивен Бэрон в 1977 г. детально разработал идею установки трех роторов высотой по 53 м и диаметром 12,5 м на серийный балкер (судно для навалочных грузов) длиной 226 м и грузоподъемностью 63 800 т. Цилиндры предложено сделать сварными из легкого сплава. Электроэнергию для приводных двигателей будет давать дизель-генератор мощностью около 750 л. с. При ходе в галфвинд и ветре 8,5 м/с ожидаемая скорость судна с выключенными главными двигателями составит 16 уз. Если даже роторы будут работать лишь 30% общего ходового времени, годовая экономия благодаря уменьшению расхода топлива составит минимум 400 тыс. долларов. (Повышение цен за последние пять лет существенно увеличивает эту цифру!) Наконец, тому же автору принадлежит проект научно-исследовательского судна-катамарана с двумя полностью погруженными сигарообразными 75-метровыми корпусами и надводной платформой, на которой установлены два ротора.

В нашем ЦНИИ морского флота выполнены оценочные проработки варианта с установкой трех 34,5-метровых роторов на серийный танкер грузоподъемностью 27 000 т. Расчеты (см. сборник трудов НКЦ «Исследование, проектирование и постройка парусных судов», Николаев, 1982) показали, что использование роторов одновременно с работой главного двигателя обеспечивает сохранение обычной скорости хода (15,2 уз) при снижении потребляемой мощности, а следовательно и расхода топлива, на 15-35%.

Однако все это, как видим, лишь более или менее проработанные проектные предложения. Так или иначе, но после «Барбары» о постройке где-либо роторных судов сведений нет . И это, очевидно, не случайность.

Главным доводом противников ротора служит необходимость лавировки как при ходе острыми курсами против ветра, так и при ходе полными курсами - от крутого бакштага до фордевинда (ведь это существенно снижает эффективность ветрохода при использовании классических путей парусников с постоянными попутными ветрами). В то же время с давних пор хорошо известно, что при ходе с попутными ветрами наиболее эффективно не поддающееся механизации прямое вооружение. Неудивительно, что в ряде исследовательских центров возникла одна и та же заманчивая идея: совместить достоинства ротора и прямого парусного вооружения.

Как сообщают Г. Алчуджан и Е. Фомина , вторая стадия исследований по применению ветродвижения, проводимых Управлением торгового флота США, включает анализ комбинации роторов Флетнера и классического вооружения клиперов и винджаммеров. Американские исследователи считают, что это «может обеспечить достаточную экономическую эффективность даже при перевозках высокотарифицируемых грузов».

Как уже, возможно, известно читателю (см., например, газ. «Правда» от 18.X 1982 г.), аналогичная работа проводится и в нашей стране. В ЦПКБ министерства морского флота создан аэродинамический движительный комплекс (АДК), позволяющий говорить о возрождении старой идеи ротора, но в совершенно новом - модернизированном виде: в сочетании с механизированным мягким прямым парусом. Проработаны варианты установки подобных модульных АДК на конкретных серийных судах нашего флота, выпускаются рабочие чертежи АДК.

Об этом по просьбе редакции рассказывает один из авторов АДК Георгий Михайлович Кудреватый. В следующем номере журнала предполагается напечатать статью об устройстве АДК и рассмотреть вариант его для установки на водоизмещающих катерах.

Примечания

1. Для ротора характерной площадью S является площадь меридионального его сечения, равная произведению диаметра О на высоту L.

2. Об этом рассказывается в очень содержательной и интересной книжке Ю. Крючкова и И. Перестюка «Крылья океанов», выпущенной изд-вом «Судостроение».

3. Хотя бы справедливости ради надо упомянуть, что пару лет назад самоходное роторное судно видели многие из отдыхающих на Кавголовском озере под Ленинградом. Это была обычная байдарка с ротором (два диска на мачте и пленка между ними), вращаемым педальным приводом. В полветра байдарка шла довольно уверенно, но для поворотов и хода другими курсами приходилось браться за весло. Изобретатель-байдарочник побывал в редакции и обещал подробно описать свою роторную систему в случае удачного завершения испытаний,

4. См. «Судостроение за рубежом», № 1, 1982 г.

Эту интересную модель роторной яхты предложили построить своим читателям наши друзья и коллеги из венгерского журнала «Эзермештер». Попробуйте сделать ее и вы.

Обычный парус знаком всем. Ветер надувает его, создавая движущую силу. А роторный парус, который вы видите на рисунках, передает усилие на винт, работая как двигатель. У этого паруса есть недостаток: модель яхты, оборудованная им, не может развить такую скорость, как с обычным парусом. Зато есть и преимущества: во-первых, отпадает необходимость «ловить ветер», меняя положение паруса; во-вторых, яхта практически одинаково ходит под любым углом к ветру и даже прямо против ветра.

Ротор устанавливается на яхте вертикально. Вращаясь под напором ветра, он через шесте

ренчатую пару приводит в движение вал гребного винта.

Конструкцию корпуса яхты выберите сами. Длина судна при указанных размерах ротора - не больше 700 мм. Ие выдалбливайте корпус из цельного куска дерева - он получится слишком тяжелым. Изготовьте легкий и прочный каркас и обшейте его фанерным шпоном. Изнутри шпон оклейте бумагой (она предохранит фанеру от растрескивания) и покройте водостойким лаком.

Чтобы яхта не опрокидывалась, оснастите ее швертом с грузом. На корме установите руль - его положение должно фиксироваться.

Лопасти ротора изогните из миллиметровой бальзы или фанеры толщиной 0,6 мм. Диски изготовьте из фанеры толщиной 1-1,5 мм. Ротор должен свободно вращаться на вертикально установленной спице.

После того как вам удастся построить и испытать яхту с роторным парусом, попробуйте поэкспериментировать, меняя высоту и диаметр ротора, форму его лопастей, величину винта. Быть может, вам удастся увеличить скорость яхты, улучшить ее устойчивость.

Полезные сокты

Полиэтиленовую пленку можно соединить так: зажмите два куска пленки между металлическими пластинками, чтобы края слегка выступали, и проведите горящей спичкой. Шов сварен.

Ваш младший братишка, который делает первые шаги, с трудом сохраняет равновесие на скользком паркете. Приклейте к подошвам пинеток две тонкие полоски резины вдоль ступни - и ребенок может смело ходить по натертому полу.

Небольшой постоянный магнит вставьте в тыльную часть рукоятки молотка. Теперь вам несложно будет после окончания работы собрать рассыпанные гвозди.

Эффект Магнуса – наглядная демонстрация

В Австралии физики-любители продемонстрировали эффект Магнуса в действии. Видеоролик с экспериментом, выложенный на хостинге YouTube, набрал более 9 млн просмотров.

Эффект Магнуса – физическое явление, возникающее, когда поток жидкости или газа обтекает вращающееся тело. При вращении летящего круглого тела вокруг него начинают циркулировать близлежащие слои воздуха. В результате в полете тело меняет направление движения.

Физики-любители 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 отмеченной точке. Второй раз мяч сбросили, немного прокрутив вокруг своей оси. Летящий мяч пролетел по необычной траектории, наглядно продемонстрировав эффект Магнуса.

Эффект Магнуса объясняет, почему в некоторых спортивных состязаниях, например в футболе, мяч летит по странной траектории. Наиболее яркий пример "аномального" полета мяча можно было наблюдать после штрафного удара футболиста Роберто Карлоса во время матча 3 июня 1997 года между сборными Бразилии и Франции.

