Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.
(Н. Е. Жуковский)
Почему и как летает самолет Почему могут летать птицы несмотря на то что они тяжелее воздуха? Какие силы поднимают огромный пассажирский самолет, который может летать быстрее, выше и дальше любой птицы, ведь крылья его неподвижны? Почему планер, не имеющий мотора, может парить в воздухе? На все эти и многие другие вопросы дает ответ аэродинамика - наука, изучающая законы взаимодействия воздуха с движущимися в нем телами.
В развитии аэродинамики у нас в стране выдающуюся роль сыграл профессор Николай Егорович Жуковский (1847 -1921) - «отец русской авиации», как назвал его В. И. Ленин. Заслуга Жуковского состоит в том, что он первый объяснил образование подъемной силы крыла и сформулировал теорему для вычисления этой силы. Жуковский не только открыл законы, лежащие в основе теории полета, но и подготовил почву для бурного развития авиации в нашей стране.
При полёте на любой самолёт действуют четыре силы , сочетание которых не даёт ему упасть:
Сила тяжести - постоянная сила, которая притягивает самолёт к земле.
Сила тяги , которая исходит от двигателя и двигает самолёт вперёд.
Сила сопротивления , противоположная силе тяги и вызывается трением, замедляя самолёт и уменьшая подъёмную силу крыльев.
Подъёмная сила , которая образуется тогда, когда воздух, движущийся над крылом, создаёт пониженное давление. Подчиняясь законам аэродинамики, поднимаются в воздух все летательные аппараты, начиная с легких спортивных самолетов
Все самолёты на первый взгляд очень похожи, но если присмотреться, то можно найти в них отличия. Они могут отличаться крыльями, хвостовым опереньем, строением фюзеляжа. От этого зависит их скорость, высота полёта, и прочие манёвры. И у каждого самолёта только своя пара крыльев.
Чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость. От взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт. Дело остается за малым: сделать подходящее крыло и суметь разогнать его до необходимой скорости.
Наблюдательные люди очень давно заметили, что у птиц крылья не плоские. Рассмотрим крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя - выпуклая.
Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая - сверху. Сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу. Известно, что с увеличением скорости давление в потоке газа падает. Вот и здесь давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним. Разница давлений направлена вверх, вот вам и подъёмная сила. А если добавить угол атаки, то подъёмная сила ещё увеличится.
Как летит настоящий самолет?
Настоящее крыло самолета имеет каплевидную форму, за счет этого воздух, проходящий сверху крыла, двигается быстрее по сравнению с воздухом, проходящим внизу крыла. Эта разница в воздушных потоках создает подъемную силу и самолет летит.
А основополагающая идея здесь такова: воздушный поток разрезается надвое передней кромкой крыла, и часть его обтекает крыло вдоль верхней поверхности, а вторая часть - вдоль нижней. Чтобы двум потокам сомкнуться за задней кромкой крыла, не образуя вакуума, воздух, обтекающий верхнюю поверхность крыла, должен двигаться быстрее относительно самолета, чем воздух, обтекающий нижнюю поверхность, поскольку ему нужно преодолеть большее расстояние.
Низкое давление сверху втягивает крыло на себя, а более высокое снизу подталкивает его вверх. Крыло поднимается. И если подъемная сила превышает вес самолета, то и сам самолет зависает в воздухе.
У бумажных самолётов нет профильных крыльев, так как же они летают? Подъёмную силу создаёт угол атаки их плоских крыльев. Даже в случае плоских крыльев можно заметить, что воздух, движущийся над крылом проходит немного больший путь (и движется быстрее). Подъёмную силу создаёт то же самое давление, что и у профильных крыльев, но, конечно, эта разница в давлении не столь велика.
Угол атаки самолета - угол между направлением скорости набегающего на тело потока воздуха и характерным продольным направлением, выбранным на теле, например у самолета это будет хорда крыла, - продольная строительная ось, у снаряда или ракеты - их ось симметрии.
Прямое крыло
Достоинством прямого крыла является его высокий коэффициент подъемной силы это позволяет существенно увеличивать удельную нагрузку на крыло, а значит, уменьшать габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлета и посадки.
Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при сверхзвуковых скоростях полета, является резкое увеличение лобового сопротивления самолета
Треугольное крыло
Треугольное крыло жёстче и легче прямого и чаще всего используется при сверхзвуковых скоростях. Применение треугольного крыла определяется главным образом прочностными и конструктивными соображениями. Недостатками треугольного крыла являются возникновение и развитие волнового кризиса.
ВЫВОД
Если при моделировании изменять форму крыла и носа бумажного самолетика, то может измениться дальность и продолжительность его полета
Крылья бумажного самолета - плоские. Чтобы обеспечить разницу в воздушных потоках сверху и снизу крыла (чтобы образовалась подъемная сила) оно должно быть наклонено на определенный угод (угол атаки).
Самолеты для максимально длительных полетов не отличаются жесткостью, зато имеют большой размах крыльев, хорошо сбалансированы.
Научная историко-исследовательская работа
Выполнила:ученица 11 класса Зарипова Рузиля
Научный руководитель:Сарбаева А.А.
МБОУ СОШ с.Красная Горка
Введение
Даже самая простая модель самолета - это самолет в миниатюре со всеми его свойствами. Многие известные авиаконструкторы начинали с увлечения авиамоделизмом. Чтобы построить хорошую летающую модель, нужно немало потрудиться. Все люди когда-нибудь делали бумажные самолетики и запускали их в полет. Бумажные самолетики получают популярность во всем мире. Это привело к введению нового термина аэрогами. Аэрогами – современное название изготовления и запуска бумажных моделей самолетов, одно из направлений оригами (японского искусства складывания бумаги).Актуальность этой работы обусловлена возможностью использовать полученные знания для проведения уроков в начальных классах с целью вызвать интерес у учащихся к миру авиации и выработать необходимые качества и умения использовать творческий опыт и знания в изучении и развитии авиации.
