Effet Magnus et turbovoile

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-10 20:55

En Australie, des physiciens amateurs ont démontré l'effet Magnus en action. La vidéo de l'expérience, publiée sur l'hébergement YouTube, a reçu plus de 9 millions de vues.

L'effet Magnus est un phénomène physique qui se produit lorsqu'un flux de liquide ou de gaz circule autour d'un corps en rotation. Lorsqu'un corps rond volant tourne autour de lui, les couches d'air voisines commencent à circuler. En conséquence, en vol, le corps change la direction de son mouvement.

Pour l'expérience, des physiciens amateurs ont choisi un barrage de 126,5 mètres de haut et un ballon de basket ordinaire. Au début, la balle était simplement lancée, elle volait parallèlement au barrage et atterrissait au point marqué. La deuxième fois, la balle a été lâchée, défilant légèrement autour de son axe. La balle volante a suivi une trajectoire inhabituelle, démontrant clairement l'effet Magnus.

L'effet Magnus explique pourquoi dans certains sports, comme le football, le ballon suit une trajectoire étrange. L'exemple le plus frappant du vol "anormal" du ballon a pu être observé après un coup franc du footballeur Roberto Carlos lors du match du 3 juin 1997 entre les équipes nationales du Brésil et de France.

Le navire est sous voiles turbo

La célèbre série documentaire "L'Odyssée sous-marine de l'équipe Cousteau" a été tournée par le grand océanographe français dans les années 1960-1970. Le navire principal du Cousteau a ensuite été converti à partir du dragueur de mines britannique "Calypso". Mais dans l'un des films suivants - "La redécouverte du monde" - un autre navire est apparu, le yacht "Alcyone".

En le regardant, de nombreux téléspectateurs se sont posé la question: quels sont ces étranges tuyaux installés sur le yacht ?.. Peut-être s'agit-il de tuyaux de chaudières ou de systèmes de propulsion ? Imaginez votre étonnement si vous découvrez que ce sont des VOILES … des voiles turbo …

Le fonds Cousteau a acquis le yacht "Alkion" en 1985, et ce navire n'était pas tant considéré comme un navire de recherche, mais comme une base pour étudier l'efficacité des turbovoiles - le système de propulsion original du navire. Et quand, 11 ans plus tard, le légendaire « Calypso » a coulé, l'« Alkiona » a pris sa place comme navire principal de l'expédition (d'ailleurs, aujourd'hui, le « Calypso » a été relevé et est à l'état semi-pillé dans le port de Concarneau).

En fait, le turbosail a été inventé par Cousteau. Ainsi que du matériel de plongée, une soucoupe sous-marine et bien d'autres appareils pour explorer les profondeurs de la mer et la surface des océans. L'idée est née au début des années 1980 et était de créer le système de propulsion le plus écologique, mais en même temps pratique et moderne pour une sauvagine. L'utilisation de l'énergie éolienne semblait être le domaine de recherche le plus prometteur. Mais voici la malchance: l'homme a inventé une voile il y a plusieurs milliers d'années, et quoi de plus simple et de plus logique ?

Bien sûr, Cousteau et sa compagnie ont compris qu'il était impossible de construire un navire propulsé exclusivement à la voile. Plus précisément peut-être, mais ses performances de conduite seront très médiocres et dépendantes des aléas de la météo et de la direction du vent. Par conséquent, il était initialement prévu que la nouvelle "voile" ne soit qu'une force auxiliaire, applicable pour aider les moteurs diesel conventionnels. Dans le même temps, une turbovoile réduirait considérablement la consommation de carburant diesel et, par vent fort, elle pourrait devenir la seule propulsion du navire. Et le regard de l'équipe de recherche s'est tourné vers le passé - vers l'invention de l'ingénieur allemand Anton Flettner, le célèbre concepteur d'avions, qui a apporté une contribution significative à la construction navale.

Le rotor de Flettner et l'effet Magnus

Le 16 septembre 1922, Anton Flettner a reçu un brevet allemand pour le navire dit rotatif. Et en octobre 1924, le navire rotatif expérimental Buckau a quitté les stocks de la société de construction navale Friedrich Krupp à Kiel. Certes, la goélette n'a pas été construite à partir de zéro: avant l'installation des rotors de Flettner, c'était un voilier ordinaire.