2, 2008 г.

2, 2008 г.

СМЕРЧИ

ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО

МАЛЫЕ ВИХРИ

СИЛА КОРИОЛИСА

F K =2M[VΩ ], (20)

где М Ω . (33)

F л = q .

#969; и qV V п и B

Физпрактикум

Законы Кориолиса и Магнуса учитывают при запуске ракет, точной стрельбе на дальние расстояния, расчёте турбин, гироскопов и пр.

2. Обмотайте бумажный цилиндрик бумажной или текстильной лентой в несколько оборотов. Если теперь резко дёрнуть за конец ленты, она раскрутит цилиндрик и одновременно придаст ему поступательное движение. В результате под действием сил Магнуса цилиндрик полетит, описывая в воздухе мёртвые петли.

Подробнее см.: http://www.nkj.ru/archive/articles/13282/ (Наука и жизнь, ЦИКЛОНЫ И АНТИЦИКЛОНЫ)

ЦИКЛОНЫ И АНТИЦИКЛОНЫ

П. МАНТАШЬЯН.

Продолжаем публиковать журнальный вариант статьи П. Н. Манташьяна «Вихри: от молекулы до Галактики» (см. «Наука и жизнь № 2, 2008 г.). речь пойдёт о смерчах и торнадо - природных образованиях огромной разрушительной силы, механизм возникновения которых до сих пор не вполне понятен.

Вихревое движение воздуха наблюдается не только у тайфунов. Существуют вихри размерами, превышающими тайфун, - это циклоны и антициклоны, самые большие воздушные вихри на планете. Их размеры значительно превосходят размеры тайфунов и могут достигать более тысячи километров в диаметре. В некотором смысле это вихри-антиподы: у них практически всё наоборот. Циклоны Северного и Южного полушарий вращаются в ту же сторону, что и тайфуны этих полушарий, а антициклоны - в противоположную. Циклон приносит с собой ненастную погоду, сопровождаемую осадками, антициклон же, наоборот, приносит ясную, солнечную погоду. Схема образования циклона достаточно проста - всё начинается с взаимодействия холодного и тёплого атмосферных фронтов. При этом часть тёплого атмосферного фронта проникает внутрь холодного в виде своеобразного атмосферного «языка», в результате чего тёплый воздух, более лёгкий, начинает подниматься, и при этом происходят два процесса. Во-первых, молекулы паров воды под воздействием магнитного поля Земли начинают вращаться и вовлекают во вращательное движение весь поднимающийся воздух, образуя гигантский воздушный водоворот (см. «Наука и жизнь» № 2, 2008 г.). Во-вторых, наверху тёплый воздух охлаждается, и пары воды в нём конденсируются в облака, которые выпадают осадками в виде дождя, града или снега. Такой циклон может испортить погоду на срок от нескольких дней до двух-трёх недель. Его «жизнедеятельность» поддерживается за счёт поступления новых порций влажного тёплого воздуха и взаимодействия его с холодным воздушным фронтом.

Антициклоны связаны с опусканием воздушных масс, которые при этом адиабатически, то есть без теплообмена с окружающей средой, нагреваются, их относительная влажность падает, что и приводит к испарению имеющихся облаков. При этом за счёт взаимодействия молекул воды с магнитным полем Земли происходит антициклоническое вращение воздуха: в Северном полушарии - по часовой стрелке, в Южном - против. Антициклоны приносят с собой устойчивую погоду на период от нескольких дней до двух-трёх недель.

Видимо, механизмы образования циклонов, антициклонов и тайфунов идентичны, а удельная энергоёмкость (энергия единицы массы) тайфунов намного больше, чем циклонов и антициклонов, только за счёт более высокой температуры воздушных масс, нагретых солнечным излучением.

СМЕРЧИ

Из всех вихрей, образующихся в природе, наиболее загадочны смерчи, по сути дела, часть грозового облака. Сначала, на первой стадии возникновения смерча, вращение видно только в нижней части грозового облака. Затем часть этого облака отвисает книзу в виде гигантской воронки, которая всё более удлиняется и наконец достигает поверхности земли или воды. Возникает как бы гигантский хобот, свешивающийся из облака, который состоит из внутренней полости и стенок. Высота смерча составляет от сотен метров до километра и, как правило, равна расстоянию от нижней части облака до поверхности земли. Характерная особенность внутренней полости - пониженное давление находящегося в ней воздуха. Такая особенность смерча приводит к тому, что полость смерча служит своеобразным насосом, который может втянуть в себя огромное количество воды из моря или озера, причём вместе с животными и растениями, перенести их на значительные расстояния и низвергнуть вниз вместе с дождём. Смерч способен переносить и довольно большие грузы - автомобили, телеги, малотоннажные суда, небольшие здания, причём иногда даже с находящимися в них людьми. Смерч обладает гигантской разрушительной силой. При соприкосновении со строениями, мостами, линиями электропередач и другими объектами инфраструктуры он причиняет им огромные разрушения.

Смерчи имеют максимальную удельную энергоёмкость, которая пропорциональна квадрату скорости воздушных потоков вихря. По метеорологической классификации при скорости ветра в замкнутом вихре, не превышающей 17 м/с, он называется тропической депрессией, если же скорость ветра не превышает 33 м/с, то это тропический шторм, и если скорость ветра составляет от 34 м/с и выше, то это уже тайфун. В мощных тайфунах скорость ветра может превышать 60 м/с. В смерче же, по данным разных авторов, скорость воздуха может достигать от 100 до 200 м/с (некоторые авторы указывают на сверхзвуковую скорость воздуха в смерче - свыше 340 м/с). Прямые измерения скорости воздушных потоков в смерчах при настоящем уровне развития техники практически невозможны. Все приборы, предназначенные для фиксации параметров смерча, безжалостно им ломаются при первом же соприкосновении. О скорости потоков в смерчах судят по косвенным признакам, главным образом по тем разрушениям, которые они производят, или по весу грузов, которые они переносят. Кроме того, отличительная черта классического смерча - наличие развитого грозового облака, своеобразного электрического аккумулятора, повышающего удельную энергоёмкость смерча. Чтобы разобраться в механизме возникновения и развития смерча, рассмотрим сначала устройство грозового облака.

ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО

В типичном грозовом облаке вершина заряжена положительно, а основание несёт отрицательный заряд. То есть в воздухе поддерживаемый восходящими потоками парит гигантский электрический конденсатор многокилометровых размеров. Наличие такого конденсатора приводит к тому, что на поверхности земли или воды, над которыми находится облако, появляется его электрический след - наведённый электрический заряд, имеющий знак, противоположный знаку заряда основания облака, то есть земная поверхность будет заряжена положительно.

Кстати, опыт по созданию наведённого электрического заряда можно провести дома. Насыпьте на поверхность стола мелкие бумажки, расчешите пластмассовой расчёской сухие волосы и приблизьте расчёску к насыпанным бумажкам. Все они, оторвавшись от стола, устремятся к расчёске и прилипнут к ней. Результат этого несложного опыта объясняется очень просто. Расчёска получила электрический заряд в результате трения о волосы, а на бумажке он наводит заряд противоположного знака, который притягивает бумажки к расчёске в полном соответствии с законом Кулона.