Практическая значимость определяется возможностью провести мастер-класс по складыванию бумажных самолетиков разных моделей у учителей начальных классов, а также возможностью провести соревнования среди учащихся.
Объектом исследования являются бумажные модели самолетов.
Предметом исследования является возникновение и развитие аэрогами.
Гипотезы исследования:
1) бумажные модели самолетов являются не только забавной игрушкой, а чем-то, более важным для мирового сообщества и технического развития нашей цивилизации;
2) если при моделировании изменять форму крыла и носа бумажного самолетика, то может измениться дальность и продолжительность его полета;
3) наилучших скоростных характеристик и устойчивости полёта достигают самолеты с острым носом и узкими длинными крыльями, а увеличение размаха крыльев позволяет существенно увеличить время полёта планера.
Цель исследования: проследить историю развития аэрогами, узнать какое влияние оказывает это увлечение на общество, какую помощь оказывает бумажная авиация в технической деятельности инженеров.
В соответствии с поставленной целью нами были сформулированы следующие задачи :
- Изучить информацию по данной проблеме;
- Ознакомиться с различными моделями бумажных самолетов и научиться их выполнять;
- Изучить дальность и время полета разных моделей бумажных самолетов.
Аэрогами – бумажная авиация
Аэрогами берет свое начало из всемирно известного оригами. Ведь основные приемы, техника, философия идут от него. Датой создания бумажных самолётиков следует признать 1909 год. Тем не менее, наиболее распространённая версия времени изобретения и имени изобретателя - 1930 год, Джек Нортроп -основатель компании Lockheed Corporation.
Нортроп
использовал бумажные самолётики для тестирования новых идей при конструкции
реальных самолётов. Он сконцентрировался на разработке «летающих крыльев», которые он считал
следующим этапом развития авиации.
В наши дни бумажная авиация, или аэрогами, получила
мировую известность. Каждый человек знает, как сложить элементарный самолетик и
запустить его. Но на сегодняшний день это уже не просто забава для одного или
двух человек, а серьезное увлечение, по которому проводятся соревнования по всему миру. 
Red Bull Paper Wings – пожалуй,
самое грандиозное соревнование «бумажных авиаторов» в мире. Чемпионат
дебютировал в Австрии в мае 2006 года,
приняли участие спортсмены из 48 стран. Количество участников отборочных
туров, проводящихся по всему миру, превысило 9500 человек. Участники традиционно
соревнуются в трех категориях: «Дальность полета», «Длительность полета» и
«Аэробатика».Кен Блэкберн – мировой рекордсмен по запуску самолетиков
Имя Кена Блэкберна известно всем фанатам бумажной авиации и это неудивительно, ведь он создал модели, которые били рекорды по дальности и времени полета, рассказал о том, что маленький самолетик – это точная копия большого и что на нее действуют те же законы аэродинамики, что и на настоящие. Мировой рекордсмен Кен Блэкберн впервые познакомился с конструкцией квадратных бумажных самолетиков в возрасте всего 8 лет во время посещения любимой авиационной секции. Он заметил, что самолеты с большим размахом крыла летают лучше и выше обычных самолетов-дротиков. К неудовольствию школьных учителей, юный Кен экспериментировал с конструкцией самолетиков, посвящая этому массу времени. В 1977 году он получил в подарок Книгу рекордов Гиннесса и твердо решил побить действующий 15-секундный рекорд: его самолеты иногда находились в воздухе больше минуты. Путь к рекорду не был легким.Блэкберн изучая авиацию в университете Северной Каролины, пытался достичь поставленной цели. К тому времени он понял, что результат зависит больше от силы броска, чем от конструкции самолета. Несколько попыток вывели его результат на уровень 18,8 с. К тому времени Кену уже стукнуло 30. В январе 1998-го Блэкберн открыл Книгу рекордов и обнаружил, что был сброшен с пьедестала парой британцев, показавших результат 20,9 с.
Такого Кен допустить не мог. На этот раз в подготовке авиатора к рекорду участвовал настоящий спортивный тренер. Кроме того, Кен испытал множество конструкций самолетов и выбрал лучшие из них. Результат последней попытки оказался феноменальным: 27,6 с! На этом Кен Блэкберн решил остановиться. Даже если его рекорд будет побит, что рано или поздно должно случиться, свое место в истории он заработал.
Какие силы действуют на бумажный самолет
Почему же летают аппараты тяжелее воздуха - самолеты и их модели? Вспомните, как ветер гонит листья и бумажки вдоль улицы, поднимает их вверх. Летящую модель можно сравнить с предметом, гонимым потоком воздуха. Только воздух здесь неподвижен, а модель мчится, рассекая его. При этом воздух не только тормозит полет, но при определенных условиях создает подъемную силу. Посмотрите на рисунок 1(приложение). Здесь показано сечение крыла самолета. Если крыло будет расположено так, чтобы между его нижней плоскостью и направлением движения самолета был некоторый угол a (называемый углом атаки), то, как показывает практика, скорость потока воздуха, обтекающего крыло сверху, будет больше, чем его скорость снизу крыла. А по законам физики в том месте потока, где скорость больше, давление меньше, и наоборот. Вот почему при достаточно быстром движении самолета давление воздуха под крылом будет больше, чем над крылом. Эта разность давлений поддерживает самолет в воздухе и называется подъемной силой.На рисунке 2(Приложение) показаны силы, действующие на самолет или модель в полете. Суммарное действие воздуха на летательный аппарат представляют в виде аэродинамической силы R. Эта сила является результирующей силой, действующей на отдельные части модели: крыло, фюзеляж, оперение и т. д. Направлена она всегда под углом к направлению движения. В аэродинамике действие этой силы принято заменять действием двух ее составляющих - подъемной силы и силы сопротивления.