L'idée de Flettner était d'utiliser ce qu'on appelle l'effet Magnus, dont l'essence est la suivante: lorsqu'un flux d'air (ou de liquide) s'écoule autour d'un corps en rotation, une force est générée qui est perpendiculaire à la direction du flux et agit sur le corps. Le fait est qu'un objet en rotation crée un mouvement de vortex autour de lui-même. Du côté de l'objet, où la direction du vortex coïncide avec la direction du flux de liquide ou de gaz, la vitesse du milieu augmente, et du côté opposé, elle diminue. La différence de pression crée ainsi une force de cisaillement dirigée du côté où le sens de rotation et le sens d'écoulement sont opposés au côté où ils coïncident.

Cet effet a été découvert en 1852 par le physicien berlinois Heinrich Magnus.

Effet Magnus

L'ingénieur et inventeur aéronautique allemand Anton Flettner (1885-1961) est entré dans l'histoire de la navigation en tant qu'homme essayant de remplacer les voiles. Il a eu la chance de voyager longtemps sur un voilier à travers les océans Atlantique et Indien. De nombreuses voiles étaient posées sur les mâts des voiliers de cette époque. L'équipement de voile était cher, complexe et peu efficace sur le plan aérodynamique. Des dangers constants guettaient les marins qui, même pendant une tempête, devaient naviguer à 40-50 mètres de hauteur.

Au cours du voyage, le jeune ingénieur a eu l'idée de remplacer les voiles, qui demandent plus d'efforts, par un appareil plus simple mais efficace, dont la propulsion principale serait aussi le vent. En réfléchissant à cela, il a rappelé les expériences aérodynamiques menées par son compatriote physicien Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Ils ont découvert que lorsqu'un cylindre tourne dans un flux d'air, une force transversale apparaît avec une direction dépendant du sens de rotation du cylindre (effet Magnus).

L'une de ses expériences classiques ressemblait à ceci: « Un cylindre en laiton pouvait tourner entre deux points; la rotation rapide du cylindre était donnée, comme dans une toupie, par une corde.

Le cylindre rotatif était placé dans un cadre qui, à son tour, pouvait facilement être tourné. Un fort jet d'air a été envoyé à ce système à l'aide d'une petite pompe centrifuge. Le cylindre s'écartait dans une direction perpendiculaire au flux d'air et à l'axe du cylindre, de plus, dans la direction à partir de laquelle les sens de rotation et le jet étaient les mêmes "(L. Prandtl" L'effet Magnus et le bateau à vent ", 1925).

A. Flettner a immédiatement pensé que les voiles pouvaient être remplacées par des cylindres rotatifs installés sur le navire.

Il s'avère que là où la surface du cylindre se déplace contre le flux d'air, la vitesse du vent diminue et la pression augmente. De l'autre côté du cylindre, l'inverse est vrai - la vitesse du flux d'air augmente et la pression diminue. Cette différence de pression des différents côtés du cylindre est la force motrice qui fait bouger le navire. C'est le principe de base du fonctionnement de l'équipement rotatif, qui utilise la force du vent pour déplacer le navire. Tout est très simple, mais seul A. Flettner "n'est pas passé à côté", bien que l'effet Magnus soit connu depuis plus d'un demi-siècle.

Il a commencé à mettre en œuvre le plan en 1923 sur un lac près de Berlin. En fait, Flettner a fait une chose assez simple. Il a installé un cylindre-rotor en papier d'environ un mètre de haut et 15 cm de diamètre sur un bateau d'essai d'un mètre de long, et a adapté un mécanisme d'horloge pour le faire tourner. Et le bateau s'éloigna.

Les capitaines de voiliers se moquaient des cylindres d'A. Flettner, avec lesquels il voulait remplacer les voiles. L'inventeur a réussi à intéresser de riches mécènes avec son invention. En 1924, au lieu de trois mâts, deux cylindres de rotor ont été installés sur la goélette de 54 mètres "Buckau". Ces cylindres étaient alimentés par un générateur diesel de 45 CV.

Les rotors du Bucau étaient propulsés par des moteurs électriques. En fait, il n'y avait aucune différence avec les expériences classiques de Magnus dans la conception. Du côté où le rotor tournait contre le vent, une zone de surpression s'est créée, du côté opposé, une zone de basse pression. La force résultante est ce qui a propulsé le navire. De plus, cette force était environ 50 fois supérieure à la force de pression du vent sur un rotor fixe !

