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Der Artikel Magnus-Effekt gehört zur Kategorie: Physik, Aerodynamik
Der Magnus-Effekt – benannt nach seinem Entdecker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) – ist ein Phänomen der Strömungsmechanik, nämlich die Querkraftwirkung (Kraft), die ein rotierender runder Körper (Zylinder oder Kugel) in einer Strömung erfährt.
Prinzip
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Rotierende Körper werden senkrecht zur Anströmung abgelenkt. Bildherkunft |
Führt ein rotierende Körper zugleich eine lineare Bewegung aus wie z.B. ein fliegender Ball, wird seine Flugbahn zu der Seite hin abgelenkt, auf der der Körper mit der Strömung (also entgegen der Flugrichtung) dreht. Auf dieser Seite kann die Luftschicht nahe am Ball schneller strömen, es entsteht also ein Unterdruck. Die Drehung gegen die Luftströmung auf der anderen Seite bedeutet, dass die Luft abgebremst wird. Dadurch entsteht ein Überdruck. Der Druckunterschied ist Ursache der Querkraft.
Das Bild rechts vernachlässigt Reibungskräfte. Kommen sie mit ins Spiel, treten Wirbelschleppen auf, die sich aufgrund der Drehung asymmetrisch ablösen. Die Strömung folgt der Kontur des Körpers auch hinter der "dicksten" Stelle (Coanda-Effekt), bis sie abreißt (Strömungsabriss), also die Kontur verlässt und ein Gebiet mit sehr bald turbulenter, mehr oder weniger chaotischer Strömung hinterlässt (siehe auch Grenzschichttheorie). Dieses Abreißen verzögert sich auf der Seite, auf der sich der Körper mit der Strömung (gegen die Flugrichtung) dreht. Das entstehende Gebiet mit turbulenter Strömung ist auf dieser Seite kleiner als bei einem nicht rotierenden Körper. Das Gegenteil ist der Fall auf der Seite, auf der sich der Körper entgegen der Strömung (also in Flugrichtung) dreht: Die Strömung reißt früher ab, und das Gebiet mit der turbulenten Schleppe wird größer. Ein rotierender Körper hinterlässt also eine asymmetrische, turbulente Schleppe, und die nicht-turbulente Strömung außenherum wird etwas zur Seite abgelenkt. Als Reaktion (3. Newtonsches Gesetz) erfährt der Körper eine ablenkende Kraft in die Gegenrichtung.
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Ein Golfball mit Dimples (siehe Text) Bildherkunft |
Beispiele
- Fußballspieler verleihen dem Ball einen Drall, damit er in einem Bogen ins Tor fliegt. Je schneller er dreht, umso größer ist die Bahnablenkung (Bananenflanke).
- Tischtennisspieler und Tennisspieler nutzen den Effekt, z.B. beim Topspin und Slice.
- Golfbälle besitzen viele kleine Vertiefungen auf der Oberfläche, sogenannte Dimples. Sie vergrößern das Volumen der am Ball anliegenden und durch seine Rotation mitgeführten Luftschicht. Dadurch verstärkt sich die Wirbelbildung und die damit einhergehende Ablenkung des Balls durch den Magnus-Effekt.
Geschichte
Magnus erbrachte 1852 den Nachweis des Phänomens rein experimentell und erkannte damit die Ursache für die Bahnabweichung rotierender Geschosse. Angeregt durch die Flugbahnabweichung von Tennisbällen gelang erst 1877 Lord Rayleigh die theoretische Begründung des Effekts.In den dreißiger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts versuchte Anton Flettner, den Magnus-Effekt zum Antrieb von Schiffen auszunutzen. Anstelle von Segelmasten besaßen die Schiffe große rotierende Zylinder (Flettner-Rotoren). Trotz der maschinell angetriebenen Zylinder handelte es sich jedoch um Segelschiffe, die auf herrschenden Wind aus günstiger Richtung angewiesen waren. In einer Zeit jedoch, in der man weltweit für die Handelsschifffahrt die Versorgung mit Energie aufbaute, hatten Segelschiffe keine Marktchancen mehr. Der französische Ozeanographen J. Cousteau griff die Idee des Magnuseffektes in den 1980er Jahren des letzten Jahrhunderts noch einmal auf und ließ die Alcyone planen und bauen. Das Schiff ging 1985 auf Jungfernfahrt und ist immer noch für die Cousteau Society unterwegs
2006 wurde in Flensburg der Katamaran Uni-Kat Flensburg mit einem Flettner-Rotor fertiggestellt. Gleichzeitig wurde in Kiel bei der Lindenau-Werft das E-Ship, ein Frachter, der nach dem gleichen Prinzip betrieben werden soll, in Planung genommen. Das Schiff soll 2008 fertiggestellt sein.
