Автор: Ефремов Александр Евгеньевич

Возраст: 16 лет

Место учебы: МБОУ "Гимназия №5"

Город: Брянск

Историко-исследовательская работа:"Воздушные змеи: детские забавы или практическая аэронавтика?"

План исследовательской работы:

1. Введение

2. История воздушного змея

2.1 Происхождение названия "змей"

2.2 "Биография" воздушного змея

3. Почему воздушные змеи летают?

3.1 "Анатомия" змея

3.2 Как поднять воздушного змея в воздух?

4. Классификация воздушных змеев

5. Заключение

6. Список литературы

Введение.

Цель работы: доказать или опровергнуть суждение о том, что воздушные змеи не только "детская забава".

Задачи: 1.Определить -  что такое воздушный змей, и узнать его историю;

             2.Узнать аэродинамические свойства воздушных змеев;

             3.Рассмотреть разные "виды" воздушных змеев;

             4.На основании проведенного исследования сделать вывод: имеют ли воздушные змеи практическое значение.

             В наше время воздушных змеев принято считать детской забавой и молодежным развлечением, но если открыть историю воздушных змеев, то многие люди не поверят, что змеи применялись в научных исследованиях, в метеорологии для исследования верхних слоев атмосферы и аэрофотосъемках, для сбрасывания грузов.

История воздушного змея.

Воздушный змей - первый летательный аппарат тяжелее воздуха, который изобрели люди. Родина его - Китай. Первые воздушные змеи появились несколько тысячелетий тому назад. Изготавливались они из бамбука и шёлка. Им придавали форму бабочек, жуков, рыб, но самой излюбленной формой был дракон - сказочный крылатый огнедышащий змей, считавшийся в Китае символом власти и благополучия, отсюда, по-видимому, и название этого летательного аппарата.

Из Китая воздушные змеи распространились в Азию, позднее в Европу, в Америку, Австралию и некоторые другие страны. Первое упоминание о воздушном змее в России появилось в летописи, которая описывала событие из русской истории.

В 906 г. киевский князь Олег при осаде Царьграда (Константинополя) использовал для устрашения неприятеля поднятых в воздух "коней и людей бумажных, вооруженных и позлащенных", то есть фигурных воздушных змеев.

В 1066 г. Вильгельм Завоеватель использовал воздушные змеи для военной сигнализации при покорении Англии. 

 В 1749 г. А. Вильсоном (Англия) змей был использован для подъема термометра с целью определения температуры воздуха на высоте.

 В 1752 г. ученый-физик В. Франклин воспользовался воздушным змеем для исследования молнии. Открыв при помощи змея электрическую природу молнии, Франклин изобрел громоотвод.

Воздушные змеи применялись для изучения атмосферного электричества великим русским ученым М. В. Ломоносовым и английским физиком И. Ньютоном.

В 1804 году благодаря воздушному змею сэр Дж. Кейл сумел сформулировать основные законы аэродинамики.

В 1825 году был осуществлен первый полет человека на змее. Это сделал английский ученый Д. Покок, подняв на змее на высоту нескольких десятков метров свою дочь Марту.

В 1873 году А.Ф. Можайский поднимался на воздушном змее, буксируемом тройкой лошадей.

Начиная с 1894 г., воздушный змей систематически применяется для изучения верхних слоев атмосферы. В 1895 г. при Вашингтонском бюро погоды была организована первая змейковая станция. В 1896 г. в Бостонской обсерватории была достигнута высота подъема коробчатого змея, равная 2000 м, а в 1900 г. там же змей был поднят на высоту 4600 м.

В 1897 г. начаты работы с воздушными змеями и в России. Они велись в Павловской магнитно-метеорологической обсерватории, где в 1902 г. было открыто специальное змейковое отделение.

Широкое применение воздушный змей нашел в метеорологических обсерваториях Германии, Франции и Японии. 3мей поднимался на очень большую высоту. Например, в обсерватории Линдерберга (Германия) добились подъема воздушного змея более чем на 7000 м.

