Кіріспе
Сусыну ортасы арқылы қозғалатын айналатын дененің траекториясындағы ауытқу Магнус эффектісі – сусыну ортасы арқылы қозғалатын айналатын дененің ілеспе құбылысы. Айналатын денеге көтергіш күш әсер етеді. Дененің траекториясы айналмаған кезде байқалмайтын жолмен ауытқуы мүмкін. Ауытқуды айналатын дененің қарама-қарсы жақтарындағы сусыну ортасының қысымындағы айырмашылықпен түсіндіруге болады. Магнус эффектісінің күші дененің айналу жылдамдығына тәуелді. Магнус эффектісінің ең оңай байқалатын мысалы – айналатын шардың (немесе цилиндрдің) айналмаған кездегі траекториясынан бұрылуы. Оны футбол (футбол) және волейбол ойыншылары, бейсбол лақтырушылары және крикет ойыншылары жиі қолданады. Сондықтан, бұл құбылыс көптеген доп ойындарының физикасын зерттеуде маңызды. Бұған қоса, ол басқарылатын зымырандарға айналудың әсерін зерттеуде маңызды фактор болып табылады және роторлық кемелер мен Флетнер ұшақтарын жобалау сияқты инженерлік қолданыстарға ие. Доп ойындарындағы жоғары айналыс – бұл доптың жоғарғы бетінің қозғалыс бағытына перпендикуляр көлденең ось бойынша айналуы. Магнус эффектісі кезінде жоғары айналыс қозғалатын допты тек гравитациядан гөрі күштірек төмен қарай бұрады. Төменгі айналыс қозғалатын доптың ұшуын ұзартатын жоғары күш тудырады. Сол сияқты, бүйірлік айналыс кейбір бейсбол лақтыруларында, мысалы, слайдерде көрінетіндей, екі жаққа бұрылуға әкеледі. Жалпы мінез-құлқы аэродинамикалық профильге ұқсас (көтергіш күшке қараңыз), бірақ айналымды механикалық айналу тудырады, ал емес профильдің пішіні. Магнус эффектісі оны зерткен неміс физигі Генрих Густав Магнустың құрметіне аталған. Айналатын цилиндрге әсер ететін күш Кутта-Жуковский көтергіші деп аталады.
The Magnus effect is an observable phenomenon commonly associated with a spinning object moving through a fluid. A lift force acts on the spinning object. The path of the object may be deflected in a manner not present when the object is not spinning. The deflection can be explained by the difference in pressure of the fluid on opposite sides of the spinning object. The strength of the Magnus effect is dependent on the speed of rotation of the object. The most readily observable case of the Magnus effect is when a spinning sphere (or cylinder) curves away from the arc it would follow if it were not spinning. It is often used by football (soccer) and volleyball players, baseball pitchers, and cricket bowlers. Consequently, the phenomenon is important in the study of the physics of many ball sports. It is also an important factor in the study of the effects of spinning on guided missiles—and has some engineering uses, for instance in the design of rotor ships and Flettner airplanes. Topspin in ball games is defined as spin about a horizontal axis perpendicular to the direction of travel that moves the top surface of the ball in the direction of travel. Under the Magnus effect, topspin produces a downward swerve of a moving ball, greater than would be produced by gravity alone. Backspin produces an upwards force that prolongs the flight of a moving ball. Likewise side spin causes swerve to either side as seen during some baseball pitches, e. g. slider. The overall behaviour is similar to that around an aerofoil (see lift force), but with a circulation generated by mechanical rotation rather than shape of the foil. The Magnus effect is named after Heinrich Gustav Magnus, the German physicist who investigated it. The force on a rotating cylinder is known as Kutta–Joukowski lift,
Физика
