Efeito Magnus - Magnus effect

O efeito Magnus, representado por um cilindro giratório ou bola em uma corrente de ar. A seta representa a força de levantamento resultante. As linhas de fluxo onduladas representam uma esteira turbulenta . O fluxo de ar foi desviado na direção do giro.
Efeito Magnus: força para baixo em um cilindro de giro superior
Efeito Magnus. Enquanto o tubo gira, como consequência do atrito do fluido, ele puxa o ar ao seu redor. Isso faz com que o ar flua com maior velocidade de um lado do tubo e com menor velocidade do outro lado.
Efeito Magnus em um líquido 2D de discos rígidos

O efeito Magnus é um fenômeno observável comumente associado a um objeto giratório que se move através de um fluido . O caminho do objeto giratório é desviado de uma maneira que não está presente quando o objeto não está girando. A deflexão pode ser explicada pela diferença de pressão do fluido em lados opostos do objeto giratório. O efeito Magnus depende da velocidade de rotação.

O caso mais facilmente observável do efeito Magnus é quando uma esfera (ou cilindro) girando se afasta do arco que seguiria se não estivesse girando. É freqüentemente usado por jogadores de futebol e vôlei, arremessadores de beisebol e jogadores de críquete. Conseqüentemente, o fenômeno é importante no estudo da física de muitos esportes com bola . É também um fator importante no estudo dos efeitos do giro em mísseis guiados - e tem alguns usos de engenharia, por exemplo, no projeto de navios de rotor e aviões Flettner .

O giro superior em jogos com bola é definido como o giro em torno de um eixo horizontal perpendicular à direção de deslocamento que move a superfície superior da bola na direção de deslocamento. Sob o efeito Magnus, o topspin produz um desvio para baixo de uma bola em movimento, maior do que seria produzido apenas pela gravidade. O backspin produz uma força para cima que prolonga o vôo de uma bola em movimento. Da mesma forma, o giro lateral causa desvios para os lados, conforme visto durante alguns arremessos de beisebol, por exemplo, o controle deslizante . O comportamento geral é semelhante ao de um aerofólio (consulte a força de sustentação ), mas com uma circulação gerada por rotação mecânica em vez da ação do aerofólio.

O efeito Magnus tem o nome de Heinrich Gustav Magnus , o físico alemão que o investigou. A força em um cilindro giratório é conhecida como levantamento Kutta-Joukowski , em homenagem a Martin Kutta e Nikolai Zhukovsky (ou Joukowski), que primeiro analisou o efeito.

Física

Uma compreensão intuitiva do fenômeno vem da terceira lei de Newton, de que a força de deflexão no corpo é uma reação à deflexão que o corpo impõe ao fluxo de ar. O corpo "empurra" o ar em uma direção, e o ar empurra o corpo na outra direção. Em particular, uma força de elevação é acompanhada por uma deflexão para baixo do fluxo de ar. É uma deflexão angular no fluxo do fluido, atrás do corpo.

Lyman Briggs fez um estudo em túnel de vento do efeito Magnus nas bolas de beisebol, e outros produziram imagens do efeito. Os estudos mostram que uma esteira turbulenta atrás da bola em rotação causa arrasto aerodinâmico, além de haver uma deflexão angular perceptível na esteira, e essa deflexão é na direção do giro.

O processo pelo qual uma esteira turbulenta se desenvolve à ré de um corpo em um fluxo de ar é complexo, mas bem estudado em aerodinâmica. A fina camada limite se desprende (" separação do fluxo ") do corpo em algum ponto, e é aí que a esteira começa a se desenvolver. A própria camada limite pode ser turbulenta ou não, e isso tem um efeito significativo na formação da esteira. Variações bastante pequenas nas condições da superfície do corpo podem influenciar o início da formação da esteira e, portanto, ter um efeito marcante no padrão de fluxo a jusante. A influência da rotação do corpo é desse tipo.