Первая радиосвязь через Атлантический океан была налажена с помощью коробчатого воздушного змея. Итальянский инженер Г. Маркони запустил в 1901 г. на острове Нью-Фаунден большой воздушный змей, который летал на проволоке, служившей приемной антенной.

В 1902 году на крейсере «Лейтенант Ильин» провели успешные опыты по подъему наблюдателя на высоту до 300 метров с помощью поезда из воздушных змеев. При этом были использованы коробчатые змеи, конструкции которых разработал Л.Харграв в 1892 году.

В 1905-1910 годах на вооружении русской армии состоял змей оригинальной конструкции, созданной Сергеем Ульяниным. Целые взводы змеенавтов входили в состав как сухопутных, так и военно-морских частей, в том числе Черноморского флота

Во время первой мировой войны войска различных стран и особенно Германии применяли для наблюдательных постов привязные воздушные шары, высота подъема которых, в зависимости от условий боя, достигала 2000 м. Они давали возможность наблюдать расположение противника в глубь фронта и через телефонную связь направлять огонь артиллерии. Когда же ветер становился слишком сильным, вместо воздушных шаров применяли коробчатые змеи. В зависимости от силы ветра составлялся поезд из 5—10 больших коробчатых змеев, которые прикрепляли к тросу на определенном расстоянии друг от друга на длинных проволоках. К тросу привязывали корзину для наблюдателя. При сильном, но довольно равномерном ветре наблюдатель поднимался в корзине на высоту до 800 м.

Такой способ наблюдения имел то преимущество, что он позволял подойти ближе к передовым позициям противника. Воздушные змеи не так легко расстреливались, как воздушные шары, представлявшие собой очень большую мишень. Кроме того, выход из строя отдельного змея отражался на высоте подъема наблюдателя, но не вызывал его падения.

Воздушные змеи во время первой мировой войны использовали также для защиты важных военных объектов от нападения самолетов противника путем устройства заграждений, состоявших из маленьких привязных воздушных шаров и воздушных змеев, поднимавшихся до высоты 3000 м. С шаров и змеев спускались проволочные тросы, которые создавали для самолета противника большую опасность. 

 Воздушные змеи с привязанными к ним цветными фонариками и ракетами были и остаются обязательной принадлежностью китайских народных праздников и гуляний. В Японии национальный фестиваль проводится ежегодно.

Почему воздушные змеи летают?

АНАТОМИЯ "змея". Основные составляющие воздушных змеев.

Независимо от модели и класса воздушного змея, он состоит из нескольких элементов: полотно, каркас, соединительные детали, привязка (уздечка), хвост, нить (леер), катушка для намотки нити.

1. Каркас. Это две, три или несколько реек, формирующих змея. Их взаимное расположение обуславливает модель воздушного змея. Каркас служит для поддержки полотна в натянутом положении и отвечает за прочность и жесткость конструкции.

2. Полотно (парус). Оно натягивается на каркас и создает препятствие потоку воздуха, тем самым отвечает за возникновение подъемной силы. Полотно всегда находится впереди каркаса по отношению к ветру.

3. Соединительные детали. Позволяют делать змеев разборными. Они должны быть прочными. Если змей разборный, возможно множество решений в зависимости от используемого материала и размера змея.

4. Уздечка (привязка) - место крепления воздушного змея. Существует много разных типов уздечек:

• Уздечка с одним местом крепления. Самая простая, не требует никакой регулировки, в этом случае угол наклона змея к ветру устанавливает хвост.
• Уздечка с двумя местами крепления. В этом случае необходимо специальное регулирующее кольцо, чтобы было возможно менять угол атаки.
• Уздечка с тремя местами крепления. Требует установки специальных кольца и регулирующей детали.
• Уздечка с четырьмя местами крепления. Как и в предыдущих случаях, угол атаки будет изменяться посредством специальной стяжки, соединяющей две вспомогательные уздечки.

