جادوی اثر مگنوس : شوت معروف روبرتو کارلوس

در سال 1997 میلادی، در بازی فوتبال بین دو تیم برزیل و فرانسه، تیم ملی برزیل صاحب یک ضربه مستقیم شد. روبرتو کارلوس، توپ را در فاصله 35 متری دروازه کاشت و پشت آن قرار گرفت. در حالی که بازیکنان حریف، دیوار دفاعی را به خوبی بسته بودند، این مدافع برزیلی، یکی از به یاد ماندنی‌ترین گل‌های دوران بازیگری‌اش را به ثمر رساند.  در این مقاله با معرفی اثر مگنوس، این پدیده را تحلیل خواهیم کرد. در  فیلم زیر این شوت زیبا را تماشا کنید .

– توضیح علمی

براساس قانون اول نیوتن، تا زمانی که نیرویی به جسم وارد نشود، سرعت و مسیر حرکت آن جسم، تغییر نخواهد کرد. وقتی بازیکنی به توپ ضربه می‌زند، سرعت و مسیر حرکت اولیه توپ مشخص می‌شود. پس در میانه راه، چه نیرویی جهت توپ را تغییر می‌دهد؟ پاسخ این سؤال در حرکت اسپین توپ نهفته است. هنگامی که زننده ضربه، نقطه‌ای غیر از مرکز توپ را هدف می‌گیرد، توپ شروع به چرخیدن به دور محور خودش می‌کند. در این حالت، توپ از روی زمین بلند شده و به حرکت درمی‌آید. هوا در دو طرف (چپ و راست) توپ جریان دارد و رفته رفته از سرعت آن می‌کاهد. در یک سمت، حرکت هوا در خلاف جهت چرخش توپ است. در نتیجه، فشار افزایش می‌یابد. در طرف دیگر، هوا و چرخش توپ هم جهت هستند. در این ناحیه، افت فشار اتفاق می‌افتد. این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است.

در ادامه، این اختلاف فشار بین دو طرف توپ به حدی می‌رسد که مسیر حرکت توپ به سمت ناحیه کم‌فشار متمایل می‌شود. به این پدیده، اثر مگنوس می‌گویند. این اتفاق در ورزش‌های دیگر و با توپ‌هایی مثل توپ بیسبال، توپ گلف و حتی فریزبی هم رخ می‌دهد.

به آزمایشی دیگر توجه کنید:

توپ بسکتبالی را از بالای یک ارتفاع، رها کنید، توپ مستقیم پایین می‌آید.

اما دفعه دیگر توپ را در حین رها کردن، با حرکت دورانی به سمت عقب رها کنی (اسپین به سمت پشت بدهید.)، در کمال تعجب، توپ به طرز قابل ملاحظه‌ای به جلوتر رانده می‌شود و فاصله زیادی از پای دیوار می‌گیرد.

اگر دقت کرده باشید، بازیکنان فوتبال، وقتی خطایی به سود تیمشان گرفته می‌شود، برای اینکه توپ را قدری جلوتر از نقطه واقعی خطا بیاورند و بازی را شروع کنند، در حین رها کردن توپ، به آن قدری اسپین رو به عقب می‌دهند، با این کار آنها می‌خواهند تظاهر کنند که قصد دارند، توپ را درست در نقطه خطا بکارند و قصد جلو آوردنش را ندهند، اما همین اسپین، باعث می‌شود، توپ یکی دو متر جلوتر برود!

-تاریخچه اثر مگنوس

اثر مگنوس، ابتدا توسط نیوتن ثبت شده بود. نیوتن در سال 1672 میلادی، این اثر را به درستی در پرتاب توپ تنیس درک کرده بود. ولی «گوستاو مگنوس» (H. Gustav Magnus) فیزیک‌دان آلمانی، اولین کسی بود که به تشریح کامل این پدیده پرداخت. او در آزمایشاتش روی گلوله‌های شلیک شده از توپ جنگی، این موضوع را کشف کرد.  

کاربردهای دیگر اثر مگنوس

با وجود توضیحات ارائه شده، می‌توان تحت شرایطی خاص، از اثر مگنوس استفاده‌ مثبت کرد. در صنعت هوانوردی، برخی از هواپیماها برای ایجاد نیروی لیفت از اثر مگنوس استفاده می‌کنند. استوانه‌ای در قسمت بال هواپیما قرار می‌گیرد. نیروی لیفتی که بدین طریق ایجاد می‌شود، به هواپیما کمک می‌کند با سرعت افقی کمتری پرواز کند. در برخی طراحی‌ها، تمام بال به شکل استوانه ساخته می‌شود. کشتی‌های روتوری، با کمک روتورهای فلتنر از اثر مگنوس بهره می‌برند.

این روتورها به پاس خدمات مخترع آن، «آنتون فلتنر» (Anton Flettner) مهندس آلمانی، نام‌گذاری شده است. روتور فلتنر، استوانه بلندی است که حول محور طولی خود حرکت چرخشی دارد. با عبور جریان هوا از روی سطح این روتور، اثر مگنوس، نیرویی آیرودینامیکی ایجاد می‌کند. این نیروی آیرودینامیکی، بر محور طولی استوانه و مسیر جریان عمود است. به دلیل نصب عمودی این استوانه‌های بلند، نیروی لیفت ایجاد شده، به عنوان نیروی پیشرانه کشتی عمل می‌کند. 

ارائه شده توسط واحد تحقیق و توسعه