Возле основания развитого грозового облака существует мощный восходящий поток воздуха, насыщенного влагой. Кроме дипольных молекул воды, которые в магнитном поле Земли начинают вращаться, передавая импульс нейтральным молекулам воздуха, вовлекая их во вращение, в восходящем потоке имеются положительные ионы и свободные электроны. Они могут образовываться в результате воздействия на молекулы солнечного излучения, естественного радиоактивного фона местности и, в случае грозового облака, за счёт энергии электрического поля между основанием грозового облака и землёй (вспомним о наведённом электрическом заряде!). Кстати, за счёт наведённого положительного заряда на поверхности земли число положительных ионов в потоке восходящего воздуха значительно превышает число ионов отрицательных. Все эти заряженные частицы под действием восходящего потока воздуха устремляются к основанию грозового облака. Однако вертикальные скорости положительных и отрицательных частиц в электрическом поле различны. Напряжённость поля можно оценить по разности потенциалов между основанием облака и поверхностью земли - по измерениям исследователей, она составляет несколько десятков миллионов вольт, что при высоте основания грозового облака в один - два километра даёт напряжённость электрического поля в десятки тысяч вольт на метр. Это поле будет ускорять положительные ионы и тормозить отрицательные ионы и электроны. Поэтому в единицу времени через поперечное сечение восходящего потока положительных зарядов пройдёт больше, чем отрицательных. Иными словами, между земной поверхностью и основанием облака возникнет электрический ток, хотя правильней было бы говорить об огромном количестве элементарных токов, соединяющих земную поверхность с основанием облака. Все эти токи параллельны и текут в одном направлении.

Понятно, что они по закону Ампера будут взаимодействовать между собой, а именно притягиваться. Из курса физики известно, что сила взаимного притяжения единицы длины двух проводников с электрическими токами, текущими в одном направлении, прямо пропорциональна произведению сил этих токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.

Притяжение двух электрических проводников обусловлено силами Лоренца. Электроны, движущиеся внутри каждого проводника, находятся под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током в соседнем проводнике. На них действует сила Лоренца, направленная по прямой, соединяющей центры проводников. Но для возникновения силы взаимного притяжения наличие проводников совершенно необязательно - достаточно самих токов. Например, две покоящиеся частицы, имеющие одинаковый электрический заряд, отталкиваются одна от другой согласно закону Кулона, но эти же частицы, движущиеся в одном направлении, притягиваются, причём до тех пор, пока силы притяжения и отталкивания не уравновесят друг друга. Нетрудно видеть, что расстояние между частицами в положении равновесия зависит только от их скорости.

Из-за взаимного притяжения электрических токов заряженные частицы устремляются к центру грозового облака, по дороге взаимодействуя с электрически нейтральными молекулами и также перемещая их к центру грозового облака. Площадь поперечного сечения восходящего потока уменьшится в насколько раз, а поскольку поток вращается, то по закону сохранения момента количества движения его угловая скорость возрастёт. С восходящим потоком произойдёт то же самое, что с фигуристкой, которая, вращаясь на льду с расставленными руками, прижимает их к телу, отчего скорость её вращения резко увеличивается (хрестоматийный пример из учебников физики, который мы можем наблюдать по телевизору!). Такое резкое увеличение скорости вращения воздуха в смерче с одновременным уменьшением его диаметра приведёт соответственно к увеличению линейной скорости ветра, которая, как упоминалось выше, может даже превысить скорость звука.

Именно наличие грозового облака, электрическое поле которого разделяет заряженные частицы по знаку, приводит к тому, что скорости воздушных потоков в смерче превосходят скорости воздушных потоков в тайфуне. Образно говоря, грозовое облако служит своего рода «электрической линзой», в фокусе которой концентрируется энергия восходящего потока влажного воздуха, что и приводит к возникновению смерча.

МАЛЫЕ ВИХРИ

Существуют также и вихри, механизм образования которых никак не связан с вращением диполь-ной молекулы воды в магнитном поле. Наиболее распространённые среди них - пыльные вихри. Они образуются в пустынных, степных и горных местностях. По своим размерам они уступают классическим смерчам, их высота составляет порядка 100-150 метров, а диаметр - несколько метров. Для образования пыльных вихрей необходимым условием является пустынная, хорошо нагретая равнина. Образовавшись, такой вихрь существует довольно недолго, 10-20 минут, всё это время перемещаясь под действием ветра. Несмотря на то что воздух пустынь практически не содержит влаги, вращательное движение его обеспечивается взаимодействием элементарных зарядов с магнитным полем Земли. Над равниной, сильно прогретой солнцем, возникает мощный восходящий поток воздуха, часть молекул которого под воздействием солнечного излучения и особенно его ультрафиолетовой части, ионизируется. Фотоны солнечного излучения выбивают из внешних электронных оболочек атомов воздуха электроны, образуя при этом пары положительных ионов и свободных электронов. Вследствие того что электроны и положительные ионы имеют существенно разные массы при равных по величине зарядах, их вклад в создание момента количества движения вихря различен и направление вращения пыльного вихря определяется направлением вращения положительных ионов. Такой вращающийся столб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль, песок и мелкие камешки, которые сами по себе не играют никакой роли в механизме формирования пыльного вихря, но служат своеобразным индикатором вращения воздуха.

В литературе описаны ещё и воздушные вихри, довольно редкое природное явление. Они возникают в жаркое время дня на берегах рек или озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они появляются неожиданно и так же внезапно исчезают. По-видимому, вклад в их создание вносят как молекулы воды, так и ионы, образующиеся в тёплом и влажном воздухе за счёт солнечного излучения.

Гораздо опаснее водяные вихри, механизм образования которых аналогичен. Сохранилось описание: «В июле 1949 года в штате Вашингтон в тёплый солнечный день при безоблачном небе на поверхности озера возник высокий столб из водяных брызг. Он существовал всего несколько минут, но обладал значительной подъёмной силой. Надвинувшись на берег реки, он поднял довольно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его на несколько десятков метров и, ударив о землю, разбил на куски. Водяные вихри наиболее распространены там, где поверхность воды сильно нагревается солнцем, - в тропических и субтропических зонах».

Закручивание потоков воздуха может происходить при больших пожарах. В литературе описаны такие случаи, приведём один из них. «Ещё в 1840 году в США расчищали лес под поля. На большой поляне было свалено громадное количество хвороста, веток и деревьев. Их подожгли. Через некоторое время пламя отдельных костров стянулось вместе, образовав огненную колонну, внизу широкую, вверху заострившуюся, высотой 50 - 60 метров. Ещё выше огонь сменялся дымом, уходившим высоко в небо. Огненно-дымовой вихрь вращался с поразительной скоростью. Величественное и ужасающее зрелище сопровождалось громким шумом, напоминавшим раскаты грома. Сила вихря была настолько велика, что он поднимал в воздух и отбрасывал в сторону большие деревья».

Рассмотрим процесс образования огненного смерча. При горении древесины выделяется тепло, которое частично переходит в кинетическую энергию восходящего потока нагретого воздуха. Однако при горении происходит ещё один процесс - ионизация воздуха и продуктов сгорания

топлива. И хотя в целом нагретый воздух и продукты сгорания топлива электрически нейтральны, в пламени образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Движение ионизованного воздуха в магнитном поле Земли неизбежно приведёт к образованию огненного смерча.

