اثر مگنوس چیست؟

اثر مگنوس یکی از پدیده‌های جالب در مکانیک سیالات است که نقش مهمی در حرکت اجسام چرخان در هوا یا مایعات ایفا می‌کند. این اثر توضیح می‌دهد چرا توپ‌های ورزشی مانند فوتبال، تنیس یا بیسبال هنگام چرخش مسیر منحنی پیدا می‌کنند. اساس این پدیده بر اختلاف فشار ناشی از تغییر سرعت جریان سیال در اطراف جسم چرخان است. درک اثر مگنوس نه‌تنها در ورزش‌ها اهمیت دارد، بلکه در طراحی پره‌های توربین، هوافضا و حتی کاربردهای صنعتی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اثر مگنوس یک پدیده‌ی فیزیکی است که با ایجاد یک نیروی جانبی بر روی جسم در حال چرخش هنگام حرکت در یک سیال مشخص می‌شود. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که بین جسم و سیال، حرکت نسبی وجود داشته باشد. اثر مگنوس به‌ویژه در ورزش‌ها مشهود است، جایی که ورزشکاران با اعمال چرخش به توپ‌ها، مسیر حرکت آن‌ها را منحنی می‌کنند. این اثر به نام دانشمند آلمانی هاینریش گوستاو مگنوس که در دهه‌ی ۱۸۵۰ آن را مطالعه کرد نام‌گذاری شده است، هرچند نخستین بار توسط ایزاک نیوتن در سال ۱۶۷۲ مشاهده شد و بعدتر بنجامین رابینز آن را به‌عنوان عاملی تأثیرگذار بر مسیر گلوله‌های تفنگ شناسایی کرد.

مکانیک اثر مگنوس شامل ایجاد اختلاف فشار به دلیل برهم‌کنش جسم در حال چرخش با هوای اطراف است. برای مثال، در ورزش‌هایی مانند بیسبال، پرتاب‌کنندگان با استفاده از چرخش‌های گوناگون مسیر حرکت توپ را تغییر می‌دهند و پرتاب‌هایی مانند کِروبال یا ناکلبال ایجاد می‌کنند. در دیگر ورزش‌ها همچون گلف، فوتبال، تنیس و والیبال نیز اثر مگنوس به‌کار گرفته می‌شود، جایی که چرخش‌های متفاوت می‌توانند مسیر پرواز توپ را به‌طور چشمگیری تغییر دهند. فراتر از ورزش، اثر مگنوس در زمینه‌های نظامی تاریخی نیز کاربرد داشته است؛ از جمله در حمله به سدها در سال ۱۹۴۳ طی جنگ جهانی دوم، که در آن بمب‌های ویژه‌ای طراحی شده بودند تا با بهره‌گیری از این اثر، کارایی بیشتری داشته باشند.

اثر مگنوس یک پدیدهٔ فیزیکی است که موجب ایجاد یک نیروی جانبی بر جسمی در حال چرخش می‌شود، هنگامی که جسم درون یک سیال حرکت می‌کند و میان آن جسم و سیال، حرکت نسبی وجود دارد. اثر مگنوس بیشتر در ورزش‌ها دیده می‌شود، زمانی که ورزشکاران به توپ ضربه می‌زنند، آن را پرتاب یا شوت می‌کنند و با اعمال چرخش، باعث می‌شوند مسیر حرکت توپ منحنی شود. این پدیده نقش ویژه‌ای در بیسبال دارد؛ جایی که پرتاب‌کنندگان از آن برای ایجاد پرتاب‌هایی مانند کِروبال و سایر پرتاب‌های ویژه استفاده می‌کنند. این اثر زمانی رخ می‌دهد که چرخش جسم، جریان هوا را در اطراف آن تغییر دهد. این تغییر باعث ایجاد اختلاف فشار در هوا شده و در نهایت به تغییر مسیر حرکت جسم می‌انجامد. گذشته از بیسبال، اثر مگنوس در موارد دیگری هم مشاهده می‌شود؛ از جمله در انحنای مسیر یک توپ گلف یا در مسیر پرتاب یک گلولهٔ توپ در حال چرخش.