Очень часто можно встретить модели змеев с килем - цельной деталью из того же материала, что и полотно, который заменяет уздечку с двумя местами креплениями. В этом случае угол атаки остается фиксированным и его уже нельзя менять. В этом случае, чтобы изменить угол атаки, к змею прикрепляются хвосты.

5. Нить (леер). Леер должен соответствовать размеру змея. Он должен быть крепким и легким. Желательно, чтобы леер легко отцеплялся и прицеплялся к воздушному змею. Для этого обычно используют маленький карабин. Таким же образом можно прикреплять хвосты. Вертлюг предотвратит скручивание леера.

6. Хвост. Является не только украшением воздушного змея, но и зачастую его стабилизатором, устраняя недостатки полета. Он может быть выполнен в виде нескольких тонких лент, одной широкой или в виде тонкой ленты с завязанными на ней бантиками.

7. Катушка для намотки нити. Не пренебрегайте этим аксессуаром. Если запускать змея забавно и весело, то несколько по-другому обстоит дело с его возвращением. Запутанный леер быстро портит удовольствие от полета. Можно спускать змей, не скручивая леер, но тогда разложенная на земле веревка займет много места, а на ее сматывание и распутывание уйдет много времени. Поэтому леер должен быть по возможности намотан на катушку как во время хранения змея, так и во время запуска.

Как поднять воздушного змея в воздух?
 

Воздушный змей, как и самолет, является летательным аппаратом тяжелее воздуха. Основная причина, почему все эти аппараты поднимаются и держатся в воздухе - это движение воздуха по отношению к ним. Разница лишь в том, что самолет движется поступательно и сам создает тот встречный набегающий поток воздуха, который его поддерживает, а змей подвергается действию движущегося воздуха - ветра - в неподвижном состоянии по отношению к земле.

Для того, чтобы воздух мог поднять змея, он должен быть расположен под некоторым углом к потоку воздуха. Угол a, образованный плоскостью змея и направлением потока воздуха, называется углом атаки.

Поток воздуха создает общее давление на змея с силой R, направленной перпендикулярно плоскости воздушного змея. Оговорю, что мы для простоты рассматриваем плоский воздушный змей прямоугольной формы, самую простую конструкцию, потому как даже самые сложные конструкции состоят из этого элемента.

При обтекании змея впереди него образуется зона воздуха с повышенным давлением, а сзади струйки воздуха не успевают смыкаться, и там возникает зона с пониженным давлением, заполненная вихрями.

Сила R состоит из двух сил - лобового сопротивления Q, действующего по направлению движения воздуха, и подъемной силы P, действующей вертикально вверх, поднимающей и удерживающей змей в воздухе.

 Для того, чтобы змей держался в воздухе, подъемная сила должна быть равна массе змея вместе с леером. Если подъемная сила меньше массы змея, тот падает на землю. Таким образом, для нормального полета змея подъемная сила не должна быть меньше его массы.

Примечание. В этом разделе приводится расчет подъемной силы в старой системе единиц (кг*с, килограмм-сила), а не в системе СИ (Н, Ньютон). Дело в том, что в повседневной жизни нам проще оценивать силу килограммами, а не ньютонами, т.е. мы знаем, сколько усилий нам необходимо приложить, чтобы поднять сумку с 5 кг картофеля. В случае с воздушными змеями тоже самое. Для справедливости приведем перевод килограмм-силы в систему СИ: 1 кг*с = 9,81 Н.

Величина подъемной силы зависит от скорости ветра V, площади змея S и угла наклона змея к направлению потока воздуха a. Ее можно вычислить по формуле:

где r - плотность воздуха (в среднем равна 0,125), c_y - коэффициент подъемной силы, зависящий от угла атаки a. При углах атаки 10-15⁰ (при которых летают змеи) этот коэффициент равен примерно 0,32. С учетом c_yr=0,04 приведенную выше формулу можно упростить:

Чтобы рассчитать, при какой скорости ветра взлетит ваш воздушный змей, надо измерить его массу и размеры и рассчитать его площадь. Скорость ветра, необходимая для подъема:

где вместо значения Р подъемной силы подставляем значение массы змея.

