几根圆柱，为什么能驱动轮船前进？

通常我们所见的船舶都是依靠燃油或者风帆进行动力驱动。然而在德国汉堡国际海事展上，“E-Ship 1”号旋筒风帆货船却荣获了国际帆船协会颁发的风力推进创新奖。这种新型船只，甲板上有几个金属大圆筒，船就是通过旋转的圆筒进行动力驱动，乍一看是不是觉得不可思议。为什么使用几根圆柱就可以驱动轮船前进呢？

其中涉及到的原理便是马格努斯效应，在20世纪初，德国工程师弗莱特纳便设计制造了转筒风帆，即利用旋转圆柱体替代传统的风帆，证明了马格努斯效应在推进船舶运行的可行性。那么，什么是马格努斯效应呢？马格努斯效应（Magus Effect）是一种流体力学现象，亦即旋转的球体或圆柱体在气流中运动时，由于在球体或圆柱体两侧形成压力差，球体向低压一侧运动的现象。这一现象被德国物理学家Magnus研究并描述，也因此以其名字命名。

根据伯努利定理可知，转筒风帆产生的马格努斯力大小由转筒的转速与来流的速度比决定，而力的方向取决于转筒旋转的方向。传统的船舶，在航行时遇到变化的来流，必须要依靠大量人力调整风帆的面积和角度。对于转筒风帆船舶，只需通过调整转筒的转速和旋转方向，改变转筒所受空气动力的大小和方向，就能对船舶进行稳定的控制。如果安装有两个及以上的风筒装置的，即便遇到风向180度的变化，调节不同转筒的旋转方向就可以轻易改变船舶的航行方向。

这种利用旋筒风帆进行动力驱动的船只，在推动船舶前进，为船舶提供辅助风动力的同时，也达到降低燃料消耗、减少污染排放、优化能效利用的效果。对于传统的机帆船，它的缺点非常明显，首先就是操作复杂，升帆、降帆、还需要根据风向与风速变化不断调整帆位，要使用更多的人力，其次是巨大的风帆会严重占据甲板面积影响载货，恶劣天气中的甲板操作也增加了船员的危险性。而利用马格努斯效应推进就会避免上述的很多问题，只需一名船员在控制室内自动化操作圆柱体的旋转速度和旋转方向即可，能够最大程度上利用侧风升力。

其实，马格努斯效应在我们的生活中也很常见。比如说贝克汉姆的“香蕉球”、乒乓球中的侧旋球和弧线球等，以及很多人小时候玩过的打BB弹的玩具枪，有的就利用到了马格努斯效应——通过在弹膛里加一个摩擦块使BB弹“上旋”（Hop-Up），上旋后的BB弹出膛后弹道上扬，适当调节Hop-Up即可实现平直弹道。

如果我们将一个篮球旋转着从165米的高处扔下去，在我们的预想中，被扔出的篮球应该在重力作用下，边旋转边降落。但结果和我们的想象并不相同，篮球并不是以一条垂直的线路旋转着落到底部。而是以一段很大的弧线路径降落，最后甚至在湖面打了个水漂。高空落下的篮球会产生这样的结果，就是因为“马格努斯效应”。

再比如上世纪80年代Magenn Power公司制造的一款试验性球形飞艇，飞艇的核心部件就是一个巨大的氦气球，具备浮离地面的能力，然后在飞行过程中球体内部的机械结构使其向后旋转，随着旋转速度和前进速度的增加，飞艇的升力变大就会飞得更高，旋转减速甚至倒转就能快速下降。

动手能力强的小伙伴甚至可以用两个肯德基纸桶制作一个飞行器，这架“飞机”除了一个推进的螺旋桨外，并没有暗藏什么高科技的升力装置，它主要靠的就是一对旋转的纸桶，其背后的原理也是马格努斯效应。

随着对于马格努斯效应的深入研究，科学家们发现，这是一种非线性的复杂力学现象，深入研究其原理对于导弹的设计、气动性能分析以及制导控制都有积极意义。

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/KXV8HVFP8wcLb1n-ZTC5ug

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/vdBMl78yahOItAWIvskwCg

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/p5hTgIy4UXm3Tq_ubnuXbA

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/zPKhbYvo_v0THI00U4NXUA

本文经授权转载自微信公众号：力学科普  作者：小绵羊

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编辑：楚墨

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