Подъемная сила Y всегда направлена перпендикулярно направлению движения, сила сопротивления X - против движения. Сила тяжести G всегда направлена вертикально вниз. Подъемная сила зависит от площади крыла, скорости полета, плотности воздуха, угла атаки и аэродинамического совершенства профиля крыла. Сила сопротивления зависит от геометрических размеров поперечного сечения фюзеляжа, скорости полета, плотности воздуха и качества обработки поверхностей. При прочих равных условиях дальше летит та модель, у которой поверхность отделана более тщательно. Дальность полета определяется аэродинамическим качеством К, равным отношению подъемной силы к силе сопротивления, то есть аэродинамическое качество показывает, во сколько раз подъемная сила крыла больше силы сопротивления модели. В планирующем полете подъемная сила модели Y обычно равна весу модели, а сила сопротивления X в 10-15 раз меньше, поэтому дальность полета L будет в 10-15 раз больше высоты Н, с которой начался планирующий полет. Следовательно, чем легче модель, чем она тщательнее изготовлена, тем большей дальности полета можно достигнуть.
Экспериментальное исследование моделей бумажных самолетов в полете
Организация и методы исследованияИсследование проводилось в МБОУ СОШ с.Красная Горка.
В исследовании мы ставили перед собой следующие задачи :
- Ознакомиться с инструкциями различных моделей бумажных самолетов. Узнать какие сложности возникают при сборке моделей.
- Провести эксперимент, направленный на исследование бумажных самолетов в полете. Все ли модели одинаково послушны при запуске, какое время они проводит в воздухе и какова дальность их полета.
- Моделирование множества моделей бумажных самолетов;
- Моделирование экспериментов по запуску моделей бумажных самолетов.
1.Выбрать заинтересовавшие нас виды самолетов. Изготовить модели бумажных самолетов. Провести испытания самолетов в полете, с целью определения их летных качеств (дальности и точности в полете, времени в полете), способа запуска и простоты исполнения. Данные занести в таблицу. Выбрать модели, показавшие лучшие результаты.
2.Три из лучших моделей выполнить из различных сортов бумаги. Провести испытания, данные занести в таблицу. Сделать вывод, какая бумага лучше всего подходит для выполнения моделей бумажных самолетов.
Формы записей результатов исследования - данные эксперимента фиксировать в таблицах.
Первичная обработка и анализ и результатов исследования осуществлялась следующим образом:
- Внесение полученных результатов эксперимента в соответствующие формы записей;
- Схематическое,графическое, иллюстративное представление результатов(подготовка презентации).
- Написание выводов.
Описание, анализ результатов исследования и выводы о зависимости длительности полета бумажного самолетика от модели и способа запуска
Эксперимент 1Цель: собрать информацию о моделях бумажных самолетов; проверить, насколько сложно собирать модели разных видов; проверить сделанные модели в полете.Оборудование: офисная бумага, схемы сборки бумажных моделей самолетов, рулетка, секундомер, бланки для фиксирования результатов.
Место проведения: коридор школы.
После изучения большого количества инструкций моделей бумажных самолетов, мы выбрали пять, понравившихся мне моделей. Детально изучив инструкции к ним, мы выполнили эти модели из офисной бумаги формата А4. После выполнения этих моделей, мы провели их испытание в полете. Данные этих испытаний мы занесли в таблицу.
Таблица 1
| Название модели бумажного самолета | Рисунок модели | Сложность сборки модели(от 1 до 10 баллов) | Дальность полета,м (наиб.) | Время полета, с (наиб.) | Особенности при запуске |
|
| 1 | Основной дротик(Basic Dart) |  | 3 | 6 | 0,93 | Закручивается |
| 2 |  | 4 | 8,6 | 1,55 | Летит по прямой |
|
| 3 | Истребитель(Harrier Paper Airplane) |  | 5 | 4 | 3 | Плохо управляем |
| 4 |
Сокол Ф-16(F-16 Falcon Paper Airplane)
|  | 7 | 7,5 | 1,62 | Плохо планирует |
| 5 | Космический Шаттл(Space Shuttle Paper Airplane) |  | 8 | 2,40 | 0,41 | Плохо планирует |
На основе данных этих испытаний мы сделали следующие выводы :
- Собирать модели не так просто, как можно было подумать. При сборке моделей очень важно симметрично выполнять сгибы, это требует определенной сноровки и навыков.
- Все модели можно разделить на два вида: модели, пригодные для запуска на дальность полета, и модели, которые хорошо себя показывают при запуске на длительность полета.
- Лучше всех вела себя при запуске на дальность полета модель №2 Сверхзвуковой истребитель (Delta Fighter).
Цель:
сравнить, модели из какой бумаги показывают лучшие результаты по
дальности полета, по времени полета.
Материалы:
офисная бумага, тетрадные листы, газетная бумага, рулетка,
секундомер, бланки для фиксирования результатов.
Место проведения
: коридор школы.
Три лучшие модели
мы выполнили из различных сортов бумаги.
Провели испытания, данные занесли в таблицу. Сделали вывод, какую бумагу лучше
всего использовать для выполнения моделей бумажных самолетов.