Дробь, стоящая под корнем Р/S, называется нагрузкой и показывает, сколько килограммов массы змея приходится на 1м² его площади и какая подъемная сила должна действовать на 1м², чтобы преодолеть силу тяжести.

Продольная устойчивость змея обеспечивается хвостом или формой аэродинамической поверхности, поперечная – килевыми плоскостями, устанавливаемыми параллельно лееру, или изогнутостью и симметричностью аэродинамической поверхности. При изготовлении змеев об этих факторах не следует забывать. Устойчивость полета змея зависит также от положения центра тяжести воздушного змея. Хвост смещает центр тяжести воздушного змея вниз и тормозит колебания змея, если ветер порывистый, неровный.

Такие же законы аэродинамики применяются для любых летательных аппаратов тяжелее воздуха. То есть более простой в конструировании  и управлении воздушный змей является прототипом более сложного летательного аппарата, такого как самолет.

Классификация воздушных змеев.

Воздушных змеев различают по констркции:

1. Плоские (Простейшие конструкции. Обладают невысокой подъёмной силой и малой ветровой устойчивостью. Таким змеям обязательно нужен хвост - шнур с привешенным к нему грузиком).

Плоский змей был у каждого из нас.Он очень прост в использовании и  в изготовлении, чем объясняется её популярность. Состоит из трех скреплённых между собой планок (две по диагоналям змея и одна - по его верхней стороне), приклеенных к листу плотной бумаги. Уздечка такого змея состоит из трех нитей, две из них прикрепляются к концам верхней планки, третья - к центру змея. Длина верхней части уздечки такова, что её нити точно укладываются по диагональным планкам, длина третьей нити составляет половину высоты змея. Для обеспечения устойчивости следует слегка стянуть верхнюю планку нитью, придав ей форму дуги. Также плоскому змею обязательно нужен хвост. Длина его подбирается при запусках опытным путём - змей не должен раскачиваться из стороны в сторону при отсутствии сильных порывов ветра. Обычно длина хвоста для змея размерами 40 на 60 см составляет 2 - 2.5 метра. На хвост следует привесить небольшой грузик.

2. Коробчатые (Коробчатые змеи изобретены Л. Харгравом. Важной их особенностью является высокая устойчивость при отсутствии хвоста).

Основой коробчатого змея является каркас из реек: 4 продольных лонжерона длиной 710 мм и сечением 6x6 мм, 2 крестовины. Крестовина состоит из пары реек с длинами 700 мм и 470 мм, сечением 6х6 мм. Лонжероны соединяются с крестовинами на расстоянии 105 мм от конца. Обтягивается змей микалентной бумагой или лавсановой плёнкой. Обтяжка делается из двух полос шириной 200 мм, и приклеивается к лонжеронам. Уздечка коробчатого змея состоит из трех нитей, прикрепленных к одному из рёбер. Две нити длиной 210 мм крепятся к верхней коробке (вблизи края ленты обшивки змея), третья, длиной 430 - 450 мм (подбирается для получения оптимального угла атаки змея) - к нижней коробке. Также полезно параллельно третьей нити закрепить резиновую нить для амортизации резких порывов сильного ветра.

Также существует "новый" тип воздушных змеев - бескаркасные.

Бескаркасные воздушные змеи не имеют в своей конструкции жёстких частей, они полностью выполнены из воздухонепроницаемой ткани. Форма змея поддерживается набегающим потоком воздуха или путём накачивания воздуха в герметичные полости змея.