Cela a ouvert de grandes perspectives pour Flettner. Entre autres choses, la surface du rotor et sa masse étaient plusieurs fois inférieures à la surface du gréement, ce qui aurait donné une force motrice égale. Le rotor était beaucoup plus facile à contrôler et sa fabrication était relativement peu coûteuse. D'en haut, Flettner a recouvert les rotors de plaques planes - cela a augmenté la force motrice d'environ deux fois en raison de l'orientation correcte des flux d'air par rapport au rotor. La hauteur et le diamètre optimaux du rotor pour "Bukau" ont été calculés en soufflant une maquette du futur navire dans une soufflerie.

Le rotor de Flettner s'est avéré excellent. Contrairement à un voilier ordinaire, un navire rotatif n'avait pratiquement pas peur du mauvais temps et des vents latéraux forts, il pouvait facilement naviguer avec des bords alternés à un angle de 25º par rapport au vent de face (pour une voile normale, la limite est d'environ 45º). Deux rotors cylindriques (hauteur 13,1 m, diamètre 1,5 m) ont permis d'équilibrer parfaitement le navire - il s'est avéré plus stable que le voilier qu'était Bukau avant la restructuration.

Les tests ont été effectués par temps calme, lors d'une tempête et avec une surcharge délibérée - et aucune lacune grave n'a été identifiée. Le plus avantageux pour le mouvement du navire était la direction du vent exactement perpendiculaire à l'axe du navire, et la direction du mouvement (vers l'avant ou vers l'arrière) était déterminée par le sens de rotation des rotors.

À la mi-février 1925, la goélette Buckau, équipée de rotors Flettner au lieu de voiles, quitte Dantzig (aujourd'hui Gdansk) pour l'Écosse. Le temps était mauvais et la plupart des voiliers n'osaient pas quitter les ports. En mer du Nord, le Buckau a dû faire face sérieusement à des vents forts et à de grosses vagues, mais la goélette gîtait moins à bord que les autres voiliers rencontrés.

Au cours de ce voyage, il n'était pas nécessaire de faire appel sur le pont des membres d'équipage pour changer de voile en fonction de la force ou de la direction du vent. Un seul navigateur de quart suffisait, qui, sans quitter la timonerie, pouvait contrôler l'activité des rotors. Auparavant, l'équipage d'un trois-mâts goélette était composé d'au moins 20 marins, après sa conversion en navire rotatif, 10 personnes suffisaient.

La même année, le chantier naval a jeté les bases du deuxième navire rotatif - le puissant paquebot "Barbara", propulsé par trois rotors de 17 mètres. Dans le même temps, un petit moteur d'une capacité de seulement 35 ch suffisait pour chaque rotor. (à la vitesse de rotation maximale de chaque rotor 160 tr/min) ! La poussée du rotor était équivalente à celle d'une hélice entraînée par hélice couplée à un moteur diesel de navire conventionnel d'une capacité d'environ 1000 ch. Cependant, un moteur diesel était également disponible sur le navire: en plus des rotors, il mettait en mouvement une hélice (qui restait le seul appareil de propulsion en cas de temps calme).

Des expériences prometteuses ont incité la compagnie maritime Rob. M. Sloman de Hambourg à construire le navire Barbara en 1926. Il était prévu à l'avance d'équiper les turbovoiles - les rotors de Flettner. Sur un navire de 90 m de long et 13 m de large, trois rotors d'une hauteur d'environ 17 m ont été montés.

Barbara transporte avec succès des fruits d'Italie à Hambourg depuis un certain temps, comme prévu. Environ 30 à 40 % du temps de voyage, le navire a navigué en raison de la force du vent. Avec un vent de 4 à 6 points, "Barbara" a développé une vitesse de 13 nœuds.

Il était prévu de tester le navire rotatif sur des voyages plus longs dans l'océan Atlantique.

Mais à la fin des années 1920, la Grande Dépression a frappé. En 1929, la compagnie de charter a abandonné le bail supplémentaire du Barbara et a été vendue. Le nouveau propriétaire a enlevé les rotors et a réaménagé le navire selon le schéma traditionnel. Pourtant, le rotor a perdu au profit des hélices en combinaison avec une centrale diesel conventionnelle en raison de sa dépendance au vent et de certaines limitations de puissance et de vitesse. Flettner s'est tourné vers des recherches plus avancées et le Baden-Baden a finalement coulé lors d'une tempête dans les Caraïbes en 1931. Et ils ont oublié les voiles rotatives pendant longtemps…

Le début des navires rotatifs, semble-t-il, a été assez réussi, mais ils n'ont pas été développés et ont été oubliés pendant longtemps. Pourquoi? Tout d'abord, le "père" des navires rotatifs A. Flettner se lance dans la création d'hélicoptères et cesse de s'intéresser au transport maritime. Deuxièmement, malgré tous leurs avantages, les bateaux rotatifs sont restés des voiliers avec leurs inconvénients inhérents, dont le principal est la dépendance au vent.