Таблица 2
| Сверхзвуковой истребитель(Delta Fighter) | Дальность полета,м (наиб.) | Время полета,с (наиб.) | Дополнительные замечания |
|
| 1 | Офисная бумага | 8,6 | 1,55 | Большая дальность полета |
| 2 | Газетная бумага | 5,30 | 1,13 | |
| 3 | Тетрадный лист бумаги | 2,6 | 2,64 |
Из бумаги в клеточку выполнять модель проще и
быстрее;очень большое время
полета |
Таблица 3
| Сокол Ф-16(F-16 Falcon Paper Airplane) | Дальность полета,м (наиб.) | Время полета,с (наиб.) | Дополнительные замечания | |
| 1 | Офисная бумага | 7,5 | 1,62 | Большая дальность полета |
| 2 | Газетная бумага | 6,3 | 2,00 | Плавный полет, хорошо планирует |
| 3 | Тетрадный лист бумаги | 7,1 | 1,43 | Из бумаги в клеточку выполнять модель проще и быстрее |
Таблица 4
| Основной дротик(Basic Dart) | Дальность полета,м (наиб.) | Время полета,с (наиб.) | Дополнительные замечания | |
| 1 | Офисная бумага | 6 | 0,93 | Большая дальность полета |
| 2 | Газетная бумага | 5,15 | 1,61 | Плавный полет, хорошо планирует |
| 3 | Тетрадный лист бумаги | 6 | 1,65 | Из бумаги в клеточку выполнять модель проще и быстрее;очень большое время полета |
На основе данных, полученных в ходе эксперимента, мы сделали следующие выводы:
- Из тетрадных листов в клеточку выполнять модели проще, чем из офисной или газетной бумаги, но при испытаниях они показывают не очень высокие результаты;
- Модели, выполненные из газетной бумаги очень красиво летят;
- Для получения высоких результатов по дальности полета больше подходят модели из офисной бумаги.
В результате нашего исследования мы ознакомилась с различными моделями бумажных самолетов: они отличаются между собой сложностью складывания, дальностью и высотой полета, продолжительностью полета, что подтвердилось в ходе эксперимента. На полет бумажного самолета влияют различные условия: свойства бумаги, размер самолета, модель.. Проведенные эксперименты позволили выработать следующие рекомендации по сборке моделей бумажных самолетов:
- Прежде, чем приступить к сборке модели бумажного самолета, нужно решить, какой вид модели нужен: для длительности или дальности полета?
- Чтобы модель хорошо летала, сгибы нужно выполнять ровно, точно следовать размерам, указанным в схеме сборки,следить за тем, чтобы все сгибы выполнялись симметрично.
- Очень важно, каким образом загнуты крылья, от этого зависит длительность и дальность полета.
- Складывание бумажных моделей развивает абстрактное мышление человека.
- В результате исследования мы узнали, что бумажные самолетики используются для тестирования новых идей при конструкции реальных самолётов.
Данная работа посвящена исследованию предпосылок развития популярности бумажной авиации, значению оригами для общества, выявлению является ли бумажный самолетик точной копией большого, действуют ли на него те же законы аэродинамики, что и на настоящие самолеты.
В ходе эксперимента, выдвинутая нами гипотеза подтвердилась: наилучших скоростных характеристик и устойчивости полёта достигают самолеты с острым носом и узкими длинными крыльями, а увеличение размаха крыльев позволяет существенно увеличить время полёта планера.
Таким образом, наша гипотеза о том, что бумажные модели самолетов являются не только забавной игрушкой, а чем-то, более важным для мирового сообщества и технического развития нашей цивилизации, подтвердилась.
Список источников
информации
http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/aviaciya_i_kosmonavtika/PLANER.html
http://igrushka.kz/vip95/bumavia.php
http://igrushka.kz/vip91/paperavia.php
http://danieldefo.ru/forum/showthread.php?t=46575
Бумажные самолетики. – Москва // Новости космонавтики. – 2008 –735. – 13 c
Статья «Бумагия #2: Аэрогами»,
Принт Фан
http://printfun.ru/bum2
Приложение
Силы аэродинамики
Рис. 1. Сечение крыла самолета
Подъемная сила -Y
Сила сопротивления X
Сила тяжести - G
Угол атаки - a
Рис. 2.
Силы, действующие на самолет или модель в полете
Творческие моменты
Делаю бумажный самолетик из офисной бумаги
Подписываю
Подготовка
Делаю бумажный самолетик из газеты
Делаю бумажный самолетик из тетрадного листка
Исследование(Слева секундомер)
Измеряю длину и записываю результаты в таблицу
Мои самолеты
Подробные схемы для изготовления разнообразных бумажных самолетов: от самых простых "школьных" самолетиков до технически модифицированных моделей.
Стандартная модель
Модель "Планер"
Модель "Усовершенствованный планер"
Модель "Скат"
Модель "Канары"
Модель "Дельта"
Модель "Шаттл"
Модель "Невидимка"
Модель "Таран"
Модель "Ястребиный глаз"
Модель "Башня"
Модель "Игла"
Модель "Коршун"
Интересные факты
В 1989 году Энди Чиплинг основал Ассоциацию Бумажного Авиастроения, а в 2006 году был проведён первый чемпионат по запуску бумажных самолетов. Соревнования проводятся в трёх дисциплинах: самая длинная дистанция, самое долгое планирование и аэробатика.
Многочисленные попытки увеличить время пребывания бумажного самолётика в воздухе время от времени приводят к взятию очередных барьеров в этом виде спорта. Кен Блэкберн (Ken Blackburn) удерживал мировой рекорд на протяжении 13 лет (1983—1996) и вновь получил его 8 октября 1998 года, бросив бумажный самолёт в помещении так, что он продержался в воздухе 27,6 секунды. Этот результат подтверждён представителями Книги рекордов Гиннесса и репортёрами CNN. Бумажный самолётик, использованный Блэкберном, можно отнести к категории планеров.