Хочется отметить, что вихревое движение воздуха возникает не только при больших пожарах. В своей книге «Смерчи» Д. В. Наливкин задаёт вопросы: «Мы уже не раз говорили о загадках, связанных с маломерными вихрями, пытались понять, почему все вихри вертятся? Возникают и другие вопросы. Почему, когда горит солома, нагретый воздух поднимается не по прямой линии, а по спирали и начинает кружиться. Так же ведёт себя в пустыне горячий воздух. Почему он не идёт просто вверх без всякой пыли? То же происходит с водяной пылью и брызгами, когда горячий воздух проносится над поверхностью воды».

Существуют вихри, возникающие в процессе извержения вулканов, их, например, наблюдали над Везувием. В литературе они получили название пепловых вихрей - в вихревом движении участвуют облака пепла, извергаемые вулканом. Механизм образования таких вихрей в общих чертах аналогичен механизму образования огненных смерчей.

Посмотрим теперь, какие силы действуют на тайфуны в неспокойной атмосфере нашей Земли.

СИЛА КОРИОЛИСА

На тело, движущееся во вращающейся системе отсчёта, например, на поверхности вращающегося диска или шара, действует инерционная сила, называемая силой Кориолиса. Эта сила определяется векторным произведением (нумерация формул начинается в первой части статьи)

F K =2M[VΩ ], (20)

где М - масса тела; V - вектор скорости тела; Ω - вектор угловой скорости вращения системы отсчёта, в случае земного шара - угловой скорости вращения Земли, а - их векторное произведение, которое в скалярном виде выглядит так:

F л = 2M | V | | Ω | sin α, где α - угол между векторами.

Скорость тела, двигающегося на поверхности земного шара, можно разложить на две составляющие. Одна из них лежит в плоскости, касательной к шару в точке нахождения тела, иными словами - горизонтальная составляющая скорости: вторая, вертикальная составляющая перпендикулярна этой плоскости. Сила Кориолиса, действующая на тело, пропорциональна синусу географической широты его местонахождения. На тело, движущееся по меридиану в любом направлении в Северном полушарии, действует сила Кориолиса, направленная вправо по движению. Именно эта сила заставляет подмывать правые берега рек Северного полушария, вне зависимости от того, на север или на юг они текут. В Южном полушарии эта же сила направлена влево по движению и реки, текущие в меридиональном направлении, подмывают левые берега. В географии это явление называется законом Бэра. Когда русло реки не совпадает с меридиональным направлением, сила Кориолиса будет меньше на величину косинуса угла между направлением течения реки и меридианом.

Практически во всех исследованиях, посвящённых вопросам образования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, а также их дальнейшему перемещению, указывается на то, что именно сила Кориолиса служит первопричиной их возникновения и именно она задаёт траекторию их передвижения по поверхности Земли. Однако если бы сила Кориолиса участвовала в создании смерчей, тайфунов и циклонов, то в Северном полушарии они имели бы правое вращение - по часовой стрелке, а в Южном - левое, то есть против. Но тайфуны, смерчи и циклоны Северного полушария вращаются влево, против часовой стрелки, а Южного полушария - вправо, по часовой стрелке. Это абсолютно не соответствует направлению воздействия силы Кориолиса, более того - прямо ей противоположно. Как уже говорилось, величина силы Кориолиса пропорциональна синусу географической широты и, значит, максимальна на полюсах и отсутствует на экваторе. Следовательно, если бы она вносила вклад в создание вихрей разных масштабов, то наиболее часто они появлялись бы в полярных широтах, что полностью противоречит имеющимся данным.

Таким образом, приведённый анализ убедительно доказывает, что сила Кориолиса не имеет никакого отношения к процессу формирования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, механизмы образования которых рассмотрены в предыдущих главах.

Считается, что именно сила Кориолиса определяет их траектории, тем более что в Северном полушарии тайфуны, как метеорологические образования, при своём движении отклоняются именно вправо, а в Южном - именно влево, что соответствует направлению действия силы Кориолиса в этих полушариях. Казалось бы, причина отклонения траекторий тайфунов найдена - это сила Кориолиса, но не будем торопиться с выводами. Как говорилось выше, при движении тайфуна по поверхности Земли на него, как на единый объект, будет действовать сила Кориолиса, равная:

F к = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

где θ - географическая широта тайфуна; α - угол между вектором скорости тайфуна, как единого целого, и меридианом.

Для выяснения истинной причины отклонения траекторий тайфунов попробуем определить величину силы Кориолиса, действующей на тайфун, и сравнить её с другой, как мы сейчас убедимся, более реальной силой.

СИЛА МАГНУСА

На тайфун, перемещаемый пассатом, будет действовать сила, которую в данном контексте, насколько это известно автору, до сих пор не рассматривал ни один исследователь. Это сила взаимодействия тайфуна, как единого объекта, с воздушным потоком, который перемещает этот тайфун. Если посмотреть на рисунок с изображением траекторий тайфунов, станет видно, что они движутся с востока на запад под действием постоянно дующих тропических ветров, пассатов, которые образуются вследствие вращения земного шара. При этом пассат не только переносит тайфун с востока на запад. Самое главное - на тайфун, находящийся в пассате, действует сила, обусловленная взаимодействием воздушных потоков самого тайфуна с воздушным потоком пассата.

Эффект возникновения поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа, был открыт немецким учёным Г. Магнусом в 1852 году. Он проявляется в том, что если вращающийся круговой цилиндр обтекает безвихревой (ламинарный) поток, перпендикулярный его оси, то в той части цилиндра, где линейная скорость его поверхности противоположна скорости набегающего потока, возникает область повышенного давления. А на противоположной стороне, там, где направление линейной скорости поверхности совпадает со скоростью набегающего потока, - область пониженного давления. Разность давлений на противоположных сторонах цилиндра и приводит к возникновению силы Магнуса.

Изобретатели предпринимали попытки использовать силу Магнуса. Был спроектирован, запатентован и построен корабль, на котором вместо парусов установили вертикальные цилиндры, вращаемые двигателями. Эффективность таких вращающихся цилиндрических «парусов» в некоторых случаях даже превосходила эффективность парусов обычных. Эффект Магнуса используют также футболисты, которые знают, что если при ударе по мячу придать ему вращательное движение, то траектория его полёта станет криволинейной. Таким ударом, который называется «сухой лист», можно послать мяч в ворота противника практически с угла футбольного поля, находящегося на одной линии с воротами. Мяч при ударе закручивают и волейболисты, теннисисты, и игроки в пинг-понг. Во всех случаях движение закрученного мяча по сложной траектории создает немало проблем противнику.

Однако вернёмся к тайфуну, перемещаемому пассатом.

Пассаты, устойчивые воздушные течения (дуют постоянно больше десяти месяцев в году) в тропических широтах океанов, охватывают в Северном полушарии 11 процентов их площади, а в Южном - до 20 процентов. Основное направление пассатов - с востока на запад, однако на высоте 1-2 километра их дополняют ветры меридионального направления, дующие к экватору. В результате в Северном полушарии пассаты движутся на юго-запад, а в Южном

На северо-запад. Пассаты стали известны европейцам после первой экспедиции Колумба (1492-1493), когда её участники были поражены устойчивостью сильных северо-восточных ветров, уносивших каравеллы от берегов Испании через тропические районы Атлантики.