Бұл құбылысты интуитивті түсіну Ньютонның үшінші заңынан туындайды: денеге түсетін бұрылу күші – дененің ауа ағынына тигізетін бұрылуға жауап әрекеті. Дене ауаны бір бағытта "итереді", ал ауа денеді кері бағытта итереді. Атап айтқанда, көтеру күші ауа ағынының төмен қарай бұрылуымен қатар жүреді. Бұл денедің арт жағындағы сұйық ағынының бұрыштық бұрылысы болып табылады. Лайман Бриггс бейсболға Магнус әсерін зерттеу үшін жел тоннелінде тәжірибе жасады, ал басқалар осы әсердің суреттерін жасады. Жоғарыдағы схемада артқа айналатын допқа көтеру күшінің қалай туындайтыны көрсетілген. Ояну және соңындағы ауа ағыны төмен қарай бұрылған. Шекаралық қабаттың қозғалысы доптың төменгі жағында күштірек болады, онда доптың бетінің айналу қозғалысы алға қарай бағытталған және доптың түзу қозғалысының әсерін күшейтеді. Шекаралық қабат қысқа уақыттан кейін ояну турбуленттілігін тудырады. Бейсболда бұл әсер қисық доптың төмен қарай қозғалуын жасау үшін қолданылады, онда бейсбол алға қарай айналады («топспин»). Басқа спорт түрлеріне қатысушылар да осы әсерді пайдаланады. Цилиндрде айналудан туындаған күш Кутта-Жуковский көтеруі деп аталады. Оны айналу арқылы туындаған маңайлық ағын арқылы талдауға болады. Цилиндрдің бірлік ұзындығына шаққандағы көтеру күші, , бос ағым жылдамдығының (м/с), сұйықтың бос ағым тығыздығының (кг/м3) және айналудың көбейткішімен тең, ол ыстық әсерлерге байланысты айналу арқылы қалыптасады: Дегенмен, 1672 жылы Исаак Ньютон оны сипаттап, Кембридж колледжіндегі теннисшілерді бақылағаннан кейін себебін дұрыс болжады. 1742 жылы британдық математик, баллистика зерттеушісі және әскери инженер Бенджамин Робинс мылтық оқтарының траекториясындағы ауытқуларды Магнус әсері тұрғысынан түсіндірді.
Спортта
Магнус эффекті спорттағы, әсіресе футбол, үстел теннисі, теннис, волейбол, гольф, бейсбол және крикет сияқты ойындарда айналатын доптардың әдеттегі траекториясынан немесе жолынан байқалатын ауытқуларды түсіндіреді. Гольф добының қисық жолы, слайс немесе хук деп аталатын құбылыс, негізінен доптың айналу осінің көлденең жазықтан ығысуына байланысты болады. Бұл, допты соққандағы клуб бетінің бұрышы мен соққы жолының әсерлесуінен туындап, Магнус эффектісінің бұрышта әрекет етуіне себеп болады, соның салдарынан доп тік сызықтан ауытқиды. Гольф добындағы кері айналу (доптың жоғағы қозғалыс бағытынан кері айналады) гравитация күшіне қарсы әрекет ететін тік күшті тудырады, бұл доптың айналмаған допқа қарағанда сәл ұзақ уақыт ауада қалуына мүмкіндік береді. Осының арқасында доп көлденең осінен айналмаған допқа қарағанда әлдеқайда алысқа ұшады. Үстел теннисінде Магнус эффектісін доптың кішкентай массасы мен төмен тығыздығының арқасында оңай байқауға болады. Тәжірибелі ойыншы допқа әртүрлі айналу түрлерін бере алады. Үстел теннисі ракеткаларының беті көбінесе резеңкеден жасалады, бұл ракетканың допты айналдыру үшін максималды ұстауға мүмкіндік береді. Крикетте Магнус эффектісі спин боулингіндегі дрифт, дип және лифт сияқты қозғалыс түрлеріне әсер етеді, бұл допқа қолданылатын спиннің айналу осіне байланысты болады. Магнус эффектісі дәстүрлі свинг боулингінде байқалатын қозғалысқа жауап бермейді, себебі мұндағы қысым градиенті доптың айналуынан емес, оның тігісінен және екі жартысының асимметриялық кедір-бұдырлығынан немесе тегістігінен туындайды. Алайда, Магнус эффектісі Ласит Малинганың боулингінде байқалған "Малинга Свинг" деп аталатын құбылысқа жауап беруі мүмкін. Эйрсофт спортында "хоп-ап" деп аталатын жүйе қолданылады, ол атылған BB-де кері айналыс жасау үшін пайдаланылады, бұл оның қашықтығын едәуір арттырады және Магнус эффектін гольф сияқты қолданады. Бейсболда питчерлер көбінесе допқа әртүрлі айналу түрлерін береді, бұл Магнус эффектісінің әсерінен допты қалаған бағытта қисайтуға мүмкіндік береді. PITCHf/x жүйесі Магнус эффектісінің салдарынан болатын траекторияның өзгеруін барлық питчтерде өлшейді. 2010 жылғы ФИФА әлем чемпионатының ресми допы бұрынғы доптардан өзгеше Магнус эффектісіне байланысты сынға ұшырады. Доптың Магнус эффектісі аз екендігі және оның нәтижесінде ұшып бара жатқан жері алыс болғанымен, бақылауға келмейтін қисық сызыққа ие екендігі айтылды.