Являясь отцом практически выпускницы средней школы, был втянут в
смешную историю с неожиданным концом. В ней есть познавательная
часть и трогательная жизненно–политическая.
Пост накануне дня космонавтики. Физика бумажного самолета.
Незадолго перед новым годом, дочь решила проконтролировать собственную успеваемость и узнала, что физичка при заполнении журнала задним числом, наставила каких–то лишних четверок и полугодовая оценка висит между "5" и "4". Тут надо понимать, что физика в 11 классе - предмет, мягко говоря, непрофильный, все заняты дрессурой для поступления и страшным ЕГЭ, но на общий балл она влияет. Скрипя сердце, из педагогических соображений мною было отказано во вмешательстве - типа разберись сама. Она подсобралась, пришла на выяснение, переписала прямо тут же какую–то самостоятельную и получила полугодовую пятерку. Все бы ничего, но учительница попросила в рамках решения вопроса зарегистрироваться на Поволжскую научную конференцию (Казанский университет) в секцию "физика" и написать какой–нибудь доклад. Участие ученика в этой шняге идет в зачет при ежегодной аттестации учителей, ну и типа "тогда уж точно год закроем". Учительницу можно понять, нормальная, в общем–то, договоренность.
Ребенок подзагрузился, пошел в оргкомитет, взял правила участия. Поскольку девочка довольно ответственная, стала размышлять и придумывать какую–нибудь тему. Естесственно, обратилась за советом ко мне - ближайшему техническому интеллегенту постсоветской эпохи. В интернете нашелся список победителей прошлых конференций (там дают дипломы трех степеней), это нас соориентировало, но не помогло. Доклады представляли собой две разновидности, одна - "нанофильтры в нефтяных инновациях", вторая - "фотографии кристаллов и электронный метроном". По мне, так вторая разновидность нормальна - дети должны резать жабу, а не втирать очки под правительственные гранты, но у нас идей особо не прибавилось. Пришлось руководствоваться правилами, что–то вроде "предпочтение отдается самостоятельным работам и экспериментам."
Решили, что будем делать какой–нибудь смешной доклад, наглядный и
прикольный, без зауми и нанотехнологий - развеселим аудиторию,
участия нам достаточно. Времени было месяца полтора. Копипаст был
принципиально неприемлим. После некоторых размышлений, определились
с темой - "Физика бумажного самолетика". Я в свое время провел
детство в авиамоделизме, да и дочка любит самолеты, поэтому тема
более–менее близкая. Предстояло сделать законченое практическое
исследование физической направленности и, собственно, написать
работу. Далее я буду постить тезисы этой работы, некоторые
комментарии и иллюстрации/фото. В конце будет конец истории, что
логично. Если будет интересно, отвечу на вопросы уже развернутыми
фрагментами.
Оказалось, что у бумажного самолета есть хитрый срыв потока наверху крыла, который формирует изогнутую зону, похожую на полноценный аэродинамический профиль.
Для опытов взяли три разные модели.
Модель №1. Самая распространенная и общеизвестная конструкция. Как
правило, большинство представляет себе именно ее, когда слышит
выражение “бумажный самолет”.
Модель №2. “Стрела”, или “Копье”. Характерная модель с острым углом
крыла и предполагаемой высокой скоростью.
Модель №3. Модель с крылом большого удлинения. Особенная
конструкция, собирается по широкой стороне листа. Предполагается,
что она обладает хорошими аэродинамическими данными из–за крыла
большого удлинения.
Все самолеты собирались из одинаковых листов бумаги формата А4.
Масса каждого самолета - 5 грамм.
Для определения базовых параметров был проделан простейший
эксперимент - полет бумажного самолетика фиксировался видеокамерой
на фоне стены с нанесенной метрической разметкой. Поскольку
известен межкадровый интервал для видеосъемки (1/30 секунды), можно
легко вычислить скорость планирования. По падению высоты на
соответствующих кадрах находятся угол планирования и
аэродинамическое качество самолета.
В среднем, скорость самолетика - 5–6 м/с, что не так у ж и
мало.
Аэродинамическое качество - порядка 8.
Чтобы воссоздать условия полета, нам нужен ламинарный поток со
скоростью до 8 м/с и возможность измерить подъемную силу и
сопротивление. Классический способ таких исследований -
аэродинамическая труба. В нашем случае ситуация упрощается тем, что
сам самолетик имеет небольшие габариты и скорость и может быть
непосредственно помещен в трубу ограниченных
размеров.Следовательно, нам не мешает ситуация, когда продуваемая
модель существенно отличается по габаритам от оригинала, что, в
силу различия чисел Рейнольдса, требует компенсации при
измерениях.
При сечении трубы 300x200 мм и скорости потока - до 8 м/с нам
понадобится вентилятор с производительностью не менее 1000
куб.м/час. Для изменения скорости потока необходим регулятор
скорости двигателя, а для измерения - анемометр с соответствующей
точностью. Измеритель скорости не обязательно должен быть цифровым,
вполне реально обойтись отклоняемой пластиной с градуировкой по
углу или жидкостным анемометром, который имеет большую
точность.
Аэродинамическую труба известна достаточно давно, ее применял в исследованиях еще Можайский, а Циолковский и Жуковский уже детально разработали современную технику эксперимента, которая принципиально не изменилась.
Настольная аэродинамическая труба была реализована на основе достаточно мощного промышленного вентилятора. За вентилятором расположены взаимно перпендикулярные пластины, спрямляющие поток перед попаданием в измерительную камеру. Окна в измерительной камеры снабжены стеклами. В нижней стенке прорезано прямоугольное отверстие для держателей. Непосредственно в измерительной камере установлена крыльчатка цифрового анемометра для измерения скорости потока. Труба имеет небольшое сужение на выходе для “подпора” потока, позволяющее снизить турбулентность ценой уменьшения скорости. Частота вращения вентилятора регулируется простейшим бытовым электронным регулятором.