Гигантскую массу тайфуна можно рассматривать как цилиндр, вращающийся в воздушном потоке пассата. Как уже говорилось, в Южном полушарии они вращаются по часовой стрелке, а в Северном - против. Поэтому за счёт взаимодействия с мощным потоком пассатного ветра тайфуны и в Северном и в Южном полушарии отклоняются в сторону от экватора - на север и на юг соответственно. Этот характер их движения хорошо подтверждают наблюдения метеорологов.

(Окончание следует.)

Подробности для любознательных

ЗАКОН АМПЕРА

В 1920 году французский физик Анре Мари Ампер экспериментально обнаружил новое явление - взаимодействие двух проводников с током. Оказалось, что два параллельных проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Проводники стремятся сблизиться, если токи текут в одном направлении (параллельны), и удалиться один от другого, если токи текут в противоположных направлениях (антипараллельны). Ампер сумел правильно объяснить это явление: происходит взаимодействие магнитных полей токов, которое определяется по «правилу буравчика». Если буравчик ввинчивать по направлению тока I, движение его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля H.

Две заряженные частицы, летящие параллельно, тоже образуют электрический ток. Поэтому их траектории будут сходиться или расходиться в зависимости от знака заряда частиц и направления их движения.

Взаимодействие проводников приходится учитывать при конструировании сильноточных электрических катушек (соленоидов) - параллельные токи, текущие по их виткам, создают большие силы, сжимающие катушку. Известны случаи, когда громоотвод, сделанный из трубки, после удара молнии превращался в цилиндрик: его сжимают магнитные поля тока разряда молнии силой в сотни килоампер.

На основе закона Ампера установлен эталон единицы силы тока в СИ - ампер (А). Государственный стандарт «Единицы физических величин» даёт определение:

«Ампер равен силе тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 . 10 -7 Н».

Подробности для любознательных

СИЛЫ МАГНУСА И КОРИОЛИСА

Сравним действие сил Магнуса и Кориолиса на тайфун, представив его в первом приближении в виде вращающегося воздушного цилиндра, обтекаемого пассатом. На такой цилиндр действует сила Магнуса, равная:

F м = DρHV n V m / 2, (22)

где D - диаметр тайфуна; ρ - плотность воздуха пассата; H- его высота; V n >- скорость воздуха в пассате; V т - линейная скорость воздуха в тайфуне. Путём несложных преобразований получим

Fм = R 2 HρωV n , - (23)

где R - радиус тайфуна; ω - угловая скорость вращения тайфуна.

Принимая в первом приближении, что плотность воздуха пассата равна плотности воздуха в тайфуне, получим

М т = R 2 Hρ, - (24)

где M т - масса тайфуна.

Тогда (19) можно записать в виде

F м = M т ωV п - (25)

или F м = M т V п V т /R. (26)

Разделив выражение для силы Магнуса на выражение (17) для силы Кориолиса, получим

F м /F к = M т V п V т /2RМV п Ω sinθ cosα (27)

или F м /F к = V т /2RΩ sinθ cosα (28)

Принимая во внимание, что согласно международной классификации тайфуном считается тропический циклон, скорость ветра в котором превышает 34 м/с, примем в расчётах эту наименьшую цифру. Поскольку географическая широта, максимально благоприятная для образования тайфунов, составляет 16 о, примем θ = 16 о и, поскольку сразу же после образования тайфуны движутся практически по широтным траекториям, примем α = 80 о. Радиус тайфуна средних размеров примем 150 километров. Подставив все данные в формулу, получим

F м /F к = 205. (29)

Иными словами, сила Магнуса превышает силу Кориолиса в двести раз! Таким образом, ясно, что сила Кориолиса не имеет отношения не только к процессу создания тайфуна, но и к изменению его траектории.

На тайфун, находяшийся в пассате, будут действовать две силы - вышеупомянутая сила Магнуса и сила аэродинамического давления пассата на тайфун, которую можно найти из простого уравнения

F д = KRHρV 2 п, - (30)

где К - коэффициент аэродинамического сопротивления тайфуна.

Нетрудно видеть, что движение тайфуна будет обусловлено действием результирующей силы, являющейся суммой сил Магнуса и аэродинамического давления, которая будет действовать под углом р к направлению движения воздуха в пассате. Тангенс этого угла найдётся из уравнения

tgβ = F m /F д. (31)

Подставив в (31) выражения (26) и (30), после несложных преобразований получим

tgβ = V т /КV п, (32)

Понятно, что результирующая сила F р, действующая на тайфун, будет касательной к его траектории, и если известны направление и скорость пассатного ветра, то можно будет с достаточной точностью вычислить эту силу для конкретного тайфуна, определив, таким образом, его дальнейшую траекторию, что позволит минимизировать ущерб, наносимый им. Траектория тайфуна может быть спрогнозирована пошаговым методом, при этом вероятное направление результирующей силы должно вычисляться в каждой точке его траектории.

В векторном виде выражение (25) выглядит так:

F м = M[ωV п ] . (33)

Нетрудно видеть, что формула, описывающая силу Магнуса, структурно идентична с формулой силы Лоренца:

F л = q .

Сопоставляя и анализируя эти формулы, замечаем, что структурное сходство формул достаточно глубоко. Так, левые части обоих векторных произведений (М&#969; и qV ) характеризуют параметры объектов (тайфуна и элементарной частицы), а правые части (V п и B ) - среды (скорость пассата и индукцию магнитного поля).

Физпрактикум

СИЛЫ КОРИОЛИСА НА ПРОИГРЫВАТЕЛЕ

Во вращающейся системе координат, например на поверхности земного шара, законы Ньютона не выполняются - такая система координат неинерциальна. В ней появляется добавочная сила инерции, которая зависит от линейной скорости тела и угловой скорости системы. Она перпендикулярна траектории движения тела (и его скорости) и называется силой Кориолиса, по имени французского механика Густава Гаспара Кориолиса (1792-1843), который эту добавочную силу объяснил и рассчитал. Сила направлена так, что для совмещения с вектором скорости её нужно повернуть на прямой угол в сторону вращения системы.

Увидеть, как «работает» сила Кориолиса, можно при помощи электрического проигрывателя для пластинок, поставив два несложных опыта. Для их проведения вырежьте из плотной бумаги или картона кружок и положите его на диск. Он будет служить вращающейся системой координат. Сразу сделаем замечание: диск проигрывателя вращается по часовой стрелке, а Земля - против. Поэтому силы на нашей модели будут направлены в сторону, противоположную наблюдаемым на Земле в нашем полушарии.

1. Сложите рядом с проигрывателем две стопки книг, чуть выше его диска. На книги положите линейку или прямую планку так, чтобы один её край приходился на диаметр диска. Если при неподвижном диске провести вдоль планки линию мягким карандашом, от его центра к краю, то она, естественно, будет прямой. Если же теперь запустить проигрыватель и провести карандаш вдоль планки, он начертит криволинейную траекторию, уходящую влево, - в полном согласии с законом, рассчитанным Г. Кориолисом.

2. Постройте из стопок книг горку и приклейте к ней скотчем жёлоб из плотной бумаги, ориентированный по диаметру диска. Если скатить небольшой шарик по жёлобу на неподвижный диск, он покатится по диаметру. А на вращающемся диске он станет уходить влево (если, конечно, трение при его качении будет невелико).

