Вращение тел существенным образом влияет на траекторию их движения. Это хорошо известно бильярдистам. Аналогичная ситуация наблюдается и при движении в воздухе. Наверное, очень немногие люди слышали об эффекте, открытом в XIX веке немецким физиком Генрихом Магнусом, но почти каждый любитель спортивных игр наблюдал удивительную траекторию движения вращающегося мяча. В футболе есть такой термин – «сухой лист» – это мяч, который вращается вокруг наклонной оси и двигается по достаточно сложной дуге, а на последнем участке траектории резко падает вниз. Такой мяч вызывает бурю эмоций как у игроков, так и у болельщиков. Это отклонение вращающегося мяча в сторону – эффект Магнуса – также наблюдается при игре в теннис, гольф или волейбол. Давайте попробуем разобраться, как вращение различных тел влияет на траекторию их движения, какие возникают силы, вызванные этим вращением, и как это можно использовать.
Впервые обратили внимание, что вращающиеся пушечные ядра отклоняются от траектории свободного падения, еще в XVIII веке, но объяснение явления было сделано лишь на сто лет позднее. Это отклонение можно наблюдать, если легкий цилиндр скатывается вниз по наклонной плоскости. Траектория движения цилиндра после отрыва будет другой, нежели траектория свободного падения. Объяснить это можно при помощи закона Бернулли:
,
где 
‑ плотность воздуха, 
‑ скорость воздушного потока, 
‑ высота, на которой находится элемент воздуха, 
‑ давление в том месте, где расположен центр масс рассматриваемого элемента воздуха, 
‑ ускорение свободного падения.
Давайте сначала рассмотрим цилиндр, вращающийся в покоящемся воздухе. Вследствие трения молекулы воздуха увлекаются движущейся поверхностью цилиндра, и слои воздуха вблизи этой поверхности начинают двигаться с той же скоростью. Поэтому никаких горизонтальных сил со стороны воздуха на вращающийся цилиндр не действует, а действует вертикальная сила Архимеда.
В случае если не вращающийся цилиндр обтекается горизонтальным потоком воздуха или движется горизонтально в неподвижном воздухе, то кроме силы Архимеда будет возникать сила сопротивления, направленная в сторону движения воздуха относительно цилиндра.
Ситуация кардинально меняется, если вращающийся цилиндр обтекается потоком воздуха или движется в неподвижном воздухе. В этом случае помимо силы Архимеда и силы сопротивления будет действовать еще одна сила – сила Магнуса. Именно эта сила и может явиться причиной резкого изменения траектории движения. Если цилиндр вращается против часовой стрелки, а обтекающий его поток воздуха движется горизонтально справа налево, то скорость воздушного потока над цилиндром 
будет больше, чем скорость 
под ним. Следовательно, согласно закону Бернулли давление воздуха над цилиндром будет меньше, чем под ним, значит, возникнет дополнительная сила Магнуса, направленная вверх.
Если же цилиндр вращается по часовой стрелке, а обтекающий его поток воздуха также движется горизонтально справа налево, то скорость воздушного потока над цилиндром 
будет меньше, чем скорость 
под ним. Следовательно, согласно закону Бернулли давление воздуха над цилиндром будет больше, чем под ним, значит, возникнет дополнительная сила Магнуса, направленная вниз.
Поэтому скатывающийся по наклонной плоскости цилиндр после отрыва от нее будет вращаться по часовой стрелке, а поток воздуха будет двигаться справа налево. Следовательно, возникнет дополнительная сила, направленная вниз, что и приведет к изображенному на рисунке отклонению от траектории свободного падения. Это же является причиной заметного отклонения вращающегося футбольного мяча от своей траектории движения.
По предложенному методу мы предлагаем вам понаблюдать возникновение подъемной силы Магнуса. Для этого вам необходимо изготовить из легкой плотной бумаги цилиндр, приклеить к цилиндру нить и намотать ее на него. Резко дергая за нить, вы заставите цилиндр вращаться и одновременно двигаться горизонтально, что приведет к возникновению силы, противодействующей силе тяжести. Опишите наблюдаемый эффект.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Источник
Парни бросили мяч с огромной высоты...
Мяч, брошенный вниз с большой высоты, падает вполне обычным способом. А вот с небольшой подкруткой он творит чудеса. Этот эффект был впервые описан немецким физиком Генрихом Магнусом в 1853 году и получил название эффекта Магнуса. Сейчас он используется довольно широко. Эффект Магнуса — физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа. Образуется сила, воздействующая на тело и направленная перпендикулярно направлению потока.
Свежие комментарии