Magnus etkisi

Magnus etkisi, genellikle dönmekte olan toplarda (veya silindirde) harekete başlangıç noktasından itibaren kavis yaparak izlediği yolda gözlemlenen bir etkidir. Bu etki, top ile oynanan birçok sporda önemlidir. Dönerek ilerleyen füzelerde de etkisi görülür ve mühendisliklerde de bazı kullanım alanları (rotor gemileri, uçaklar...) vardır.

Top ile oynanan sporlarda topspin (üst yönlü dönme) diye adlandırılan bir durum vardır. Bu durum, topun hareket yönüne dik olacak eksende oluşan kavisin etkisiyle dönerek ilerlemesidir. Bir top Magnus etkisi altında iken; top spin, tek başına oluşturacağı yerçekimi kuvvetinden daha büyük aşağı yönlü bir dönme kuvveti oluşturur, aynı zamanda ters yönlü bir back spin(geri yönlü dönme) oluşur. Beyzbol toplarında da benzer şekilde side-spin(yanal dönme) denilen her iki yönde dönme kuvveti oluşur.

Genel tanımıyla, aynı etkiye fiziksel dönme ile uçak kanatlarının çevresinde oluşan sirkülasyonda da rastlanmaktadır.

Alman fizikçi olan Heinrich Gustav Magnus bu etkiyi araştıran ilk isimdir. Dönmekte olan silindirde oluşan etkiyi bulan isim olarak bilinen Kutt-Joukowski, sonrasında ise Martin Wilhelm ve Nikolai Zhukovsky bu etkiyi analiz eden ilk isimlerdir.

Sezgisel yaklaşım ile bu fenomeni anlamak mümkündür. Momentumun korunumuyla başlayacak olursak; bir cisimdeki sapma kuvveti (deflective force) hava akımından maruz kaldığı kuvvete eşittir. Cisim havaya aşağı yönlü bir etki uygularsa tersi yönünde tepki görür. Bu özel durumda; kaldırma kuvveti, aşağı yönlü bir sapma kuvvetini de beraberinde getirecektir.

Aslında, dönmeyi sağlayan birçok yol vardır (örneğin sapma kuvveti). Sıradan durumlarda bunu anlamanın en iyi yolu rüzgâr tüneli deneyleridir. Lyman Briggs beyzbol toplarındaki Magnus efektini incelemek için kusursuz bir rüzgâr tüneli yaptı ve ilginç görüntüler elde ettiler.Çalışmalar beyzbol topunun arkasında türbülans izi bıraktığını gösterdi. Bu iz beklendiği gibi gerçekleşti ve sebebi de aerodinamik sürükleme idi.

Cismin arkasında türbülans izi oluşma süreci karışık ama iyi incelenmiş bir aerodinamik süreçtir. Bu olay, ince sınır katmanının(boundary level) kendini herhangi bir noktada cisimden koparması (akım ayrılması) anında başlar ve gelişir. Sınır katmanının kendisi türbülanslı olsun veya olmasın, iz oluşumunda kayda değer bir etki yaratır.

Cismin yüzey koşullarındaki çok küçük değişimler iz oluşumunun başlangıcını etkileyebilir ve böylece aşağı yönlü akış deseni üzerinde belirgin bir etkiye neden olabilir. Bu etki cismin dönüşüne bu şekilde etki eder.

Yukarıda verilen diyagram geri yönlü spinin ürettiği çekimi göstermektedir. Buradaki türbülans izi ve hava akımı izleri aşağı yönde sapma yapar. Sınır katmanındaki sapma topun alt kısmındakine göre daha belirgindir. Sınır katmanı kısa bir mesafeden sonra bu şekilde türbülans izi oluşturur.

Silindirde Kutta Joukowski lift olarak da bilinen dönmye bağlı kuvvet, dönmeye bağlı oluşan girdap ile de analiz edilebilir. Silindirdeki birim uzunluk başına düşen havalanma,F/L, cismin hızı ‘V’,yoğunluğu ‘${\displaystyle \rho }$’ ve dönmeyle oluşan girdabın şiddetinin ‘G’ çarpımına eşittir:

${\displaystyle F/L=\rho VG}$,

Girdabın şiddeti ise şöyle ifade edilir:

${\displaystyle G=2\pi \omega r^{2}}$,,

Buradaki ω slindirdeki spinin açısal hızı ve r silindirin yarıçapıdır.

Alman fizikçi Heinrich Gustav Magnus bu etkiyi 1852 yılında tanımlamıştır. Aslında 1672 yılında Isaac Newton da Cambridge Üniversitesi'nde tenis oyuncularını gözlemledikten sonra bu etkiyi tanımlamıştı.

1742 yılında; İngiliz matematikçi, balistik araştırmacısı ve askeri mühendis Benjamin Robins, tüfek misketlerinin gidiş yolundaki sapmalarını Magnus etkisi cinsinden açıklamıştır.