Физпрактикум

ЭФФЕКТ МАГНУСА НА СТОЛЕ И В ВОЗДУХЕ

1. Склейте из плотной бумаги небольшой цилиндр. Недалеко от края стола поставьте стопку книг и соедините её с краем стола дощечкой. Когда бумажный цилиндрик скатится с получившейся горки, мы вправе ожидать, что он станет двигаться по параболе прочь от стола. Однако вместо этого цилиндрик круто изогнёт траекторию в другую сторону и залетит под стол!

Его парадоксальное поведение вполне объяснимо, если вспомнить закон Бернулли: внутреннее давление в потоке газа или жидкости становится тем меньше, чем выше скорость потока. Именно на основе этого явления работает, например, пульверизатор: более высокое атмосферное давление выжимает жидкость в поток воздуха с пониженным давлением.

Интересно, что закону Бернулли в какой-то степени подчиняются и людские потоки. В метро, у входа на эскалатор, где движение затруднено, люди собираются в плотную, сильно сжатую толпу. А на быстро идущем эскалаторе они стоят свободно - «внутреннее давление» в потоке пассажиров падает.

Когда цилиндрик падает, продолжая вращаться, скорость его правой стороны вычитается из скорости набегающего потока воздуха, а скорость левой - складывается с ней. Относительная скорость потока воздуха слева от цилиндра больше, а давление в нём ниже, чем справа. Разность давлений и заставляет цилидрик круто изменять траекторию и залетать под стол.

Законы Кориолиса и Магнуса учитывают при запуске ракет, точной стрельбе на дальние расстояния, расчёте турбин, гироскопов и пр.
Глядя на нее, многие телезрители задавали себе вопрос: что это за странные трубы установлены на яхте?.. Может быть это трубы котлов или двигательных установок? Каково же может быть ваше изумление, если вы узнаете, что это ПАРУСА … турбопаруса …

Яхту «Алкиона» фонд Кусто приобрел в  1985 году, и рассматривался этот корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов  - оригинального судового движителя. А когда спустя 11  лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла ее место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в  порту Конкарно).

Собственно, турбопарус изобрел Кусто. Так же как акваланг, подводное блюдце и множество других приспособлений для исследования морских глубин и поверхности Мирового океана. Идея родилась еще в начале 1980-х 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?

Конечно, Кусто и компания понимали, что построить судно, приводимое в движение исключительно парусом, невозможно. Точнее, возможно, но его ходовые качества будут весьма посредственными и зависимыми от капризов погоды и направления ветра. Поэтому изначально планировалось, что новый «парус» будет лишь вспомогательной силой, применимой в помощь обычным дизельным двигателям. При этом турбопарус заметно снизил бы расход дизельного топлива, а при сильном ветре мог стать единственным движителем судна. И  взгляд команды исследователей обратился в прошлое  - к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, знаменитого авиаконструктора, внесшего серьезный вклад и в кораблестроение.

Турбопарус представляет собой полый цилиндр, снабженный специальным насосом. Насос создает разряжение с одной стороны турбопаруса, закачивая воздух внутрь паруса, наружный воздух начинает течь вокруг турбопаруса с разной скоростью и корабль начинает двигаться в перпендикулярном давлению воздуха направлении. Это очень напоминает подъемную силу действующую на крыло самолета - снизу крыла давление больше и самолет выталкивает вверх. Турбопарус позволяет двигаться кораблю против любого ветра, лишь бы хватило мощности насоса. Применяется как вспомогательная система для обычного судового двигателя. Два турбопаруса установленные на корабле команды Кусто «Алкион» позволяли экономить до 50% горючего.

Ротор Флеттнера и эффект Магнуса

16 сентября 1922 года Антон Флеттнер получил немецкий патент на так называемое роторное судно. А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Правда, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была обычным парусным судном.

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 создает вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растет, а  с противоположной - падает. Разница давлений и создает поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.

«Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», – писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.

Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус.

Эффект Магнуса

Германский авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер (1885–1961) вошел в историю мореплавания как человек, пытавшийся заменить паруса. Ему довелось долго странствовать на паруснике по Атлантическому и Индийскому океанам. На мачтах парусных судов той эпохи ставилось много парусов. Парусное оснащение было дорогостоящим, сложным, а в аэродинамическом отношении не слишком эффективным. Постоянные опасности подстерегали моряков, которым даже во время шторма надо было заниматься парусами на 40–50-метровой высоте.

Во время плавания у молодого инженера родилась мысль заменить паруса, требующие больших усилий более простым, но эффективным устройством, основным движителем которого также служил бы ветер. Раздумывая над этим, он вспомнил аэродинамические опыты, проводимые его соотечественником физиком Генрихом Густавом Магнусом (1802–1870). Ими было установлено, что при вращении цилиндра в потоке воздуха возникает поперечная сила с направлением, зависящим от направления вращения цилиндра (эффект Магнуса).

Один из его классических опытов выглядел следующим образом: «Латунный цилиндр мог вращаться между двумя остриями; быстрое вращение цилиндру сообщалось, как в волчке, шнуром.

Вращающийся цилиндр помещался в раме, которая, в свою очередь, легко могла поворачиваться. На эту систему пускалась сильная струя воздуха при помощи маленького центробежного насоса. Цилиндр отклонялся в направлении, перпендикулярном к воздушной струе и  к  оси цилиндра, притом в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925).

А.Флеттнер сразу подумал, что паруса можно заменить установленными на корабле вращающимися цилиндрами.

Оказывается, что там, где поверхность цилиндра движется против потока воздуха, скорость ветра уменьшается, а давление – увеличивается. С другой стороны цилиндра все наоборот – скорость воздушного потока возрастает, а давление – падает. Эта разница в давлениях с разных сторон цилиндра и является движущей силой, которая заставляет судно двигаться. Таков основной принцип действия роторного оборудования, которое использует силу ветра для движения судна. Все очень просто, однако только А.Флеттнер «не прошел мимо», хотя эффект Магнуса был известен уже более полувека.

К реализации замысла он приступил в 1923 году на одном озере недалеко от Берлина. Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. 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.

Капитаны парусных судов насмехались над цилиндрами А.Флеттнера, которыми он хотел заменить паруса. Изобретателю удалось заинтересовать своим изобретением состоятельных меценатов. В 1924 году на 54-метровой шхуне «Buckau» вместо трех мачт были смонтированы два роторных цилиндра. Эти цилиндры вращал дизельный генератор мощностью 45 л.с.

Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Собственно, никакого отличия от классических опытов Магнуса в конструкции не было. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной - пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила примерно в 50 раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор!

Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дешев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками - это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счет правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.

Турбопарусник Кусто - На 2011 год «Алкиона» является единственным в мире судном с турбопарусом системы Кусто. Смерть великого океанографа в 1997 году поставила крест на постройке второго подобного корабля, «Калипсо II», а другие кораблестроители опасаются непривычной конструкции…

Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и  сильных боковых ветров, легко мог идти переменными галсами под углом 25º к встречному ветру (для обычного паруса предел около 45º). Два цилиндрических ротора (высота 13,1 м, диаметр 1,5 м) позволили отлично сбалансировать судно - оно оказалось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки.

Испытания проводили и в штиль, и в шторм, и  с  намеренной перегрузкой - и никаких серьезных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперед или назад) определялось направлением вращения роторов.

В середине февраля 1925 г. шхуна «Buckau», вместо парусов снабженная роторами Флеттнера, вышла из Данцига (ныне – Гданьск) в Шотландию. Погода была плохой, а большинство парусников не осмеливались выходить из портов. В Северном море «Buckau» пришлось серьезно сразиться с сильными ветрами и большими волнами, однако шхуна накренялась на борт меньше, чем другие встреченные парусники.

