Змеи Магнуса

Наблюдая за полетом артиллерийского снаряда, Магнус обнаружил, странное явление. При боковом ветре снаряд отклоняется от цели вверх или вниз. Возникло предположение, что здесь не обходится без аэродинамических сил. Но каких? Ни сам Магнус, ни другие физики прошлого века не могли это объяснить. И может быть, поэтому практического применения эффект Магнуса долго не находил.

Современная физика нашла объяснение этому явлению. Суть его в следующем. При вращении вокруг своей оси цилиндр увлекает прилегающие к нему слои воздуха. В результате поток воздуха, окружающий цилиндр, движется не только поступательно, но и вращается вокруг него. С одной стороны цилиндра направление поступательного движения ветра совпадает с направлением вращения прилегающих к цилиндру слоев воздуха, с другой - противоположно ему. В той зоне, где направления поступательного и вращательного движений совпадают, результирующая скорость движения воздуха превосходит скорость потока, набегающего на цилиндр. И наоборот. Из закона Д. Бернулли известно, что давление воздуха тем больше, чем меньше его скорость. Поэтому-то с разных сторон на вращающийся цилиндр действуют разные силы. В итоге появляется результирующая сила, которая всегда направлена перпендикулярно воздушному потоку.

Эффект Магнуса может наблюдать каждый из вас. Достаточно посмотреть, как летит "крученый мяч" от удара опытного футболиста.

Рис. 31. Змей-вертушка Д. Эдвардса

В последнее время появилось много воздушных змеев, принцип движения которых основан на эффекте Магнуса. Один из них - конструкции Д. Эдвардса - показан на рисунке 31. Этот змей чем-то напоминает вертушку. В полете корпус змея, как и артиллерийский снаряд, за которым наблюдал Магнус, вращается вокруг оси. При этом крылья-лопасти преобразуют напор ветра в подъемную силу, а устойчивость змей сохраняет за счет симметричного обтекаемого корпуса и круглого киля. Устроен змей так. Центральный стержень прямоугольного сечения, круглый киль и крылья-лопасти образуют достаточно прочный корпус, который вращается на двух осях, закрепленных на торцах стержня. Ушки и уздечка связывают корпус с леером.

А теперь попробуйте сделать змей Магнуса - модель, которую придумал С. Альбертсон. Принцип движения этого летательного аппарата хорошо виден на рисунке 32. Полуцилиндры, закрепленные на рейках и закрытые с торцов дисками, под напором набегающего потока воздуха вращаются вокруг своих осей. Если за эти оси зацепить уздечку и привязать их к лееру, то аппарат легко взлетит. Конструктивно он состоит из каркаса с осями, двух полуцилиндров, четырех полу- дисков и уздечки. Каркас набирается из четырех продольных и двух поперечных реек из древесины сосны или бамбука.

С каркаса и начните изготовление змея. Склейте между собой рейки, а места соединений плотно обмотайте нитками с клеем. Концы центральных продольных реек согните, подержав их над жалом нагретого паяльника, а затем склейте и для прочности обмотайте нитками, пропитанными клеем. На концах продольных реек закрепите оси (крепление такое же, как у змея-вертолета). За эти же оси привяжите уздечки. Полуцилиндры согните из ватмана и приклейте к продольным рейкам каркаса. В последнюю очередь на каркасе установите кили - каждый из них составлен из двух полудисков. Приклейте их на поперечные рейки изнутри.

Из двух, трех и даже четырех аналогичных змеев можно собирать "поезда", которые очень эффектно смотрятся с земли. Как они соединяются между собой, видно на рисунках.

Рис. 32. Змей-вертушка С. Альбертсона

А вот и последняя модель, завершающая эту главу, - воздушный змей-самолет А. Финна (рис. 33). Запуск его может быть произведен на короткой дорожке и без помощника. Прежде чем приступать к изготовлению этой модели, внимательно изучите ее конструкцию и последовательность сборки ротора. Подберите необходимый материал. Учтите, что главное - это снижение массы змея. Конструктивно модель можно выполнить по-разному, увеличивая или уменьшая размеры по сравнению с размерами, указанными на рисунке. Прежде всего необходимо подготовить рабочие чертежи основных деталей модели: фюзеляжа, крыла, шасси, наконечника крыла, ротора и стабилизатора. Они выполняются на бумаге в натуральную величину. После этого приступайте к изготовлению деталей.

