Эффект Магнуса: почему вращающийся мяч летит по непредсказуемой траектории, а суда идут против ветра

Футбольные болельщики наверняка не раз наблюдали, как мяч после мастерски закрученного удара в обход стенки из игроков, совершив полет по невероятно причудливой траектории, влетает в ворота. Непонятное неискушенному в физике болельщику явление легко объяснят те, кто хорошо знает ее законы, поскольку речь идет об эффекте Магнуса, названном в честь немецкого физика Генриха Магнуса, который впервые описал это явление в 1853 году.

Генрих Магнус

Что такое эффект Магнуса

Вращаясь, объект формирует вокруг себя вихревое движение. При этом с одной стороны направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока, что способствует увеличению скорости движения среды. Одновременно с другой стороны объекта направление вихря противоположно движению потока, в результате чего скорость движения среды уменьшается.

Ввиду возникшей разности скоростей и давлений формируется поперечная сила. Поэтому вращающиеся объекты, находящиеся в воздухе или жидкости, изменяют траекторию движения.

Лучше понять эффект Магнуса помогает тесно связанный с ним закон Бернулли, гласящий: «Чем быстрее движется поток жидкости или газа, тем ниже его давление». Вокруг обтекаемого объекта формируется пограничный слой — результат взаимодействия этих физических явлений.

Вот так выглядит уравнение Магнуса:

Эффект Магнуса в спорте

Эффектом Магнуса активно «пользуются» представители ряда игровых видов спорта — футболисты, теннисисты, бейсболисты.

Классический пример — закрученный удар по воротам во время футбольного матча. Если бы была возможность визуально зафиксировать процессы, сопровождающие полет мяча в окружении вихревых потоков, то мы бы увидели: по одну сторону воздух движется параллельно встречному потоку, а по другую — навстречу ему. Возникающие при этом силы изменяют траекторию мяча.

Штрафные удары с подкруткой считаются «высшим пилотажем» среди звезд мирового футбола. Так, в 1997 году во время матча Бразилия — Франция защитник бразильцев Роберто Карлос мощно пробил по воротам соперников с расстояния 35 м, закрутив мяч против часовой стрелки и разогнав его до 137 км/ч.

Гол Роберто Карлоса

Начав движение по прямой, мяч затем снизил скорость, перешел в ламинарный режим и, обогнув слева стенку, оказался в сетке ворот. Траектория мяча напоминала банан, из-за чего удар получил прозвище «банановый».

Знаменитому игроку, а позже тренеру киевского «Динамо» Валерию Лобановскому принадлежит авторство другого подкрученного удара — «сухого листа». При подаче углового таким способом мяч сначала уходил вверх над головами игроков, а затем на завершающем этапе внезапно пикировал за спину вратарю.

Эффект Магнуса в технике: Ротор Флеттнера

То, что эффектом Магнуса однажды заинтересуются инженеры, было лишь делом времени. Первым в начале 1920-х годов на него обратил внимание немецкий инженер Антон Флеттнер, предложивший использовать вместо судовых парусов вращающиеся цилиндрические роторы, получившие название «роторы Флеттнера». Свою идею он воплотил на шхуне Buckau, где установил два 15-метровых ротора, приводимых во вращение часовым механизмом.

Шхуна Буккау — первое судно с роторными парусами

Вращающиеся роторы создавали вокруг себя вихревое движение. Там, где направление вихря совпадало с направлением ветра, скорость движения среды возрастала, а с противоположной стороны — уменьшалась. В результате возникающей разницы давлений появлялась поперечная движущая сила.

Ротор Флеттнера

Эксперимент оказался на редкость удачным: вес силовой установки составил всего 20 % от обычной парусной экипировки. При этом скорость необычного парусника оказалась выше — 8 узлов против 6,5. Судно с роторными парусами оказалось также значительно устойчивее к сильным ветрам.

К сожалению, на тот момент идея Флеттнера, опередившая свое время, не получила массового применения в судостроении. Все изменилось в начале XXI века. В 2012 году на китайской верфи Ронгшенг был спущен на воду крупнейший в мире рудовоз-супербалкер Sohar Max, оснащенный пятью роторными парусами и способный перевозить до 400 тыс. тонн руды.

Супербалкер Sohar Max

Во время своего первого рейса судно сэкономило до 6 % горючего. Ожидается, что благодаря таким судам снизятся выбросы CO₂ и затраты на доставку грузов.

Эффект Магнуса в авиации

Самолет с крыльями-роторами

И в авиации эффект Магнуса породил естественное желание заменить крылья летательных аппаратов вращающимися роторами. Однако многочисленные попытки в большинстве случаев заканчивались на этапе опытных моделей, которые, стоит отметить, все же поднимались в воздух.

Проблема заключается в очевидных недостатках таких аппаратов: низкой скорости горизонтального полета, недостаточной маневренности, уязвимости, низком уровне безопасности, тенденции к увеличению веса и лобового сопротивления, а также проблемах с устойчивостью.

Российский беспилотник на базе циклолета

Но не все так безнадежно. Современные технологии создают новые возможности, и попытки авиаторов «оседлать» эффект Магнуса продолжаются. Так, российский Фонд перспективных исследований запланировал на текущий год испытания малоразмерной модели беспилотного разведывательного комплекса на базе циклолета в рамках проекта «Циклон-2» для ВМФ России.

Почему эффект Магнуса важен

Подаренный природой и тесно связанный с аэродинамикой и гидродинамикой эффект Магнуса прочно вошел в практику КБ, проектных организаций и компаний, занимающихся разработкой перспективных средств передвижения.

Нет сомнений, что имеющиеся сегодня технические проблемы транспортных средств на основе эффекта Магнуса будут преодолены — и многие уже преодолеваются. Например, роторными судовыми установками интересуются судостроительные компании Сингапура, Китая, Южной Кореи, Финляндии и других стран.

Парусники XXI века уже бороздят просторы Мирового океана и будут становиться все более востребованными, поскольку меньше зависят от углеродного топлива и значительно сокращают выбросы CO₂.

Ожидается пополнение и в семействе ветрогенераторов: классические лопастные будут дополняться роторными установками, более эффективными при низких скоростях ветра 2–6 м/с. В их основе — ось, вокруг которой вращаются цилиндры.

Роторный ветрогенератор

Первая роторная ветровая установка мощностью 100 кВт была установлена в 2015 году в окрестностях Минска. Диаметр ее турбинного ротора составляет 36 метров, и она может работать при расчетной скорости ветра 9,5 м/с. Нет сомнений, что потенциал «зеленых» технологий благодаря таким решениям существенно расширится.

Эффект Магнуса — пример того, как процессы, наблюдаемые нами в повседневной жизни, — от спортивных приемов до необычных способов перемещения, воплощенных в инновациях современного транспорта, — объясняются простым физическим законом.