Diz-se que o próprio Magnus postulou erroneamente um efeito teórico com fluxo laminar devido à fricção e viscosidade da pele como a causa do efeito Magnus. Esses efeitos são fisicamente possíveis, mas leves em comparação com o que é produzido no efeito Magnus propriamente dito. Em algumas circunstâncias, as causas do efeito Magnus podem produzir uma deflexão oposta à do efeito Magnus.

O diagrama acima mostra a sustentação sendo produzida em uma bola girando para trás. A esteira e o fluxo de ar foram desviados para baixo. O movimento da camada limite é mais violento na parte inferior da bola, onde o movimento giratório da superfície da bola é para frente e reforça o efeito do movimento de translação da bola. A camada limite gera turbulência de esteira após um curto intervalo.

No beisebol, esse efeito é usado para gerar o movimento descendente de uma bola curva, na qual a bola está girando para a frente (com 'topspin'). Os participantes de outros esportes praticados com bola também tiram proveito desse efeito.

Em um cilindro, a força devida à rotação é conhecida como levantamento Kutta-Joukowski . Pode ser analisado em termos do vórtice produzido pela rotação. A elevação do cilindro por unidade de comprimento, F/eu, é o produto da velocidade, v (em metros por segundo), a densidade do fluido, ρ (em kg / m 3 ), e a força do vórtice que é estabelecida pela rotação, G :

onde a força do vórtice é dada por

onde s é a rotação do cilindro (em rotações por segundo), ω é a velocidade angular de giro do cilindro (em radianos / segundo) er é o raio do cilindro (em metros).

História

O físico alemão Heinrich Gustav Magnus descreveu o efeito em 1852. No entanto, em 1672, Isaac Newton o havia descrito e inferido corretamente a causa após observar jogadores de tênis em sua faculdade de Cambridge . Em 1742, Benjamin Robins , um matemático britânico, pesquisador de balística e engenheiro militar, explicou os desvios nas trajetórias das balas de mosquete em termos do efeito Magnus.

No esporte

O efeito Magnus explica os desvios comumente observados das trajetórias ou caminhos típicos das bolas giratórias no esporte , notavelmente futebol , tênis de mesa , tênis , vôlei , golfe , beisebol e críquete .

O caminho curvo de uma bola de golfe conhecido como slice ou hook é em grande parte devido ao movimento giratório da bola (em torno de seu eixo vertical) e ao efeito Magnus, causando uma força horizontal que move a bola de uma linha reta em sua trajetória. Backspin (superfície superior girando para trás a partir da direção do movimento) em uma bola de golfe causa uma força vertical que neutraliza ligeiramente a força da gravidade e permite que a bola permaneça no ar um pouco mais do que se ela não girasse: isso permite que o bola para viajar mais longe do que uma bola que não gira em torno de seu eixo horizontal.

No tênis de mesa, o efeito Magnus é facilmente observado, devido à pequena massa e baixa densidade da bola. Um jogador experiente pode colocar uma grande variedade de giros na bola. As raquetes de tênis de mesa geralmente têm uma superfície feita de borracha para dar à raquete o máximo de aderência na bola para dar um giro.

O efeito Magnus não é responsável pelo movimento da bola de críquete visto no swing bowling convencional , embora possa ser responsável pelo " Malinga Swing" e contribua para o movimento conhecido como drift e mergulho no spin bowling .

No airsoft , um sistema conhecido como hop-up é usado para criar um backspin em uma BB disparada , o que aumenta muito seu alcance, usando o efeito Magnus de maneira semelhante ao golfe.

No beisebol , os arremessadores costumam dar diferentes giros na bola, fazendo com que ela se curve na direção desejada devido ao efeito Magnus. O sistema PITCHf / x mede a mudança na trajetória causada por Magnus em todos os arremessos lançados na Liga Principal de Beisebol .