Характеристики трубы оказались хуже расчетных, главным образом из–за несоответствия производительности вентилятора паспортным характеристикам. Подпор потока тоже снизил скорость в зоне измерений на 0.5 м/с. В результате максимальная скорость - чуть выше 5 м/с, что, тем не менее, оказалось достаточным.
Число Рейнольдса для трубы:
Re = VLρ/η = VL/ν
V (скорость) = 5м/c
L (характеристика)= 250мм = 0,25м
ν (коэф (плотность/ вязскость)) = 0,000014 м^2/с
Re = 1,25/ 0,000014 = 89285,7143
Для измерений сил, действующих на самолет использовались
элементарные аэродинамические весы с двумя степенями свободы на
основе пары электронных ювелирных весов с точностью 0.01 грамм.
Самолет фиксировался на двух стойках под нужным углом и
устанавливался на платформу первых весов. Те, в свою очередь,
размещались на подвижной площадке с рычажной передачей
горизонтального усилия на вторые весы.
Измерения показали, что точность вполне достаточна для базовых
режимов. Однако, было сложно фиксировать угол, поэтому лучше
разработать соответствующую схему крепления с разметкой.
При продувке моделей измерялись два основных параметра - сила сопротивления и подъемная сила в зависимости от скорости потока при заданном угле. Было построено семейство характеристик с достаточно реалистичными значениями, позволяющие описать поведение каждого самолета. Результаты сведены в графики с дальнейшим нормированием масштаба относительно скорости.
Модель №1.
Золотая середина. Конструкция максимально соответствует материалу -
бумаге. Прочность крыльев соответствует длине, развесовка
оптимальна, поэтому правильно сложенный самолет хорошо
выравнивается и плавно летит. Именно сочетание таких качеств и
легкость сборки сделало эту конструкцию такой популярной. Скорость
меньше, чем у второй модели, но больше, чем у третьей. На больших
скоростях уже начинает мешать широкий хвост, до этого прекрасно
стабилизирующий модель.
Модель №2.
Модель с наихудшими летными характеристиками. Большая
стреловидность и короткие крылья призваны лучше работать на высоких
скоростях, что и происходит, но подъемная сила растет недостаточно
и самолет действительно летит как копье. Кроме того, он не
стабилизируется в полете должным образом.
Модель №3.
Представитель “инженерной” школы - модель специально задумывалась
со специальными характеристиками. Крылья большого удлинения
действительно работают лучше, но сопротивление растет очень быстро
- самолет летает медленно и не терпит ускорений. Для компенсации
недостаточной жесткости бумаги используются многочисленные складки
в носке крыла, что тоже увеличивает сопротивление. Тем не менее,
модель очень показательна и летает хорошо.
Некоторые результаты по визуализации вихрей
Если внести в поток источник дыма, то можно увидеть и
сфотографировать потоки, огибающие крыло. В нашем распоряжении не
было специальных генераторов дыма, мы использовали палочки
благовоний. Для увеличения контраста использовался фильтр для
обработки фотографий. Скорость потока также уменьшалась, поскольку
плотность дыма была невысока.
Формирование потока на передней кромке крыла.
Турбулентный “хвост”.
Также потоки можно исследовать с помощью коротких нитей, приклеиваемых на крыло, либо тонким щупом с ниткой на конце.
Понятно, что бумажный самолетик - это в первую очередь просто источник радости и прекрасная иллюстрация для первого шага в небо. Сходный принцип парения на практике используют только белки–летяги, не имеющие большого народно–хозяйственного значения, по крайней мере, в нашей полосе.
Более практичным подобием бумажному самолету является “Wing suite” - костюм–крыло для парашютистов, позволяющий осуществлять горизонтальный полет. Кстати, аэродинамическое качество такого костюма меньше, чем у бумажного самолета - не больше 3–х.
Я придумал тему, план - на 70 процентов, редактирование теории,
железяки, общее редактирование, план выступления.
Она - всю теорию собрала, вплоть до перевода статей, измерения
(весьма трудоемкие, кстати), рисунки/графики, текст, литературу,
презентацию, доклад (было много вопросов).
Я пропускаю раздел, где в общем виде рассматриваются задачи анализа и синтеза, позволяющие построить обратную последовательность - конструирование самолетика по заданным характеристикам.
С учетом проведенной работы мы можем нанести на mind map раскраску, индицирующую выполнение поставленных задач. Зелёным цветом здесь обозначены пункты, которые находятся на удовлетворительном уровне, светло–зеленым - вопросы, которые имеют некоторые ограничения, желтым - области затронутые, но не разработанные в должной мере, красным - перспективные, нуждающиеся в дополнительном исследовании (финансирование приветствуется).
Месяц пролетел незаметно - дочь копала интернет, гоняла трубу на столе. Весы косячили, самолетики сдувало мимо теории. На выходе получилось страниц 30 приличного текста с фотографиями и графиками. Работа была отправлена на заочный тур (всего несколько тысяч работ во всех секциях). Еще через месяц, о ужас, вывесили список очных докладов, где наш соседствовал с остальными нанокрокодилами. Ребенок горестно вздохнул и принялся лепить презентацию на 10 минут. Сразу исключили зачитывание - выступать, так живо и осмысленно. Перед мероприятием устроили прогон с хронометражом и протестами. Утром невыспавшаяся докладчица с правильным ощущением "ничего не помню и не знаю" попилила в КГУ.
