Viete, čo majú spoločné futbalisti a drahé jachty? Nielen majiteľa.
O 17. storočí mám mylné predstavy. Kvôli nim ma prekvapilo, keď som sa dozvedel, že Isaac Newton chodieval ako divák na tenisové zápasy. Jednoducho mi to nepasuje dokopy. To ale nie je dôležité. Dôležité je, čo si na jednom takom zápase uvedomil.
Newton nás naučil, že ak na objekt nepôsobí žiadna sila, pohybuje sa rovno a rovnakou rýchlosťou. V gravitačnom poli sa trasa vystreleného objektu stáča, vplyvom odporu vzduchu sa objekt spomaľuje.
Heinrich Gustav Magnus, nemecký chemik a fyzik, si uvedomil, že predsa len aj ten vzduch dokáže robiť viac, než len spomaľovať. Aj on dokáže zmeniť smer letu. Nedeje sa to však vždy – treba, aby objekt rotoval. V Magnusovych časoch bol tento jav známy skôr pri streľbe z muškety, guľka dopadla inde, než vojak pri výstrele mienil. Dnes sú príklady trochu menej násilné, stačí si v televízii pustiť futbal. Magnusov efekt umožňuje futbalistom kopnúť loptu tak, aby sa zatočila a dopadla inde, než brankár čakal – ideálne do brány.
Vlastným gólom pre históriu fyziky zostáva skutočnosť, že Magnusov efekt voláme práve po Magnusovi. Nebol prvým, kto ho spozoroval a jeho vysvetlenie javu ani nebolo úplne správne. Základné aspekty si temer 200 rokov pred ním uvedomil už Newton. On dokonca premýšľal, či je rotujúca tenisová loptička meniaca smer vhodnou analógiu pre ohýbajúce sa svetelné lúče v jeho sklenenej prizme (nie je).
Prečo sa trajektória rotujúcich objektov stáča? V prvom rade potrebujete mať tú správnu rotáciu – teleso musí rotovať okolo osi kolmej na smer letu. Napríklad v prípade futbalovej lopty zľava doprava, v prípade hodenej baseballovej loptičky zhora nadol (alebo naopak).
Predná časť rotujúceho objektu zachytí časť vzduchu a ten sa na zadnej strane odpojí a letí ďalej v smere rotácie. Rotujúci objekt tak posúva vzduch jedným smerom a Newtonov zákon akcie-reakcie vraví, že tým na neho vzniká sila v smere opačnom. Ak sa zadná strana lopty otáča doprava (a tým smerom posúva vzduch), tak sa celá lopta pohne doľava.
Toto bolo zjednodušené vysvetlenie aerodynamiky a kto do veci trochu vidí vie, že slová jednoduchosť a aerodynamika spolu nejdú dokopy. Vo veľmi jednoduchých abstraktných príkladoch – napríklad nekonečne dlhý rotujúci valec – vieme Magnusovu silu spočítať presne, v hocijak realistickej situácii sme však odkázaní na počítačové simulácie. Drobný rozdiel v rotácii alebo tvare objektu môže mať veľký vplyv na výsledok.
Magnusov efekt sa neprejavuje len pri streľbe, môže slúžiť aj v doprave. Boli napríklad pokusy vytvoriť lietadlo, čo by malo normálnu vrtuľu, no namiesto krídiel rotujúce valce. Toto sa veľmi nechytilo, rotujúce vysoké stĺpy však môžeme vidieť na niektorých lodiach, ide o takzvaný Flattnerov rotor. V podstate fungujú ako plachty, bočný vietor využívajú na pohon vpred, čím šetria palivo. Niektoré moderné jachty majú rotujúci valec zastrčený pod hladinou, pomáha im so stabilizáciou.
Keď budete najbližšie sledovať kropaje potu stekajúce z čela futbalistu, ktorý sa práve mračí na loptu a premýšľa, ako do nej správne kopnúť aby obletela múrik hráčov, spomeňte si, koľko je za tým zaujímavej fyziky.
[Samuel]PS: Len pre úplnosť, áno, aj gravitačná sila dokáže objekt spomaliť a trenie vzduchu zas dokáže jeho trajektóriu pokrútiť. V úvode spomínam len jednoduchý príklad.