Кайт  — большой управляемый воздушный змей (примерная площадь 4—12 м²), предназначенный для передвижения человека по поверхности воды или по снегу (буксировочный кайт). Также, кайтом называют и его уменьшенную версию, предназначенную для обучения управлению кайтом (пилотажный кайт, примерная площадь 1—3 м²). 

Парафойл  — воздушный змей с замкнутым внутренним пространством и воздухозаборным отверстием, обращённым в сторону ветра. Проникая в воздухозаборник, поток воздуха создаёт внутри змея избыточное давление, которое расправляет оболочку змея и придаёт ей заданную форму. Бывает одностропным (неуправляемый, декоративный змей), дву- и четырёхстропным (кайт-парафойл)

Флоуформ  — неуправляемый одностропный змей, в котором поток воздуха проходит через всё его внутреннее пространство и выходит через отверстия в задней части и в нижней поверхности крыла змея. Благодаря своему стабильному полёту, флоуформ (а также плоский шестиугольный змей роккаку) хорошо подходит для авиасъёмки: поднятия фотокамеры на леере . Примерная площадь флоуформов 1,5—4 м².

Бескаркасные змеи очень похожи на воздушные шары.

Также воздушные змеи различаются по управляемости:

1. Управляемый;

2. Неуправляемый.

Различаются они лишь наличием 2 и 1 лееров соответственно. Управляемым змеем можно делать разнообразные фигуры, которые оценивают судьи.

Заключение.

Рассмотрев историю возникновения воздушного змея, изучив основные виды и конструкцию, проведя сравнительный анализ, я пришел к следующему выводу:

1. Конструирование и запуск воздушных змеев  помогает понять детям основные принципы полета всех летательных аппаратов вместе взятых. Змейковое дело стало одним из разделов первоначальной авиационной подготовки школьников, а воздушные змеи - полноправными летательными аппаратами наряду с моделями самолетов и планеров, так как позволяют изучить законы физики, аэродинамики и практическое их применение.

Такой подход к воздушным змеям является начальной ступенью для ребят, которые планируют связать в дальнейшем свою жизнь с конструированием или эксплуатированием летательных аппаратов. Без знаний расчетов, без учета особенностей нижних слоев атмосферы, направления ветра и т.д. не запустить как воздушного змея, так и модели планера или самолета

Даже А.Ф.Можайский, прежде чем начать строительство своего самолёта, провёл серию испытаний с воздушными змеями, которые тянула упряжка лошадей. На основании результатов этих испытаний были выбраны размеры самолёта, которые должны были обеспечить ему достаточную подъёмную силу.

2. Все же, с развитием авиации интерес к змею ослабел. Этому свидетельствуют "дыры" в его истории. Конечно, с появлением компьютерных моделей и программирования змея реже стали использовать.

3. Но воздушный змей все еще играет свою роль в аэродинамике. Например, Немецкая компания SkySails применила змей в качестве дополнительного источника энергии для грузовых судов, впервые опробовав его в январе 2008 года на судне MS Beluga Skysails. Испытания на этом 55 метровом корабле показали, что при благоприятных условиях расход топлива снижается на 30 %.

Это был необычный змей, а значит, исследования змеев продолжаются.

В представлении многих взрослых: змей - это всего лишь игрушка, но, на самом деле, они и по сей день используются в аэронавтике.

Великий швейцарский, немецкий и российский математик и механик Леонардо Эйлер сказал:

«Воздушный змей, эта игрушка для детей,

применяемая учеными, может, однако, 

заставит глубоко над собой задуматься» 

 Список литературы.

1. Ермаков А.М. Простейшие авиамодели: Кн. Для учащихся 5 - 8 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1989;

2. Рожов В.С. Авиамодельный кружок. Для руководителей кружков школ и внешкольных учреждений М.: Просвещение;

3. Выгонов В.В. Воздушные змеи, летающие модели оригами, самолеты;

5. Википедия https://ru.wikipedia.org.

6. Шютт К. Введение в физику полета.