К концу дня я начал волноваться, ни ответа - ни привета. Появилось такое шаткое состояние, когда не понимаешь - рискованная шутка удалась или нет. Не хотелось, чтобы подростку как–то вышла боком это история. Оказалось, что все затянулось и ее доклад пришелся аж на 4 вечера. Ребенок прислал смс - "все рассказала, жюри смеется". Ну, думаю, ладно, спасибо хоть не ругают. И еще через час примерно - "диплом первой степени". Вот это было совершенно неожиданно.
Мы думали о чем угодно, но на фоне совершенно дикого прессинга лоббированных тем и участников получить первый приз за хорошую, но неформатную работу - это что–то из совсем забытого времени. После уже она рассказала, что жюри (достаточно авторитетное, кстати, не меньше кфмн) молниеносно прибивало зомбированных нанотехнологов. Видать, все так наелись в научных кругах, что безоговорочно выставили негласный заслон мракобесию. Доходило до смешного - бедный ребенок зачитывал какие–то дикие научизмы, но не мог ответить в чем измерялся угол при его экспериментах. Влиятельные научные руководители слегка бледнели (но быстро восстанавливались), для меня загадка - зачем им было устраивать такое позорище, да еще и за счет детей. В итоге, все призовые места раздали славным ребятам с нормальными живыми глазами и хорошими темами. Второй диплом, например, получила девочка с моделью двигателя Стирлинга, которая бойко его запускала на кафедре, шустро меняла режимы и осмысленно комментировала всякие ситуации. Еще один диплом дали парню, который сидел на университетском телескопе и что–то там высматривал под руководством профессора, который однозначно не допускал никаких посторонних "помощей". В меня же эта история вселила некоторую надежду. В то, что есть воля обычных, нормальных людей к нормальному порядку вещей. Не привычка к предрешенной несправедливости, а готовность к усилиям по ее восстановлению.
На следующий день, на награждении, к призерам подошел председатель приемной коммисии и сказал, что все они досрочно зачислены на физфак КГУ. Если они захотят поступить, то просто должны принести документы вне конкурса. Эта льгота, кстати, реально существовала когда–то, но сейчас она официально отменена, также как отменены дополнительные преференции медалистам и олимпиадчикам (кроме, кажется, победителей российских олимпиад). То есть - это была чистая инициатива ученого совета. Понятно, что сейчас кризис абитуриентов и на физику не рвутся, с другой стороны - это один из самых нормальных факультетов с хорошим еще уровнем. Так, исправляя четверку, ребенок оказался в первой строке зачисленных. Уж как она этим распорядится - не представляю, узнаю - отпишу.
А потянула бы дочь такую работу одна?
Она тоже спрашивала - типа пап, я ведь не сама все сделала.
Моя версия такая. Ты все сделала сама, понимаешь что написано на
каждой странице и ответишь на любой вопрос - да. Знаешь об области
больше присутствующих тут и знакомых - да. Поняла общую технологию
научного эксперимента от зарождения идеи до результата + побочные
исследования - да. Проделала значительную работу - несомненно.
Выдвинула эту работу на общих основаниях без протекции - да.
Защитила - ок. Жюри квалифицированное - без сомнения. Тогда это
твоя награда за конференцию школьников.
Я - инженер–акустик, небольшая инженерная компания, системотехнику в авиационном заканчивал, еще учился потом.
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №41 с. Аксаково
муниципального района Белебеевский район
I. Введение ______________________________________________стр.3-4
II . История возникновения авиации _______________________стр.4-7
III ________стр.7-10
IV .Практическая часть: Организация выставки моделей
самолетов из разных материалов и проведение
исследований _______________________________________стр.10-11
V . Заключение __________________________________________ стр.12
V I. Список литературы . _________________________________ стр.12
V II. Приложение
I .Введение.
Актуальность: «Человек не птица, а летать стремится»
Так уж сложилось, что человека всегда тянуло к небу. Люди пытались сделать себе крылья, позже летательные аппараты. И их старания оправдались, они смогли все-таки взлететь Появление самолетов ничуть не уменьшило актуальность древнего желания.. В современном мире летательные аппараты заняли почетное место, они помогают людям преодолевать большие расстояния, перевозят почту, лекарства, гуманитарную помощь , тушат пожары и спасают людей. Так кто же построил и совершил на нем управляемый полет? Кто сделал этот столь важный для человечества шаг, ставший началом новой эры, эры авиации?
Изучение данной темы я считаю интересной и актуальной
Цель работы: изучить историю авиации и историю появления первых бумажных самолетиков, исследовать модели бумажных самолётиков
Задачи исследования:
Александр Федорович Можайский построил в 1882 году «воздухоплавательный снаряд». Так было написано в патенте на него в 1881 году. Кстати, патент на самолет тоже был первым в мире! Братья Райт запатентовали свой аппарат только в 1905 году. Можайский создал настоящий самолет со всеми полагающимися ему частями: фюзеляжем, крылом, силовой установкой из двух паровых машин и трех воздушных винтов, шасси, хвостовым оперением. Он был гораздо более похож на современный самолет, чем аэроплан братьев Райт.
Взлет самолета Можайского (с рисунка известного летчика К. Арцеулова)
специально построенному наклонному деревянному настилу, взлетел, пролетел определенное расстояние и благополучно приземлился. Результат, конечно, скромный. Но возможность полетов на аппарате тяжелее воздуха была очевидно доказана. Дальнейшие расчеты показали, что для полноценного полета самолету Можайского просто не хватало мощности силовой установки. Через три года он умер, а сам долгие годы простоял в Красном селе под открытым небом. Потом его перевезли под Вологду в имение Можайских и уже там он сгорел в 1895 году. Ну, что тут скажешь. Очень жаль…
III . История появления первых бумажных самолетов
Наиболее распространённая версия времени изобретения и имени изобретателя - 1930 год, Нортроп - сооснователь компании Lockheed Corporation. Нортроп использовал бумажные самолётики для тестирования новых идей при конструкцииреальных самолётов. Несмотря на кажущуюся несерьезность этого занятия, оказалось, что пускание самолетиков - целая наука. Родилась она в 1930 году, когда Джек Нортроп - сооснователь компании Lockheed Corporation, использовал бумажные самолётики для тестирования новых идей при конструкции реальных самолётов.