با وجود اینکه در نهایت این پدیده به نام مگنوس شناخته شد، هاینریش گوستاو مگنوس (H.G. Magnus) نخستین دانشمندی نبود که اثر مگنوس را مشاهده کرد. فیزیکدان، ریاضی‌دان و ستاره‌شناس مشهور انگلیسی، آیزاک نیوتن در سال ۱۶۷۲ و پس از تماشای یک مسابقه تنیس در کمبریج، برای اولین بار اثر مگنوس را توصیف کرد. در قرن هجدهم، دانشمند و پژوهشگر نظامی انگلیسی، بنجامین رابینز بعدها به درستی اثر مگنوس را دلیل تغییر مسیر گلوله‌های تفنگ سرپر دانست. با این حال، تا دهه‌ی ۱۸۵۰ و زمانی که مگنوس این پدیده را به طور مفصل مطالعه کرد، این اثر به نام او شناخته نشد.

مگنوس که در سال ۱۸۰۲ در برلین متولد شد، در خانواده‌ای ثروتمند و آلمانی رشد کرد. پدرش بنیان‌گذار یک شرکت تجاری بزرگ و موفق بود. به لطف ثروت خانواده، مگنوس آموزش خصوصی در ریاضیات و علوم طبیعی دریافت کرد. استعداد او در این رشته‌ها سرانجام باعث شد که در سال ۱۸۲۲ وارد دانشگاه برلین شود. او در ادامه به شدت به مطالعه‌ی شیمی علاقه‌مند شد و نخستین مقاله‌اش را در سال ۱۸۲۵ منتشر کرد. دو سال بعد، پس از اخذ دکترا، به استکهلم رفت تا در کنار شیمیدان مشهور سوئدی یونس یاکوب برزلیوس به کار بپردازد. در طول این دوران، مگنوس موفق به کشف «نمک سبز» (اولین ترکیب پلاتین-آمین) و همچنین نمک پتاسیم و چند ترکیب دیگر شد.

او سرانجام در سال ۱۸۲۸ به برلین بازگشت و باقی عمر خود را در زادگاهش به پژوهش گذراند. در دهه‌های ۱۸۳۰ و ۱۸۴۰، تمرکز اصلی او همچنان بر شیمی بود. برخی از مهم‌ترین دستاوردهای او در این دوره شامل کشف نمک‌های تناوبی و مطالعه‌ی میزان اکسیژن و دی‌اکسیدکربن خون بود. اما در دهه‌ی ۱۸۵۰، توجه مگنوس به سمت فیزیک جلب شد. در سال ۱۸۵۳، علاقه‌ی روزافزون او به فیزیک باعث شد مطالعه‌ای مشابه با تحقیقاتی که حدود یک قرن پیش‌تر رابینز انجام داده بود، آغاز کند. در حالی که موضوع رابینز گلوله‌های تفنگ سرپر بود، مگنوس بر توپ‌های جنگی و تمایل آن‌ها به انحراف از مسیر پرتاب تمرکز کرد. او در طول تحقیقاتش به درستی دریافت که این پدیده با چرخش توپ‌ها در هنگام پرواز در هوا مرتبط است. پژوهش‌های او در این زمینه سرانجام سبب شد که این پدیده به نام او ثبت شود.

اثر مگنوس حاصل برهم‌کنش میان یک پرتابه و جریان سیالی است که در آن حرکت می‌کند. مکانیک این پدیده نسبتاً ساده است و به‌راحتی می‌توان آن را با مثال حرکت یک توپ در هوا توضیح داد. وقتی یک توپ در حال چرخش در هوا حرکت می‌کند، لایه‌ی مرزی‌ای از هوا به‌طور خودکار در سطح توپ شکل می‌گیرد و همراه با آن حرکت می‌کند. در یک طرف توپ، این لایه‌ی مرزی با جریانی از هوا که در جهت مخالف حرکت می‌کند برخورد دارد. در همان زمان، لایه‌ی مرزی در طرف دیگر توپ با جریانی از هوا مواجه می‌شود که در همان جهتی حرکت می‌کند که توپ در حال چرخش است. برخورد لایه‌ی مرزی با جریان مخالف باعث کاهش سرعت هوا در آن سمت و ایجاد یک ناحیه‌ی پرفشار می‌شود. اما در سمت دیگر توپ که برخوردی وجود ندارد، هوا سریع‌تر حرکت کرده و ناحیه‌ای کم‌فشار به وجود می‌آورد. اختلاف فشار ایجاد شده میان دو سمت توپ در نهایت نیروی بَرآیی (Lift Force) را پدید می‌آورد که موجب تغییر مسیر توپ شده و آن را به سمت ناحیه‌ی کم‌فشار منحرف می‌کند. این نیروی بَرآیی همان چیزی است که به آن اثر مگنوس گفته می‌شود.