Les rotors de Flettner se sont à nouveau intéressés aux années 80 du XXe siècle, lorsque les scientifiques ont commencé à proposer diverses mesures pour atténuer le réchauffement climatique, réduire la pollution et une utilisation plus rationnelle du carburant. L'un des premiers à les rappeler fut l'explorateur français Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Pour tester le fonctionnement du système de turbosail et réduire la consommation de carburant, le catamaran à deux mâts "Alcyone" (Alcyone est la fille du dieu des vents Aeolus) a été converti en navire rotatif. Parti en voyage en mer en 1985, il voyage au Canada et en Amérique, fait le tour du Cap Horn, contourne l'Australie et l'Indonésie, Madagascar et l'Afrique du Sud. Il a été transféré dans la mer Caspienne, où il a navigué pendant trois mois, effectuant diverses recherches. Alcyone utilise toujours deux systèmes de propulsion différents - deux moteurs diesel et deux turbovoiles.

Voile turbo Cousteau

Les voiliers ont été construits tout au long du 20ème siècle. Dans les navires modernes de ce type, l'armement de la voile est replié à l'aide de moteurs électriques, de nouveaux matériaux permettent d'alléger considérablement la structure. Mais un voilier est un voilier, et l'idée d'utiliser l'énergie éolienne d'une manière radicalement nouvelle est dans l'air depuis l'époque de Flettner. Et elle est récupérée par l'infatigable aventurier et explorateur Jacques-Yves Cousteau.

Le 23 décembre 1986, après le lancement de l'Alcyone mentionné au début de l'article, Cousteau et ses collègues Lucien Malavar et Bertrand Charier ont reçu le brevet commun n° US4630997 pour « un dispositif qui crée une force par l'utilisation d'un liquide ou d'un gaz en mouvement.. La description générale se lit comme suit: « L'appareil est placé dans un environnement se déplaçant dans une certaine direction; dans ce cas, il se produit une force qui agit dans une direction perpendiculaire à la première. Le dispositif évite l'utilisation de voiles massives, dans lesquelles la force motrice est proportionnelle à la surface de la voile. » Quelle est la différence entre la voile turbo de Cousteau et la voile rotative de Flettner ?

En coupe transversale, une voile turbo est quelque chose comme une goutte allongée arrondie à partir de l'extrémité pointue. Sur les côtés de la "goutte", il y a des grilles d'admission d'air, à travers l'une desquelles (selon la nécessité d'avancer ou de reculer) l'air est aspiré. Pour l'aspiration du vent la plus efficace, un petit ventilateur entraîné par un moteur électrique est installé dans la prise d'air de la voile turbo.

Il augmente artificiellement la vitesse de déplacement de l'air du côté sous le vent de la voile, en aspirant le flux d'air au moment de sa séparation du plan de la turbo-voile. Cela crée un vide sur un côté du turbovoile tout en empêchant la formation de tourbillons turbulents. Et puis l'effet Magnus agit: raréfaction d'un côté, par conséquent - une force transversale capable de mettre le navire en mouvement. En fait, une turbovoile est une aile d'avion positionnée verticalement, au moins le principe de création d'une force de propulsion est similaire au principe de création d'une portance d'un avion. Pour s'assurer que la turbovoile est toujours tournée vers le vent dans la direction la plus avantageuse, elle est équipée de capteurs spéciaux et est installée sur une plaque tournante. Soit dit en passant, le brevet de Cousteau implique que l'air peut être aspiré de l'intérieur d'une turbo-voile non seulement par un ventilateur, mais aussi, par exemple, par une pompe à air - ainsi Cousteau a fermé la porte aux "inventeurs" ultérieurs.

En effet, pour la première fois, Cousteau a testé un prototype de voile turbo sur le catamaran Moulin à Vent en 1981. Le plus grand succès de navigation du catamaran a été un voyage de Tanger (Maroc) à New York sous la supervision d'un plus grand navire d'expédition.