Magnus etkisi, spor toplarının gidiş izindeki sapmaları gözlemlemek için kullanılmaktadır. En çok kullanıldığı sporlar; futbol, masa tenisi, tenis, voleybol, golf, beyzbol, kriket ve paintball toplarıdır.

Futbolda bolca kullanılan ‘falsolu vuruş’ futbol topunun Magnus etkisi sonucunda izlediği yörüngenin sapma yaparak ilerlemesi olayıdır. Futbol topundaki geri yönlü spin yerçekimi kuvvetine karşı yönde bir kuvvete sebep olur ve normalden daha fazla havada kalmasını sağlar.

2010 FIFA Dünya Kupası resmi topu diğer toplardan daha farklı Magnus etkisine sahip olmasıyla eleştirilmişti. Bu topta Magnus etkisi diğer toplara göre daha düşük ve bu da topun daha ileri ama daha kontrolsüz gitmesine sebep oluyordu.

Masa tenisinde Magnus etkisi çok rahat bir şekilde gözlemlenebilr. Çünkü kullanılan topun kütlesi ve yoğunluğu oldukça düşüktür. Tecrübeli bir masa tenisi oyuncusu birçok şekilde topu döndürerek falso verebilir. Masa tenisi raketlerde genellikle kauçuk yüzey kullanılır. Bu şekilde yüzey tutuşu büyük ölçüde artar, bu da oyuncunun topa falso vermesini kolaylaştırır.

Magnus etkisi dış balistikte de kullanılmaktadır. İlk olarak, dönerek ilerleyen bir mermide mesele genellikle yan rüzgardır. Buna ek olarak, neredeyse rüzgarsız bir havada bile yalpalama hareketi yaptığından dolayı yan rüzgara maruz kalmaktadır. Bu yalpalama hareketi, merminin hareketi boyunca hedef yönü yerine yan yönlere küçük hareketlenmeleri olarak açıklanabilir.

Bu yan rüzgarların birleşimi mermide Magnus etkisine neden olur. Birkaç küçük faktörün ihmal edildiği sıradan bir sistemde, yan rüzgardan oluşan Magnus kuvveti dönmekte olan mermiye aşağı ve yukarı yönlü kuvvet uygular(rüzgarın sağa veya sola doğru esmesine göre değişir) ve bu kuvvet merminin uçuş yolunu gözlemlenebilir derecede saptırır. Bu da merminin oluşturacağı etkiyi değiştirir.

Magnus kuvvetinin merminin uçuş yolundaki etkisi, diğer etkenlerle karşılaştırıldığında (aerodinamik sürüklenme gibi) önemsiz kalır. Öte yandan merminin stabilitesine olumlu yönde büyük bir etkisi vardır. Merminin stabilitesi etkilenmesinin sebebi Magnus etkisinin yerçekiminin merkezi yerine merminin kütle merkezine etki etmesidir. Bu aynı zamanda yalpalanma açısına da etki etmesi demektir. Magnus etkisi mermiyi uçuş yolu boyunca uçuş yoluna dik olacak şekilde dönme eğilimine zorlar. Buradaki kritik faktör mermi hızının akış alanı hızına bağlı olarak değişkenlik gösteren basınç merkezidir. Aynı zamanda merminin şekli, hava yoğunluğu ve merminin yüzey özellikleri de önemli kriterlerdendir. Eğer merminin basınç merkezi ağırlık merkezinden önde ise Magnus etkisi denge bozucudur. Eğer merminin basınç merkezi ağırlık merkezinin arkasında ise etki dengeleyicidir.

Bazı uçan makineler Magnus etkisinin yarattığı havalandırmayı kullanacak şekilde üretilmişlerdir. Bu makineler kanatlarının yanlarında dönen silindirler bulundurur ve bu da o makinelerin daha düşük hızlarda kullanabilmesine olanak sağlar. Magnus etkisinin havadan daha ağır hava araçları için kullanılması girişimi ilk olarak 1910 yılında Amerikan Kongre üyesi Butler Ames tarafından yapılmıştır. Daha sonraki deneme ise 1930'lu yılların başlarında New York eyaletinde bulunan 3 mucit tarafından yapılmıştır.

Magnus etkisi içerisinde yatay bir şekilde konumlandırılmış su hattı bulunduran dönen bir silindire sahip özel gemi dengeleme araçlarında kullanılır. Bu sistemde dönmenin yönünün ve hızının kontrol edilmesiyle güçlü yukarı yönlü veya aşağı yönlü kuvvetler yaratılabilir. Dengeleme sistemine sahip en büyük konumlandırma sistemi Eclipse Yatı'dır.

• YouTube'da Tazmanya’daki Gordon Barajı üzerinde basketbol topuyla yapılan bir deney