اثر مگنوس کاربردهای عملی بسیاری دارد که بیشتر آن‌ها به ورزش مربوط می‌شوند. ورزشکارانی که در رشته‌های توپی بازی می‌کنند می‌توانند با استفاده از اثر مگنوس مسیر حرکت توپ را هنگام پرتاب، ضربه یا شوت تغییر دهند. آن‌ها این کار را با اعمال یکی از چند نوع چرخش انجام می‌دهند. این چرخش‌ها شامل تاپ‌اسپین (Topspin)، بک‌اسپین (Backspin) و سایداسپین (Sidespin) هستند. تاپ‌اسپین باعث می‌شود توپ در راستای حرکتش بچرخد. بک‌اسپین موجب می‌شود توپ در جهت مخالف حرکتش بچرخد. سایداسپین که معمولاً با مقداری تاپ‌اسپین یا بک‌اسپین همراه است، باعث می‌شود توپ هم به صورت افقی و هم عمودی بچرخد. ورزشکاران با تغییر نوع چرخشی که به توپ می‌دهند، می‌توانند از اثر مگنوس بهره بگیرند تا به نتیجه‌ی موردنظرشان برسند.

برخی از ورزش‌هایی که در آن‌ها اثر مگنوس نقش دارد شامل بیسبال، گلف، تنیس، والیبال و فوتبال می‌شوند. در بیسبال، پرتاب‌کننده‌ها میزان چرخشی را که به توپ وارد می‌کنند تغییر می‌دهند تا انواع مختلفی از پرتاب‌ها را اجرا کنند. هرچه چرخش بیشتری به توپ بدهند، انحراف مسیر توپ هنگام پرتاب بیشتر خواهد شد. به همین دلیل، وارد کردن چرخش زیاد یک کِروبال (Curveball) ایجاد می‌کند، در حالی‌ که وارد کردن چرخش بسیار کم یا نداشتن چرخش منجر به پرتابی بسیار غیرقابل پیش‌بینی به نام ناکلبال (Knuckleball) می‌شود. بازیکنان فوتبال نیز با استفاده از اثر مگنوس می‌توانند ضربه‌های خمیده‌ی معروف به ضربه کات‌دار (Banana Kick) را اجرا کنند، آن هم با اعمال میزان مناسبی از چرخش. در گلف، بازیکنان با اعمال بک‌اسپین می‌توانند برد ضربه‌های خود را افزایش دهند، یا با اعمال تاپ‌اسپین آن را کاهش دهند. وارد کردن سایداسپین روی توپ گلف می‌تواند به پدیده‌هایی مثل فِید (Fade) یا اسلایس (Slice) منجر شود. بازیکنان تنیس و والیبال نیز از تاپ‌اسپین و بک‌اسپین برای تغییر مسیر سرویس‌های خود با کمک اثر مگنوس استفاده می‌کنند.

خارج از حوزه‌ی ورزش، اثر مگنوس برخی کاربردهای نظامی هم داشته است. مشهورترین نمونه‌ی آن در جریان جنگ جهانی دوم (۱۹۳۹–۱۹۴۵) و عملیات حمله به سدها (Dams Raid) در سال ۱۹۴۳ رخ داد. در این حمله‌ی خاص به زیرساخت‌های آلمان، نیروهای بریتانیایی که قصد از کار انداختن سه سد نیروگاه برق‌آبی در دره‌ی رور را داشتند، بمب چرخانی ویژه طراحی کردند که از اثر مگنوس بهره می‌برد تا بتواند روی سطح آب جهش کند و سپس منفجر شود. این رویکرد غیرمعمول باعث شد عملیات موفق شود و دو مورد از سه سد هدف قرارگرفته‌ی آلمان را از کار بیندازد.