Во время этого 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, после ее переделки в роторный корабль хватило 10 человек.

В том же году на верфи был заложен второй роторный корабль - могучий грузовой лайнер «Барбара», приводимый в движение тремя 17-метровыми роторами. При этом для каждого ротора хватало одного маленького моторчика мощностью всего 35 л.с. (при максимальной скорости вращения каждого ротора 160 об/мин)! Тяга роторов была эквивалентна тяге винтового движителя вкупе с обычным корабельным дизелем мощностью около 1000 л.с. Впрочем, дизель на судне тоже наличествовал: в дополнение к роторам он приводил в движение винт (который оставался единственным движителем в случае безветренной погоды).

Многообещающие опыты побудили судоходную компанию «Rob.M.Sloman» из Гамбурга в 1926 году построить судно «Барбара». На нем заранее намечалось оборудовать турбопаруса – роторы Флеттнера. На судне длиной 90 м и шириной 13 м были смонтированы три ротора высотой около 17 м.

«Барбара», как и планировалось, в течение некоторого времени успешно перевозила фрукты из Италии в Гамбург. Примерно 30–40 % времени рейса судно шло благодаря силе ветра. При ветре в 4–6 баллов «Барбара» развивала скорость 13 узлов.

Планировалось испытать роторное судно в более длительных рейсах в Атлантическом океане.

Но в конце 1920-х грянула Великая депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и ее продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Все-таки ротор проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определенных ограничений по мощности и быстроходности. Флеттнер обратился к более перспективным исследованиям, а «Баден-Баден» в итоге затонул во время шторма в Карибском море в  1931 году. И о роторных парусах надолго забыли…

Начало роторных судов, казалось бы, было достаточно успешным, но они не получили развития и надолго были забыты. Почему? Во-первых, «отец» роторных судов А.Флеттнер погрузился в создание вертолетов и перестал интересоваться морским транспортом. Во-вторых, несмотря на все свои преимущества, роторные суда так и остались парусниками с присущими им недостатками, основной из которых – зависимость от ветра.

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). Для испытания работы системы турбопарусов и снижения расхода дорожающего топлива двухмачтовый катамаран «Alcyone» (Алкиона – дочь бога ветров Эола) был переделан в роторное судно. Выйдя в морское плавание в 1985 году, он побывал в Канаде и Америке, обогнул мыс Горн, обошел Австралию и Индонезию, Мадагаскар и Южную Африку. Был перенесен в Каспийское море, где проплавал три месяца, занимаясь различными исследованиями. «Alcyone» до сих пор использует два разных движителя – два дизельных двигателя и два турбопаруса.

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 еще со времен Флеттнера. И ее подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.

23 декабря 1986 года, уже после того как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была спущена на воду, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и  Бертран Шарье получили совместный патент № US4630997 на «устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание звучит следующим образом: «Устройство помещается в среду, движущуюся в  некотором направлении; при этом возникает сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому. Устройство позволяет избежать использования массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональна площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?

В поперечном сечении турбопарус представляет собой нечто вроде вытянутой и скругленной с острого конца капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решетки, через одну из которых (в зависимости от необходимости движения вперед или назад) производится отсос воздуха. Для максимально эффективного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен небольшой вентилятор, приводимый в движение электромотором.

Он искусственно повышает скорость движения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент ее отрыва от плоскости турбопаруса. Это создает разрежение с одной из сторон турбопаруса, одновременно предотвращая образование турбулентных вихрей. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как результат - поперечная сила, способная приводить судно в движение. Собственно, турбопарус - это поставленное вертикально самолетное крыло, по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъемной силы самолета. Для того чтобы турбопарус всегда был повернут к  ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе. Кстати, патент Кусто подразумевает, что воздух может отсасываться изнутри турбопаруса не только вентилятором, но и, к  примеру, воздушным насосом  - таким образом Кусто прикрыл калитку для последующих «изобретателей».

Собственно, впервые Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin à Vent) в 1981 году. Самым крупным успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк под присмотром более крупного корабля экспедиции.

А в апреле 1985 года в порту Ла-Рошель была спущена на воду «Алкиона» - первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сейчас она по-прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблем) флотилии команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и
нескольких винтов (что, кстати, позволяет сократить расход горючего примерно на треть). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил еще несколько подобных кораблей, но энтузиазм его соратников после ухода Кусто заметно спал.

Незадолго до смерти в 1997 году Кусто активно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его не успел. По последним данным, зимой 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ждала новой экспедиции.

И снова Флеттнер

Сегодня предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, знаменитая гамбургская компания Blohm + Voss после нефтяного кризиса 1973 года начала активную разработку роторного танкера, но к  1986-му экономические факторы прикрыли этот проект. Потом был целый ряд любительских конструкций.

В 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg).

В  2010  году появился третий в истории корабль с роторными парусами  - тяжелый грузовик E-Ship 1, который был построен 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 свой 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. Все-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, использующей энергию отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.

А вот турбопарус Кусто пока остается в некотором забвении: «Алкиона» на сегодняшний день - единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт немецких кораблестроителей покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное - найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, глядишь, и все мировое судоходство перейдет на принцип, который талантливый немецкий ученый описал более 150 лет назад.

В Северном море в 2010 году можно было увидеть странное судно «E-Ship 1». На его верхней палубе возвышаются четыре высоких округлых трубы, однако из них никогда не клубится дым. Это – так называемые роторы Флеттнера, пришедшие на смену традиционным парусам.

Крупнейший в мире производитель ветряных силовых установок «Enercon» 2 августа 2010 спустил на воду на судоверфи Линденау в Киле 130-метровое роторное судно шириной 22 м, которое позднее было названо «E-Ship 1». Потом оно успешно было испытано в Северном и Средиземном морях, и в настоящее время перевозит ветряные генераторы из Германии, где их производят, в другие страны Европы. Оно развивает скорость в 17 узлов (32 км/час), одновременно перевозит более 9 тыс. тонн груза, его экипаж – 15 человек.

Расположенная в Сингапуре судопромышленная компания «Wind Again», занимающаяся созданием технологий по снижению расхода топлива и выбросов, предлагает устанавливать на танкерах и грузовых судах роторы Флеттнера особой конструкции (складные). Они позволят сократить расход топлива на 30–40 % и окупятся за 3–5 лет.

Действующая в Финляндии компания морской инженерии «Wartsila» уже планирует приспособить турбопаруса и на круизных паромах. Это связано со стремлением финского паромного оператора «Viking Line» сокращать расход топлива и загрязнение окружающей среды.

Использование роторов Флеттнера на прогулочных судах изучает университет Фленсбурга (Германия). Похоже, растущие цены на нефть и вызывающее тревогу потепление климата создают благоприятные условия для возвращения ветряных движителей.

Яхта конструкции Джона Марплса «Клодия» (Cloudia) представляет собой перестроенный тримаран Searunner 34. Первые тесты яхта прошла в феврале 2008 года в городе Форт-Пирс, Флорида, США, а  ее создание финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной: она останавливалась и включала задний ход за считанные секунды, свободно двигалась под углом порядка 15° к ветру. Заметное улучшение характеристик по отношению к традиционному ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.