Ротор - главная и наиболее трудоемкая деталь модели. Советуем начать с нее. Конструктивно (см. на рисунке сечение A - A) это подшипник скольжения, закрепленный в фюзеляже. На токарном станке выточите из дюралюминия 3 втулки. Их внутренние и наружные диаметры подберите такими, чтобы подшипник вращался с минимальным трением. Во внутреннюю втулку забейте два деревянных стержня. Они образуют правую и левую оси для вращающихся крыльев. Внешние втулки надевать не нужно до тех пор, пока не будут заготовлены детали фюзеляжа.

Основной материал для фюзеляжа - пенопласт и сосновные дощечки или шпон, которые придают ему необходимую прочность. К центральной продольной дощечке с двух сторон приклейте 2 пластинки пенопласта. Советуем воспользоваться казеиновым клеем. Затем в корпусе просверлите отверстие для втулок, образующих подшипник ротора. Окончательно втулки закрываются приклеенными с боков накладками из шпона.

Рис. 33. Змей-самолет А. Финна

После того как стабилизаторы будут соединены с фюзеляжем, обклейте его папиросной или конденсаторной бумагой, пользуясь казеиновым клеем. Дайте клею хорошо просохнуть, а затем покройте обшивку нитролаком.

На выступающие оси последовательно наденьте крыло, шасси и наконечник крыла. Крыло собирается из четырех сосновых реек (см. сечение B - B и C - C), концы которых с одной стороны приклеиваются к основанию. Это тоже ответственная операция. Рейки необходимо приклеить так, чтобы шасси и основания вращались строго в вертикальной плоскости. Только после этого можно натянуть на рейки предварительно раскроенный кусок шелка, саржи или плотной бумаги и приклеить его казеиновым клеем. Поверхности крыльев фюзеляжа и стабилизаторов покрасьте нитролаком.

Модель воздушного змея-самолета готова. Теперь необходимо ее отбалансировать - уравновесить правую и левую части. Если такого равновесия нет, приклейте к шасси кусочки пластилина. После этого привяжите к модели леер из рыболовной лески диаметром 0,6 - 0,8 мм и попытайтесь запустить змей. Делать это нужно так. Установите модель в конце ровной площадки. Отпустите леер на 10 - 15 м и сделайте небольшой разбег. Обратите внимание: крылья модели начали вращаться вокруг оси. Змей поднимается выше, где скорость ветра больше. Крылья вращаются быстрей. И вот создаваемая ими подъемная сила, а это не что иное, как проявление эффекта Магнуса, уже уравновешивает массу модели. Змей зависает над вами. Отпуская леер все больше и больше, можно поднять модель на 50 - 100 м и выше.

Первые же полеты покажут вам, какую часть необычного воздушного змея можно усовершенствовать. Главное - постараться как можно больше снизить массу модели, сохраняя ее прочность.

В заключение следует отметить, что летательные аппараты, принцип полета которых основан на реализации эффекта Магнуса, - почти нетронутая область изобретательского творчества. Поэтому, думается, несколько советов не помешают юным моделистам. Прежде всего надо учитывать, что окружная скорость вращающихся лопастей или крыльев в 1,7 раза больше скорости ветра. На практике это означает, что подобные змеи способны взлетать, когда скорость ветра превышает 4 м/с. При сильном ветре устойчивость змея не уменьшается, а, наоборот, возрастает за счет увеличения гироскопического эффекта. Но вместе с тем возрастают и центробежные силы инерции, стремящиеся разрушить вращающиеся лопасти или крылья. Помните об этом.

Угол подъема таких змеев обычно не больше 45°, а улучшенных конструкций - 60 - 65°, что является существенным недостатком. Однако, если улучшить профиль полуцилиндров или крыла, то удается добиться более высоких результатов. Улучшенный профиль представляет собой часть развернутой спирали вместо части полуцилиндра.

Размах змея должен быть не менее 0,5 м, а длина полуцилиндров берется обычно в 2,5 раза больше диаметра.

При запусках вы можете столкнуться с явлением вибрирования змея и соответственно леера, что связано с самой физической сущностью эффекта Магнуса. Это нежелательное явление можно устранить, если одну лопасть (крыло) повернуть относительно другой лопасти (крыла) на 90°. Летные качества такого змея станут значительно лучше.