本文节选自论文，王杰，马格努斯效应的研究现状《科技创新与应用》
1马格努斯效应
据说牛顿是第一个解释网球运动与旋转之间关系的，他认为网球被球拍倾斜击中，运动轨迹为曲线。在这个过程中，网球在向前运动的同时将产生圆周运动，在运动合谋的那一侧必定剧烈挤压附近的空气，而空气也会对球产生反作用，这种反作用力会随着对空气的挤压成比例增大。1742年，本杰明·罗宾斯提出了火箭弹在运动中的轨迹偏差是由于旋转而产生的。1852年，古斯塔夫·马格努斯将黄铜圆柱安装在自由旋转臂上，并且从鼓风机向圆柱引入气流，当圆柱旋转时，会出现一个很强的横向偏差。旋转的圆柱总是倾向于偏向与风方向相同的转动一侧。这个现象就是著名的马格努斯效应，第一次成功地解释了旋转圆柱体如何产生升力。
马格努斯效应是通过以下方式实现的：旋转的圆柱体将带动周围的粘性空气旋转，即它将在自身周围形成边界层，产生诱导速度场。如果有自由来流在圆柱上流动，其速度场通过圆柱的旋转叠加到诱导速度场上。在圆柱体上两个速度场方向相反的一侧，由于附加速度场的停滞，流动速度减小。在圆柱体的另一侧，由于两个速度场相互增强，流动速度增大。根据伯努利定理，在圆柱体的两侧将形成压力差，从而产生侧向力，这个力与来流方向和圆柱体旋转方向均垂直。马格努斯力如图1所示。
2研究与应用
马格努斯效应自正式发现以来已有100多年历史，由于早期研究中经济性不高，所以一直没有大力发展。直到最近几十年，人们面临严重的能源和环境问题，马格努斯效应才再一次进入大众的视野，在世界范围内出现了大量关于它的研究和应用。科学家们除了在船舶领域应用马格努斯效应，如转筒风帆、转柱舵、减摇装置等，在风力机优化、飞行器设计、旋转弹体等方面也进行了相关研究。此外，马格努斯效应与乒乓球的“弧圈球”、足球的“香蕉球”等球类运动轨迹的弧度也有很深联系。
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2.1转筒风帆
在20世纪初，德国工程师弗莱特纳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。一艘名为Buckau的帆船首次安装了弗莱特纳设计的转筒风帆，并进行了约6100海里航线的跨大西洋航行，第一次实现了转筒风帆的航海活动。Buckau号转筒风帆动力船的两个转筒高15.6m，直径2.8m，均由镀锌钢板制成，厚度约1.5mm，由两台15马力的电机驱动。而两台转筒装置的总重量只有同类船舶配置的帆布风帆的五分之一。1926年，由斯洛曼公司制造的Barbara号船是第二艘转筒风帆动力船(如图2)。该船配置了三个转筒，转筒高17m，直径4m，总面积204m2，船只最高时速可达13海里/小时。经过六年多的运行，转筒风帆的功能和可靠性都得到了证明，即使在恶劣的天气条件下也能适应。
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。
2.2转柱舵
1980年美国成功研制了单独的转柱效应舵，并将其应用在了大型推船上，在密西西比河的航行测试中，以低航速和高负荷进行，取得了显著的效果。测试结果表明，当转柱舵旋转时的圆周运动线速度为来流速度的4倍时，升力(马格努斯力)与阻力(阻碍船舶前进的力)之比约为9：1；而对于普通的翼型舵，舵偏角最大时，升力与阻力之比也不到2：1。证明了转柱舵在不增大阻力的前提下，可以尽量提高对船舶控制的偏转力矩。
2.3减摇装置
船舶在大海航行时经常受到恶劣天气的作用，大风巨浪会引起船舶的大幅度横摇，产生操控中断、船员晕船等一系列后果，不仅严重影响船舶的正常运行，甚至会造成船只沉没。装备减摇鳍、减摇舵、减摇陀螺和减摇水枪等减摇装置的船舶能够有效减小横摇，从而避免海上事故的发生。由于减摇鳍和减摇舵低速航行的减摇效果不佳，减摇水枪会占用大量船舶空间，减摇陀螺价格昂贵，故除了军舰、科考船和调查船之外，民用船舶几乎没有装备减摇装置。美国RotorSwing公司最早研制出了基于马格努斯效应的减摇装置，其原理是利用旋转的圆柱体代替传统的鳍片。当船舶发生横摇时，船体两侧的圆柱发生旋转，由于马格努斯效应可以产生恢复力矩，从而有效抑制横摇。现已应用到0-14kn的游艇、渔船等船舶。
2.4风力机
弗莱特纳是最早利用马格努斯效应制造风力机进行发电的。他于1927年建造了一座水平轴式的马格努斯风力机，并且成功为广播电台供电，该装置的直径达到20m。1984年，美国人建造了一种圆柱叶片的风力机，利用圆柱旋转产生的马格努斯力，可以获得24%的风能最大利用率。日本的MECARO株式会社也成功制造了一种直径为11.5m的小型、实用化马格努斯效应风力机。该风力机不仅噪音低，而且耐风性能强、叶片的电能消耗量低。俄罗斯科学院对大展弦比的旋转圆柱叶片气动特性进行了研究，提出了一种计算叶片特性的方法，确定了叶片的最佳参数。
2.5滚筒机翼
1910年，《太阳晚报》刊登了世界上第一次关于使用滚筒机翼进行飞行的活动。美国人巴特勒·艾姆斯设计了一架飞机，利用40马力的柯蒂斯V-8发动机驱动旋转的圆筒来产生升力，并进行了为期11天的试验，不过没有实际飞行的记录。1931年，联合飞机公司制造了一架滚筒机翼飞行器X772N(如图3)。四个滚筒取代了传统的固定机翼布置在机身前部，由两台28马力的发动机驱动。前面的两个大滚筒旋转产生升力，后面的两个小滚筒保证飞机的稳定性，预计着陆速度在5-10英里/小时。
2.6旋转弹体
早在18世纪，科学家们就发现了马格努斯效应对于旋转炮弹轨迹的影响。到了20世纪，飞行器活动进入到超音速时代，针对旋转弹体运动轨迹的研究也越来越多。BentonER发现，随着马赫数的增大，与迎角平面垂直的尾翼产生的马格努斯力矩逐渐减小。
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