Co mają ze sobą wspólnego piłka baseballowa, piłka nożna oraz wirniko-żagle? Otóż wszystkie te przedmioty w ruchu są pod wpływem tajemniczej siły. Czym ona jest i jak ona dokładnie działa? Żeby poznać odpowiedź na to pytanie przez wiele lat naukowcy badali zmianę toru lotu piłeczek golfowych, czy też piłeczek tenisowych. Okazało się, że odpowiedź na to pytanie odnalazł niemiecki fizyk – Heinrich Magnus, od którego nazwiska powstała nazwa całego zjawiska. Czym jest to zjawisko oraz od czego ono zależy?
Zjawisko to polega na powstaniu siły prostopadłej do kierunku przepływu płynu, która działa na obracający się oraz poruszający się względem płynu obiekt. Sposób działania tego zjawiska został przedstawiony na poniższym rysunku.
Na rysunku widać, że kula obraca się zgodnie ze wskazówkami zegara, a wiatr napiera na prawą część kuli. Powietrze w momencie, w którym dociera do samego obiektu rozdziela się na dwie strugi. Ta struga powietrza, która przepływa na dole rysunku jest przyspieszana i jednocześnie jej tor ruchu jest zakrzywiany. Wszystko to jest skutkiem tego, że obraca się kula. Z tego samego też względu struga powietrza, która przechodzi nad obiektem jest spowalniana. To wszystko skutkuje tym, że powstają zawirowania oraz tym, że na dole obrazka jest większa prędkość powietrza, niż w jego górnej części. Zgodnie z równaniem Bernoulliego, wynika że ciśnienie ściśle zależy od prędkości. W miejscach gdzie występuje duża prędkość to panuje także niskie ciśnienie, natomiast w obszarach małej prędkości jest duże ciśnienie.
Wynika stąd, że pod kulą będzie panował obszar niskiego ciśnienia, a nad kulą będzie wyższe ciśnienie. Powstała różnica ciśnień skutkuje powstaniem siły, która jest skierowana prostopadle do ruchu płynu. Nazywa się ona siłą Magnusa i jest ona zaznaczona na rysunku literką F. Sam zwrot działania siły zależy od kierunku przepływu powietrza oraz rotacji bryły.
Przedstawienie efektu Magnusa w symulacjach
Poniższa symulacja została wykonana w SOLIDWORKS Flow Simulation. Zasymulowano obracającą się kulę w powietrzu z prędkością 400 rad/s. Osią obrotu kuli była oś OY, a zwrot obrotu był zgodny ruchem wskazówek zegara. Prędkość powietrza ustawiono na wartość 10m/s, a jej zwrot jest zgodna z osią OX.
Jako cel obliczeniowy ustawiono wartość siły w kierunku osi OZ. Ponadto dodano siatkę lokalną, przypisaną do kuli. W ustawieniach obliczeń pozwolono programowi na zagęszczanie siatki.
Z tak dobranymi ustawieniami, wykonano obliczenia. Wygląd uzyskanej siatki został przedstawiony na poniższym rysunku.
Kolejnym etapem było przedstawienie wyników na wykresie konturowym, gdzie przedstawiono ciśnienie względne.
Jak widać na powyższym rysunku, obszar najniższego ciśnienia względnego znajduje się nad kulą, a pod nią znajduje się ciśnienie o wyższej wartości.
To samo można zaobserwować na wykresie prędkości.
Na powyższy wykres warto nałożyć wykres wektorowy. Pozwala on zaobserwować jak struga powietrza opływa walec.
Dla tak wybranych parametrów wartość siły Magnusa była równa -0.021 N. Wynika stąd, że kula będzie zmieniać swój tor ruchu.
Jest to niesamowite zjawisko, które bardzo często występuje we wszystkich sportach, gdzie występuje piłka. Ponadto siła Magnusa została wykorzystana w przemyśle. Niektórzy konstruktorzy łodzi postanowili wykorzystać siłę Magnusa w swoich projektach. Mianowicie na pokładzie statku ustawia się cylinder, który obraca się z zadaną prędkością obrotową. Nazwa tego cylindra to rotor Flettnera, który służy jako napęd pomocniczy. Jest to alternatywny napęd aerodynamiczny, który może być wykorzystywany jak żagiel.