Siehe auch
Weblinks
- www.weltderphysik.de - Wieso ist die Bananenflanke krumm?
- pl.physik.tu-berlin.de - Der Magnus-Effekt
Diskussion der Autoren über den Artikel: Magnus-Effekt
Alter Text:
Dort, wo sich der Zylinder bzw. die Kugel mit der Strömung bewegt wird aufgrund der Reibung in der wandnächsten Strömungsschicht (die Grenzschicht) die Strömung beschleunigt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird die Strömung verzögert.
Eine Beschleunigung der Strömung führt zu einer Absenkung des Druckes (Bernoulli-Gleichung) und umgekehrt. Der so entstehende Druckunterschied wirkt sich als Querkraft aus, die senkrecht zur Rotationsachse steht und zu einer Bahnablenkung führt...
Problem:
Das Bernoulli-Gesetz beschreibt eine reibungsfreie Strömung. Immer wieder wird versucht, durch einen Reibungseffekt eine reibungsfreie Strömung zu beeinflussen. Dazu müßte die Wirkung der Reibung weit in die Strömung hineinreichen, viel weiter als die relativ dünne Grenzschicht ist.
Reguläre (reibungsfreie, nicht kompressible) Strömung wird nur durch die From des Körpers beeinflußt, nicht durch Reibungseffekte. Bei der symmetrischen Form des Körpers kommen wir auf diesem Weg also nicht zu einer Erklärung.
Alter Text:
Problem:
Ich kann nicht sagen, was eine Billard-Kugel um die Kurve rollen läßt, aber den Magnus-Effekt kann man nicht als Erklärung anführen: Dazu ist die Kugel zu schwer bei der besonders geringen Strömungsgeschwindigkeit.
Sobald ich weiß wie's geht tu' ich auch das Bild rein...
Mit freundlichen Grüßen Helmut Stettmaier
Ist dieser Effekt eigentlich auch für die Kemme'sche Erdrotation verantwortlich? --Archy 14:35, 19. Nov 2004 (CET)
Nein. Das sind völlig verschiedene Dinge. Ich hätte das eher mit der Corioliskraft in Verbindung gebracht, aber der zitierte Aufsatz zur Erdrotation läßt mich da zweifeln. mfG stm
Ich finde die Zeichnung irritierend. Wenn ich alles richtig verstanden hab, sollte bei einer Anordnung wie in der Zeichnung eine Auftriebskraft nach oben entstehen. Der Pfeil zeigt aber nach unten. Vermutlich steht der Pfeil für die Verschiebung des Ablösegebiets, man könnte ihn so aber für die Wirkung, also den Effekt halten... mfg Daniel
Hallo Daniel, danke für den Hinweis. Ich arbeite an einer Verbesserung... mfg stm
Beispiele Fußball und Tischtennis
Die aus vielen Sportarten bekannten Kurvenflüge von Bällen (Fußball, Handball, Tennis, Tischtennis, Golf...) sind keine Folge des Magnus-Effektes, da der eingebrachte Drehimpuls ja zu einer genau gegenteiligen Flugbahn führt als nach dem Magnus.Effekt zu erwarten wäre.