Сыртқы баллистикада
Магнус эффектісі сондай-ақ озық сыртқы баллистикада да кездеседі. Біріншіден, ұшып бара жатқан айналмалы оқ көбінесе көлденең желдің әсеріне түседі, оны сол немесе оң жақтан соғатын жел деп қарапайымдастыруға болады. Бұған қоса, тіпті толыққанды тыныш ауада да оқ, өзінің инерциялық қозғалысының нәтижесінде, шағын көлденең жел компонентін сезінеді. Оқтың ұшу жолындағы бұл инерциялық қозғалысы, оның ұшының бағыты ұшу бағытынан сәл өзгеше екенін білдіреді. Яғни, оқ кез келген сәтте бүйірінен "сырғанап" қалады, демек, кез келген көлденең жел компонентіне қоса, қосымша көлденең жел компонентін де сезінеді. Бұл екі әсердің біріктірілген көлденең жел компоненті оққа Магнус күшінің әсер етуіне себеп болады, бұл күш оқтың бағытына да, біріктірілген көлденең желге де перпендикуляр болады. Ең қарапайым жағдайда, түрлі күрделі факторларды ескермейтін болсақ, көлденең желден туындаған Магнус күші айналмалы оққа жоғары немесе төмен бағытталған күштің әсер етуіне алып келеді (желдің сол немесе оң жақтан соғуына және оқтың айналуына байланысты), бұл оқтың ұшу жолын жоғары немесе төмен бұрып, соққы нүктесіне әсер етеді. Жалпы алғанда, Магнус күшінің оқтың ұшу жолына тигізетін әсері, әдетте, аэродинамикалық қарсылық сияқты басқа күштерге қарағанда мардымсыз. Дегенмен, ол оқтың тұрақтылығына айтарлықтай әсер етеді, ал тұрақтылықтың өзі қарсылықтың мөлшеріне, оқтың соққы кезіндегі мінез-құлқына және көптеген басқа факторларға әсер етеді. Оқтың тұрақтылығына әсер ететінінің себебі – Магнус эффектісі оқтың ауырлық орталығына емес, қысым орталығына әсер ететіндігінде. Бұл оқтың инерциялық бұрышына әсер етеді; ол оқты ұшу жолында бұрауға бейім, ұшу осіне жақындату арқылы (инерциялық бұрышты азайтып, оқты тұрақтандыру) немесе ұшу осінен алшақтату арқылы (инерциялық бұрышты арттырып, оқты тұрақсыздандыру). Қысым орталығының орналасуы – маңызды фактор, ол ағын өрісінің құрылымына байланысты, ал ағын өрісінің құрылымы негізінен оқтың жылдамдығына (дыбыс жылдамдығынан жоғары немесе төмен), сондай-ақ пішініне, ауа тығыздығына және беттік ерекшеліктеріне тәуелді. Егер қысым орталығы ауырлық орталығының алдында орналасса, әсер тұрақсыздандырады; ал егер қысым орталығы ауырлық орталығының артында орналасса, әсер тұрақтандырады.
Әуе қатынасында
Кейбір ұшақтар Магнус эффектісін пайдаланып, қанаттың орнына айналатын цилиндрмен көтергіштік күшін тудыру үшін құрастырылған, бұл оларға төменгі көлденең жылдамдықпен ұшуға мүмкіндік береді. Әуеден ауыр ұшақтар үшін Магнус эффектісін қолдануға жасалған алғашқы тыраш 1910 жылы АҚШ Конгресінің мүшесі, Массачусетс штатынан Батлер Эймс жасады. Келесі тыраш 1930 жылдардың басында Нью-Йорк штатындағы үш ойлап табушы жасады.
Кеме қозғалтқышы және тұрақтандыру
Роторлы кемелер қозғалтақыш ретінде Флетнер роторлары деп аталатын цилиндр тәрізді мачталарды пайдаланады. Бұлар кеме палубасына тік орнатылады. Жел бүйірден соққанда, Магнус эффектісі алға қарай итергіш күш тудырады. Осылайша, кез келген желкенді кеме сияқты, роторлы кеме тек жел болғанда ғана алға жылжуға қабілетті. Бұл эффект сонымен қатар су сызығының астында орналасқан және бүйінен шығып тұратын айналатын цилиндрден тұратын кеме тұрақтандырғышының ерекше түрінде де қолданылады. Айналу бағытын және жылдамдығын басқару арқылы күшті көтеруге немесе төмен басуға қол жеткізуге болады. Бүгінгі күнге дейін жүйенің ең ірі қолданылуы Eclipse моторлық яхтасында жүзеге асты.