Et en avril 1985, dans le port de La Rochelle, l'Alcyone, premier navire à part entière équipé de turbovoiles, est mis à l'eau. Maintenant, il est toujours en mouvement et est aujourd'hui le navire amiral (et, en fait, le seul grand navire) de la flottille Cousteau. Les voiles turbo ne sont pas le seul moteur, mais elles facilitent le couplage habituel de deux diesels et

plusieurs vis (ce qui, d'ailleurs, réduit la consommation de carburant d'environ un tiers). Si le grand océanographe était vivant, il aurait probablement construit plusieurs autres navires similaires, mais l'enthousiasme de ses associés après le départ de Cousteau diminua sensiblement.

Peu de temps avant sa mort en 1997, Cousteau travaillait activement sur le projet du navire "Calypso II" avec un turbosail, mais n'a pas réussi à le terminer. Selon les dernières données, à l'hiver 2011, « Alkiona » se trouvait dans le port de Caen et attendait une nouvelle expédition.

Et encore Flettner

Aujourd'hui, des tentatives sont faites pour relancer l'idée de Flettner et faire des voiles rotatives un courant dominant. Par exemple, la célèbre société hambourgeoise Blohm + Voss, après la crise pétrolière de 1973, a commencé le développement actif d'un pétrolier rotatif, mais en 1986, des facteurs économiques ont couvert ce projet. Ensuite, il y a eu toute une série de modèles amateurs.

En 2007, des étudiants de l'Université de Flensburg ont construit un catamaran propulsé par une voile rotative (Uni-cat Flensburg).

En 2010, le troisième navire à voiles rotatives est apparu - le camion lourd E-Ship 1, construit sur ordre d'Enercon, l'un des plus grands fabricants d'éoliennes au monde. Le 6 juillet 2010, le navire a été lancé pour la première fois et a effectué un court voyage d'Emden à Bremerhaven. Et déjà en août, il a effectué son premier voyage de travail en Irlande avec une charge de neuf éoliennes. Le navire est équipé de quatre rotors Flettner et, bien sûr, d'un système de propulsion traditionnel en cas de calme et pour plus de puissance. Pourtant, les voiles rotatives ne servent que d'hélices auxiliaires: pour un camion de 130 mètres, leur puissance n'est pas suffisante pour développer la bonne vitesse. Les moteurs sont neuf centrales Mitsubishi et les rotors sont alimentés par une turbine à vapeur Siemens qui utilise l'énergie des gaz d'échappement. Les voiles rotatives permettent une économie de carburant de 30 à 40 % à 16 nœuds.

Mais le turbovoile de Cousteau reste encore dans un certain oubli: « L'Alcyone » est aujourd'hui le seul navire grandeur nature doté de ce type de propulsion. L'expérience des constructeurs navals allemands montrera s'il est judicieux de développer davantage le thème des voiles opérant sur l'effet Magnus. L'essentiel est de trouver une analyse de rentabilisation pour cela et de prouver son efficacité. Et là, voyez-vous, tous les transports maritimes mondiaux passeront au principe qu'un talentueux scientifique allemand a décrit il y a plus de 150 ans.

Le 2 août 2010, le plus grand fabricant mondial de centrales éoliennes, Enercon, a lancé un navire rotatif de 130 mètres et de 22 m de large, qui a ensuite été nommé « E-Ship 1 », au chantier naval de Lindenau à Kiel. Ensuite, il a été testé avec succès dans la mer du Nord et la mer Méditerranée, et transporte actuellement des éoliennes d'Allemagne, où elles sont produites, vers d'autres pays européens. Il développe une vitesse de 17 nœuds (32 km/h), transporte simultanément plus de 9 000 tonnes de fret, son équipage est de 15 personnes.

La compagnie maritime basée à Singapour Wind Again, une technologie de réduction des carburants et des émissions, propose des rotors Flettner spécialement conçus (pliables) pour les pétroliers et les cargos. Ils réduiront la consommation de carburant de 30 à 40 % et seront rentables en 3 à 5 ans.

La société finlandaise d'ingénierie navale Wartsila envisage déjà d'adapter des turbosails sur les ferries de croisière. Cela est dû à la volonté de l'opérateur de ferry finlandais Viking Line de réduire la consommation de carburant et la pollution de l'environnement.

L'utilisation des rotors Flettner sur les bateaux de plaisance est étudiée par l'Université de Flensburg (Allemagne). La hausse des prix du pétrole et le réchauffement climatique alarmant apparaissent comme des conditions favorables au retour des éoliennes.