משתמש:NadavN/אפקט מגנוס

הדגמה של אפקט מגנוס במקרה של כדור. V מייצג את מהירות הרוח, והחץ F מראה את הכוח הנוצר לעבר הצד שבו הלחץ הנמוך.

אפקט מגנוס או כוח מגנוס הוא התופעה שלפיה מוצק גלילי או כדורי מסתובב שקוע בזורם, יוצר מערבולת של זורם סביב עצמו, וחווה כוח בניצב לקו תנועתו. ההתנהגות הכללית דומה לזו סביב כנף (ראה כוח עילוי) עם סירקולציה הנוצרת על ידי הסיבוב המכני, ולא על ידי פעולה אווירודינמית. אפקט מגנוס נחשב לעיתים קרובות הדגמה של עיקרון ברנולי, אבל הדגמה זו הינה שגוייה, כיוון שצמיגותו של האוויר, אשר תונח כי היא זניחה בעיקרון ברנולי - היא מרכזית להבנת עוצמתו של הכוח.

במשחקי כדור רבים, אפקט מגנוס הוא האחראי לתנועה המעוגלת של כדור מסתובב. האפקט משפיע גם על טילים מסתובבים, ונעשה בו שימוש באוניות ומטוסי רוטור.

עיקרון

כאשר גוף (כמו כדור או גליל עגול) מסתובב בזורם צמיג, הוא יוצר שכבת גבול סביב עצמו, ושכבת הגבול גורמת לתנועה מעגלית נרחבת יותר של הזורם. אם הגוף נע דרך הנוזל במהירות V, המהירות של השכבה הדקה של הנוזל הקרובה לגוף היא קצת פחות מ-V בצד הנע קדימה, וקצת יותר מ-V בצד הנע לאחור. הסיבה לכך היא המהירות המושרית בשל שכבת הגבול המקיפה את הגוף הנע נגרעה מ-V בצד הנע קדימה והוספה ל-V בצד הנע לאחור. אם הגוף הנע נחשב למשאבת אוויר לא יעילה, האוויר יבנה בצד הנע קדימה שגורם ללחץ גבוה יותר שם מאשר בצד הנגדי. הסבר נוסף של אפקט מגנוס הוא שכן יש פחות יש פחות האצת אוויר (קדימה) בצד הנע קדימה מאשר בצד הנע לאחור, יש יותר לחץ בצד הנע קדימה, וכתוצאה מכך יופעל רכיב כוח ניצב מהאוויר לעבר הצד הנע לאחור. שכבה זו של אוויר מסתובב, בכל אופן, מאוד דקה, וזה סביר שרוב אפקט המגנוס קורה עקב ניתוק מוקדם יותר של זרימת האוויר בצד הנע קדימה, שמוביל להסטת הזרימה (תאוצה של אוויר) עם רכיב כוח מאונך לעבר לכיוון הצד הנע לאחור, לצד כוח אווירודינמי נגדי עם רכיב ניצב לכיוון הצד הנע לאחור.

היסטוריה

הפיזיקאי הגרמני היינריך מגנוס תיאר את האפקט בשנת 1852. בכל אופן, בשנת 1672, אייזק ניוטון תיאר זאת ושיער נכונה את הסיבה לאחר התבוננות בשחקני טניס בקיימברידג' קולג' שלו. בשנת 1742, בנג'מין רובינס, מהנדס ארטילריה בריטית, הסביר את הסטיות במסלולם של כדורי מוסקט במונחים של אפקט מגנוס.

חישוב של כוח מגנוס

נתון ווקטור המהירות הזוויתית ${\vec {\omega }}$ ומהירות ${\vec {v}}$ של האובייקט, הכוח הנוצר ${\vec {F_{M}}}$ יכול להיות מחושב בעזרת הנוסחה הבאה:

${\vec {F_{M}}}=S({\vec {\omega }}\times {\vec {v}})$

כאשר $S$ בממוצע של מקדם התנגדות האוויר על פני פני השטח של האובייקט. ה-$\times$ מציין את המכפלה הוקטורית.

דוגמה של כדור מסתובב באוויר

המשוואה הבאה מדגימה את כוח העילוי המושרה על כדור שמסתובב על ציר הסיבוב בניצב לכיוון המהירות הטרנסלטיונלית שלו:

${F}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L}$

F = כוח העילוי

$\rho$ = צפיפות הזורם

v = מהירות הכדור

A = שטח החתך של הכדור

C_L = מקדם העילוי

מקדם העילוי C_L יכול להיקבע מגרפים של נתוני הניסוי תוך שימוש במספרי ריינולדס ויחסי סיבוב. לכדור חלק עם יחס סיבוב (spin ratio) של בין 0.5 ל-4.5, טווח מקדם עילוי אופייני הוא מ-0.2 ל-0.6.