Ein mit dem rechten Innenspann geschossener Fußball fliegt in einer Kurve von rechts nach links. Aus Sicht des Schützen ist die relative Strömunsgeschwindigkeit auf der rechten Seite des Balls höher als auf der linken Seite. Der auf der rechten Seite wirkende relative Unterdruck müsste nun den Ball nach rechts ablenken. In Wirklichkeit beobachten wir jedoch das Gegenteil.
Bei den genannten Beispielen überwiegen die auf den Ball wirkenden Luftreibungskräfte den Magnus-Effekt. Durch höheren Reibungswiderstand auf der rechten Seite des o.g. Balles weicht der Ball nach links aus. MfG Axel
- 1) Dreht sich der Ball beim Schuss nicht nach rechts, woraus eine Ablenkung nach links resultiert?
2) Bei einer Kugel ist eine Asymmetrie der Luftreibung schwer vorstellbar. Selbst wenn, würde die Reibung eine Rotation hervorrufen, aber keine Verschiebung nach links oder rechts.
Dantor
"Sie (Dimples) vergrößern die Luftschicht, die am Ball anliegt und durch seine Rotation mitgeführt wird. Dadurch verstärkt sich die Wirbelbildung und damit die Ablenkung des Balls durch den Magnus-Effekt". Ist das nicht genau umgekehrt? Warum soll denn die Ablenkung eines Golfballs vergrößert werden? Sie soll doch kleiner werden, um genauer spielen zu können. -- Wessmann.clp 13:49, 17. Dez 2005 (CET)
- Ich habe einige Dinge nicht auseinander gehalten.
- (1) Magnuseffekt: Ablenkung der Kugel nur dann, wenn sie rotiert.
- (2) Einfluß der Dimples auf das Strömungsverhalten allgemein, sowohl einer fliegenden Kugel ohne und mit Rotation.
- Dimples erhöhen lokal an der Oberfläche die turbolente Strömung. Dadurch reißt bei unterkritischen Geschwindigkeiten die Anströmung erst bei höheren Geschwindigkeiten ab. Folge: der Ball erfährt beim Flug weniger Luftwiderstand. (Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten -- die der Ball aber nicht erreicht -- hätten Dimples den gegenteiligen Effekt).
- (3) Rotiert der Ball und liegt die Rotationsachse parallel zur Erdoberfläche, drückt der Magnuseffekt ihn je nach Drehrichtung nach oben oder nach unten. -- Dantor 01:29, 18. Dez 2005 (CET)
ich glaube, das Bild ist falsch
Hallo,
also ich bin mir nicht sicher, aber ist das Bild nicht falsch? Im Text heisst es doch: "[...]wird seine Flugbahn zu der Seite hin abgelenkt, auf der der Körper mit der Strömung (also entgegen der Flugrichtung) dreht." Der dicke Pfeil zeigt aber in genau die andere Richtung...
Jens Christen
- Habe das Bild :image:Magnus-Effekt.PNG ersetzt. Zwar fehlen nun die Andeutungen der Wirbel, dafür deutet die Liniendichte den Druckgradienten besser an. Dantor 00:29, 4. Jun 2006 (CEST)
Magnus-Bernoulli
Ich habe über den Link die Darstellung der TU Berlin angesehen. Die Verseuchung der Aerodynamik mit Bernoulli ist vollkommen. Gibt es irgend etwas, was nicht damit erklärt wird? Am Tragflügel ist er schon falsch und als Magnus-Effekt auch. Warum heißt er dann auch Magnus-Effekt, wenn es doch nur der Bernoulli-Effekt sei? Wenn man nichts anderes findet, ist es immer der Bernoulli-Effekt. So geht es nicht.
- Die TU erklärt also den Magnus-Effekt mit dem Bernoulli-Effekt. Wie soll ein Ball, der nur ein paar Millisekunden an einer Stelle in der Luft ist, diese dort in Rotation versetzen? Kommen da niemand Zweifel? Warum fällt ein Tennisball beim Slice am Ende der Flugbahn fast senkrecht nach unten, was hat ihn so abgebremst? Das MUß die Theorie des Magnus-Effektes mit beantworten, sonst ist sie schon deshalb falsch.