Знаменитый документальный сериал« Подводная одиссея команды Кусто» великий французский океанограф снимал в 1960—1970-х годах. Основным кораблем Кусто был тогда переделанный из британского минного тральщика« Калипсо». Но в одном из последующих фильмов — «Повторное открытие мира» — появилось другое судно, яхта« Алкиона». Глядя на нее, многие телезрители задавали себе вопрос: что это за странные мачты-паруса установлены на яхте?..

«Алкиону» фонд Кусто приобрёл в 1985 году, и рассматривался этот корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов — оригинального судового движителя. А когда спустя одиннадцать лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла её место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в порту Конкарно).

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?

Конечно, Кусто и компания понимали, что построить судно, приводимое в движение исключительно парусом, невозможно. Точнее, возможно, но его ходовые качества будут весьма посредственны и зависимы от капризов погоды и направления ветра. Поэтому изначально планировалось, что новый «парус» будет лишь вспомогательной силой, применимой в помощь обычным дизельным двигателям. При этом турбопарус заметно снизил бы расход дизельного топлива, а при сильном ветре мог стать единственным движителем судна.

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

16 сентября 1922 года Антон Флеттнер получил немецкий патент на так называемое «роторное судно». А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Правда, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была обычным парусным судном.

«Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», — писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.

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.

Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус. Один из его классических опытов выглядел следующим образом: «Латунный цилиндр мог вращаться между двумя остриями; быстрое вращение цилиндру сообщалось, как в волчке, шнуром. Вращающийся цилиндр помещался в раме, которая в свою очередь легко могла поворачиваться. На эту систему пускалась сильная струя воздуха при помощи маленького центробежного насоса. Цилиндр отклонялся в направлении, перпендикулярном к воздушной струе и к оси цилиндра, при том в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л.Прандтль, «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925 год).

Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 сантиметров, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла. Доказав на практике возможность использования боковой силы, возникающей в результате эффекта Магнуса, Флеттнер решился переоборудовать трёхмачтовик «Букау» в роторный корабль.

На сегодняшний день «Алкиона» является единственным в мире судном с турбопарусом системы Кусто. Смерть великого океанографа в 1997 году поставила крест на постройке второго подобного корабля, «Калипсо II», а другие кораблестроители опасаются непривычной конструкции…

Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Собственно, никакого отличия от классических опытов Магнуса в конструкции не было. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной — пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила во много раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор — примерно в 50 раз! Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дёшев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками — это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счёт правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.

Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров, легко мог идти переменными галсами под углом 25° к встречному ветру (для обычного паруса предел — около 45°). Два цилиндрических ротора (высота — 13,1 м, диаметр — 1,5 м) позволили отлично сбалансировать судно — оно оказалось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки. Испытания судна проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой — и никаких серьёзных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперёд или назад) определялось направлением вращения роторов.

Уже в феврале 1925 году «Букау» успешно прошла путь из Данцига в Шотландию через Северное море, а годом позже корабль (переименованный в «Баден Баден») совершил вояж из Европы в Америку через Атлантический океан. В том же году на верфи был заложен второй роторный корабль — могучий грузовой лайнер «Барбара», приводимый в движение тремя 17-метровыми роторами. При этом для каждого ротора хватало одного маленького моторчика мощностью всего 35 л.с. (при максимальной скорости вращения каждого ротора 160 об/мин)! Тяга роторов была эквивалентна тяге винтового движителя вкупе с обычным корабельным дизелем мощностью около 1000 л.с. Впрочем, дизель на судне тоже наличествовал: в дополнение к роторам он приводил в движение винт (который оставался единственным движителем в случае безветренной погоды).

Но в конце двадцатых грянула Великая Депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и её продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Всё-таки роторный движитель проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определённых ограничений по мощности и скороходности. Флеттнер обратился к более перспективным исследованиям, а «Баден Баден» в итоге затонул во время шторма в Карибском море в 1931 году. И о роторных парусах надолго забыли…

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.

Яхта конструкции Джона Марплса «Клодия» (Cloudia) представляет собой перестроенный тримаран Searunner 34. Первые тесты яхта прошла в феврале 2008 года в городе Форт Пирс, Флорида, США, а создание её финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной — она останавливалась и переходила на задний ход за считанные секунды, свободно двигалась под углом порядка 15° к ветру. Заметное улучшение характеристик по отношению к традиционному ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.

23 декабря 1986 года, уже после того, как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была спущена на воду, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и Бертран Шаррье получили совместный патент US4630997 на «Устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание патентуемого устройства звучит следующим образом: «Устройство помещается в среду, движущуюся в некотором направлении; при этом возникает сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому. Устройство позволяет избежать использования массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональная площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?

В поперечном сечении турбопарус представляет собой нечто вроде вытянутой и скруглённой с острого конца капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решётки, через одну из которых (в зависимости от необходимости движения вперёд или назад) производится отсос воздуха. Для максимально эффективного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен небольшой вентилятор, приводимый от электромотора. Он искусственно повышает скорость движения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент её отрыва от плоскости турбопаруса. Это создаёт разрежение с одной из сторон турбопаруса, параллельно предотвращая образование турбулентных вихрей. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как результат — поперечная сила, способная приводить судно в движение. Собственно, турбопарус — это поставленное вертикально самолётное крыло; по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъёмной силы самолёта. Для того, чтобы турбопарус всегда был повёрнут к ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе.

Как ни странно, и в наше время в промышленности используются вполне привычные паруса. Судостроительные компании нередко закладывают в проекты крупных танкеров и грузовиков возможность установки такелажа и парусного вооружения. Известнейшим проектом является немецкий транспортный корабль MS Beluga SkySails, спущенный на воду 1 января 2008 года. Примерно 15−20% мощности корабль развивает благодаря гигантскому воздушному змею площадью 160 м 2 , в планах компании — увеличение его до 320 м 2 . Змей укреплен на носу корабля на канате, его поведение контролируется компьютером. Обычно он парит на высоте порядка 100 м и на расстоянии около 500 м от корабля, при этом тянет судно за собой. К 2013 году специалисты компании SkySails GmbH & Co. KG планируют оснастить своей системой около 400 судов — каждый такой «тюнинг» позволит заметно сократить расход топлива и количество вредных выбросов в атмосферу.

Собственно, впервые Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin à Vent) в 1981 году. Самым крупным успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк — под «присмотром» более крупного корабля экспедиции.

А в апреле 1985 года в порту Ля Рошель была спущена на воде «Алкиона», первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сегодня она по‑прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблём) команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и нескольких винтов (что позволяет сократить расход горючего примерно на треть, кстати). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил ещё несколько подобных кораблей, но энтузиазм его соратников после ухода Кусто заметно спал. Незадолго до смерти в 1997 году Кусто активно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его не успел. По последним данным зимой 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ждала новой экспедиции.

И снова Флеттнер

Сегодня предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, знаменитая гамбургская компания Blohm & Voss начала активную разработку роторного танкера после нефтяного кризиса 1973 года — но к 1986 экономические факторы «прикрыли» этот проект. Потом был ряд любительских конструкций; например, в 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg).

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.

А вот турбопарус Кусто пока что остаётся в некотором забвении: «Алкиона» и на сегодняшний день — единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт немецких кораблестроителей покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное — найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, глядишь, и всё мировое судоходство перейдёт на принцип, который талантливый немецкий учёный описал более 150 лет назад.