Magnuseffekten

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
En roterande kropp förflyttas vinkelrätt mot rörelseriktningen. I horisontalplanet motsvarar bilden en boll skruvad åt höger, i vertikalplanet en överskruv.

Magnuskraften eller Magnuseffekten är ett fysikaliskt fenomen som uppträder för roterande kroppar. Effekten innebär att en kropp som rör sig genom en fluid (en vätska eller en gas) samtidigt som den roterar accelereras vinkelrätt mot rörelseriktningen, det vill säga att rörelseriktningen "böjs av". Det är den fysikaliska kraft som gör att roterande bollar får så kallad skruv inom olika bollsporter.

Effekten är uppkallad efter Heinrich Gustav Magnus, en tysk kemist som i tjänst som artilleriofficer upptäckte och studerade effekten på artilleripjäser, men var känd redan av Isaac Newton.

När en boll som flyger genom luften roterar uppstår på grund av friktion mot luften en förtätning av luftmolekyler (ökad densitet) på den "sida" som "möter" luften, och en mindre förtätning på den motsatta sidan eller till och med en förtunning, beroende på om periferihastigheten hos bollen i förhållande till tyngdpunkten (r*ω) är lägre eller högre än tyngdpunktens hastighet i förhållande till den mötande luften. Enligt gaslagarna innebär en förhöjd densitet även ett förhöjt tryck och vice versa. Eftersom densiteten och trycket är olika på de båda sidorna uppstår en kraft på bollen vinkelrätt mot rörelseriktningen. En boll som skruvas medurs i horisontalplanet kurvar åt höger (nedåt i översta figuren). Ju snabbare rotationen är desto större är Magnuseffekten på grund av de ökande tryckskillnaderna. Samtidigt uppträder en motkraft enligt Newtons tredje lag som accelererar den luft som passeras åt motsatt håll. En motsvarande kraft uppstår på en roterande cylinder (rotor) monterad på ett fartyg eller annat transportmedel.

Strömningen förbi en slät rotor eller boll "släpper" tidigt (slutar att följa ytan) så att det uppstår ett stort område med turbulens bakom. Detta ger ett stort luftmotstånd. Därför förses till exempel en golfboll med kontrollerade ojämnheter i form av små gropar (engelska: dimples). Kontrollerad ojämnhet hos rotorn eller bollen ökar visserligen friktionsmotståndet men minskar det totala motståndet genom att strömningen följer rotorns eller bollens yta en längre sträcka och minskar därigenom den yta bakom föremålet där strömningen släpper och som ger kraftig turbulens och "sug". Den ökade friktionen förstärker samtidigt Magnuseffekten.

Katamaran med Flettner-rotor
Krafter på en Flettner-rotor

Sedan 1924 har det gjorts försök att utnyttja Magnuseffekten för framdrivning av fartyg. De så kallade Flettnerfartygen har i stället för segel motordrivna roterande cylindrar, som med vindens hjälp för fartygen framåt. Den vind som möter rotorn, den relativa vinden, är sammansatt av vindens hastighetskomposant och fartygets. Som framgår av den figur som visar krafterna på rotorn är även rotorns luftmotstånd av betydelse. Maximal dragkraft R fås därför när den relativa vinden angriper från sidan med en dragning bakifrån. "Segling" rakt mot vinden är inte möjlig och segling med vinden inte särskilt effektiv eftersom Magnuseffekten då inte utnyttjas. Även Flettnerflygplan, med rotorer i stället för vingar har prövats.