А спортивные состязания по запусканию самолетиков из бумаги Red Bull Paper Wings проходят на мировом уровне. Придумал их британец Энди Чиплинг. Многие годы он с друзьями занимался созданием бумажных моделей и в конце-концов в 1989 году основал Ассоциацию Бумажного Авиастроения. Именно он написал свод правил по запуску бумажных самолетов. Для создания самолетика должен использоваться лист бумаги формата А-4. Все манипуляции с самолетиком должны заключаться в сгибании бумаги - не разрешается его резать или клеить, а также использовать инородные предметы для фиксации (скрепки и т. п.). Правила соревнований очень простые - команды состязаются по трем дисциплинам (дальность полета, время полета и аэробатика - зрелищное шоу).
Чемпионат мира по запусканию бумажных самолетиков впервые состоялся в 2006 году. Он проходит раз в три года в Зальцбурге, в огромном стеклянно-сферической формы здании, которое называется «Ангар-7». 
Самолетик Планер, хоть и выглядит совершенным раскорякой, хорошо планирует, поэтому на чемпионате мира пилоты из некоторых стран запускали его в соревновании на самое долгое время полета. Важно бросать его не вперед, а вверх. Тогда он будет плавно и долго спускаться. Такой самолет уж точно не нужно запускать дважды, любая деформация для него смертельна. Мировой рекорд планирования сейчас 27,6 секунды. Его установил американский пилот Кен Блекберн.
Во время работы нам встретились незнакомые слова, которыми пользуются при конструировании. Мы заглянули в энциклопедический словарь, вот что мы узнали:
Словарь терминов.
Авиетка -самолёт небольших размеров с двигателем малой мощности (мощность двигателя не превышает 100 лошадиных сил), обычно одно - или двухместный.
Стабилизатор – одна из горизонтальных плоскостей, которая обеспечивает устойчивость самолёта.
Киль - это вертикальная плоскость, обеспечивающая устойчивость самолета.
Фюзеляж -корпус летательного аппарата, служащий для размещения экипажа, пассажиров, грузов и оборудования; связывает между собой крыло, оперение, иногда шасси и силовую установку.
IV . Практическая часть:
Организация выставки моделей самолетов из разных материалов и проведение испытаний .
Ну, кто из детей не делал самолетиков? По-моему таких людей очень тяжело найти. Доставляло огромную радость запускать эти бумажные модели, а делать – интересно и просто. Потому что бумажный самолет очень прост в изготовлении и не требует затрат на материалы. Все что нужно для такого самолета – взять лист бумаги, и потратив несколько секунд, стать победителем двора, школы или офиса в соревнованиях на самый дальний или самый долгий полет
Мы тоже сделали наш первый самолётик – Малыш на уроке технологии и запускали их прямо в классе на перемене. Было очень интересно и весело.
Домашнее задание у нас было сделать или нарисовать модель самолета из любого
материала. Мы организовали выставку наших самолетов, где выступили все ученики. Там были нарисованные самолеты:красками, карандашами. Аппликация из салфеток и цветной бумаги, модели самолетов из дерева, картона, 20 спичечных коробков, пластиковой бутылки.
Нам захотелось узнать больше о самолетах, а Людмила Геннадьевна предложила узнать одной группе учеников кто же построил и совершил на нем управляемый полет, а другой - историю появления первых бумажных самолетов . Все сведения о самолетах мы нашли в интернете. Когда мы узнали о соревнованиях по запусканию бумажных самолетиков, мы тоже решили провести такие соревнования на самую длинную дистанцию и самое долгое планирование.
Для участия мы решили сделать самолетики: «Дротик», «Планер», «Малыш», «Стрела», а я сам придумал самолетик « Сокол» (схемы самолетов в приложении №1-5).
Запускали модели 2 раза. Победил самолетик - «Дротик», он пролеметров.
Запускали модели 2 раза. Победил самолетик - «Планер», он находился в воздухе 5 секунд.
Запускали модели 2 раза. Победил самолетик, сделанный из офисной
бумаги, он пролетел 11метров.
Вывод: Таким образом, наша гипотеза подтвердилась: дальше всех пролетел «Дротик» (15метров), дольше всех находился в воздухе «Планер» (5секунд), лучше всего самолетики летают, сделанные из офисной бумаги.
Но нам так понравилось узнавать все новое и новое, что мы в интернете нашли новую модель самолета из модулей. Работа, конечно, кропотливая - требует аккуратности, усидчивости, но очень интересная, особенно собирать. Мы для самолета сделали 2000 модулей. Авиаконструктор" href="/text/category/aviakonstruktor/" rel="bookmark">авиаконструктором и сконструирует самолет, на котором будут летать люди.
V I. Список литературы:
1.http://ru. wikipedia. org/wiki/Бумажный самолётик...
2. http://www. *****/news/detail
3 http://ru. wikipedia. org›wiki/Самолёт_Можайского
4. http://www. ›200711.htm
5. http://www. *****›avia/8259.html
6. http:// ru. wikipedia. org›wiki/Братья_Райт
7. http:// locals. md›2012 /stan-chempionom-mira…samolyotikov/
8 http:// *****› из модулей МК самолёт
П Р И Л О Ж Е Н И Е
https://pandia.ru/text/78/230/images/image010_1.gif" width="710" height="1019 src=">
Загрузка...