A bola da partida da Copa do Mundo da FIFA 2010 foi criticada pelo efeito Magnus diferente das bolas das partidas anteriores. A bola foi descrita como tendo menos efeito Magnus e, como resultado, voa mais longe, mas com desvios menos controláveis.

Em balística externa

O efeito Magnus também pode ser encontrado em balística externa avançada . Em primeiro lugar, uma bala girando em voo geralmente está sujeita a um vento cruzado , que pode ser simplificado como soprar da esquerda ou da direita. Além disso, mesmo em um ar completamente calmo, uma bala sofre um pequeno componente de vento lateral devido ao seu movimento oscilante . Esse movimento oscilante ao longo da trajetória de voo da bala significa que o nariz da bala aponta em uma direção ligeiramente diferente da direção em que a bala viaja. Em outras palavras, a bala "derrapa" lateralmente a qualquer momento e, portanto, experimenta um pequeno componente de vento lateral além de qualquer componente de vento lateral.

O componente combinado do vento lateral desses dois efeitos faz com que uma força Magnus atue sobre a bala, que é perpendicular à direção em que a bala está apontando e ao vento lateral combinado. Em um caso muito simples, onde ignoramos vários fatores complicadores, a força Magnus do vento cruzado causaria uma força para cima ou para baixo para atuar na bala giratória (dependendo do vento esquerdo ou direito e da rotação), causando deflexão da trajetória de voo da bala para cima ou para baixo, influenciando assim o ponto de impacto.

No geral, o efeito da força Magnus na própria trajetória de voo de uma bala é geralmente insignificante em comparação com outras forças, como o arrasto aerodinâmico . No entanto, isso afeta muito a estabilidade da bala, o que por sua vez afeta a quantidade de arrasto, como a bala se comporta no impacto e muitos outros fatores. A estabilidade da bala é afetada, porque o efeito Magnus atua no centro de pressão da bala em vez de seu centro de gravidade . Isso significa que afeta o ângulo de guinada da bala; ele tende a torcer a bala ao longo de sua trajetória de vôo, seja em direção ao eixo de vôo (diminuindo a guinada, estabilizando a bala) ou para longe do eixo de vôo (aumentando a guinada, desestabilizando a bala). O fator crítico é a localização do centro de pressão, que depende da estrutura do campo de fluxo, que por sua vez depende principalmente da velocidade da bala (supersônica ou subsônica), mas também da forma, densidade do ar e características da superfície. Se o centro de pressão estiver à frente do centro de gravidade, o efeito é desestabilizador; se o centro de pressão estiver atrás do centro de gravidade, o efeito é estabilizador.

Na aviação

Aeronave com rotor de Anton Flettner

Algumas aeronaves foram construídas para usar o efeito Magnus para criar sustentação com um cilindro giratório em vez de uma asa, permitindo o vôo em velocidades horizontais mais baixas. A primeira tentativa de usar o efeito Magnus para uma aeronave mais pesada que o ar foi em 1910 por um membro do Congresso dos Estados Unidos, Butler Ames, de Massachusetts. A próxima tentativa foi no início dos anos 1930 por três inventores no estado de Nova York.

Propulsão e estabilização de navios

E-Ship 1 com rotores Flettner montados

Navios de rotor usam cilindros semelhantes a mastros, chamados de rotores Flettner , para propulsão. Estes são montados verticalmente no convés do navio. Quando o vento sopra de lado, o efeito Magnus cria um impulso para a frente. Assim, como acontece com qualquer navio à vela, um navio de rotor só pode se mover para a frente quando há vento soprando. O efeito também é usado em um tipo especial de estabilizador de navio que consiste em um cilindro giratório montado abaixo da linha da água e emergindo lateralmente. Ao controlar a direção e a velocidade de rotação, uma forte elevação ou força descendente pode ser gerada. A maior implantação do sistema até o momento é no iate a motor Eclipse .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos