Исследовательская работа

Введение

Все люди делали и запускали когда-нибудь бумажные самолетики, казалось бы, что от этого можно получить? Но, тем не менее, бумажные самолетики становятся популярными во всем мире. Проводятся международные соревнования по длительности полета бумажной авиации, придумали специальное название – аэрогами. Что же могло этому способствовать? Что предшествовало развитию популярности бумажной авиации? Что значит она для общества: простое хобби или всемирно значимое явление? Чтобы во всем этом разобраться, я  и задумал эту работу «Бумажный самолетик - детская забава и научные исследования».     

Актуальность этой работы обусловлена изучением истории возникновения бумажных моделей самолетов, их совершенствования и использования при создании моделей самолетов, а также возможностью развития моих исследовательских способностей, расширения кругозора и базы математических и физических знаний, развития логического мышления, тренировки интеллекта.

Объектом исследования являются бумажные модели самолетов.

Предметом исследования является возникновение и развитие аэрогами.

Гипотезой исследования стало предположение: бумажные модели самолетов являются не только забавной игрушкой, а чем-то, более важным для мирового сообщества и технического развития нашей цивилизации.

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 мною были сформулированы следующие задачи:

· Изучить информацию по данной проблеме.

· Ознакомиться с различными моделями бумажных самолетов и научиться их выполнять.

· Подготовить и провести мастер-класс по изготовлению бумажных моделей самолетов среди учащихся 3-х классов.

· Создать коллекцию бумажных моделей самолётов.

При работе над проектом применялись следующие методы:

· анализ источников информации

· моделирование бумажных самолётов.

· проведение эксперимента с целью изучения летных качеств различных бумажных моделей самолета.

Практическая значимость работы  определяется возможностью использовать полученные знания для изготовления бумажных моделей самолетов для того, чтобы в дальнейшем участвовать в международных соревнованиях, познакомиться с миром авиации.

Основная часть

1.    Аэрогами - истоки и развитие 

Бума́жный самолёт (самолётик) — игрушечный самолёт, сделанный из бумаги. Он является наиболее распространённой формой аэрогами, одной из ветвей оригами (японского искусства складывания бумаги). 2

Наиболее распространённая версия времени изобретения  аэрогами — 1930 год. Имя изобретателя — Джек Нортроп  (авиационный инженер  ряда американских авиастроительных компаний). Нортроп использовал бумажные самолётики для тестирования новых идей при конструкции реальных самолётов. 7

Чтобы понять, как люди начинают увлекаться аэрогами, достаточно просто сложить самолетик средней сложности по одной из схем и запустить его. Вашим первым открытием станет то, что он действительно летает. Не беспорядочно и криво, как обычная школьная игрушка, а прямо, стабильно, быстро и далеко. Это завораживает.

Вторым открытием станет то, что сложить бумажный самолетик не так просто, как кажется. Действия должны быть уверенными и точными, сгибы – идеально прямыми и в нужных местах. В сложной конструкции пара неидеальных углов может завести процесс сборки в тупик. Кроме того, есть случаи, когда сгиб необходимо намеренно выполнить не очень точно. Например, если на одном из последних шагов требуется сложить толстую многослойную конструкцию пополам, сгиб не получится, если не сделать поправку на толщину в самом начале складывания. Такие вещи не описываются в схемах, они приходят с опытом.

Ключевой момент в «бумажной авиации» – расположение центра тяжести. Бумажным самолетиком можно управлять, как настоящим. Например, скорость и траекторию полета можно корректировать, сгибая заднюю часть крыльев подобно настоящим закрылкам, слегка поворачивая бумажный киль. Такое управление лежит в основе «бумажной аэробатики».

Конструкции самолетов существенно различаются в зависимости от цели их постройки. К примеру, самолеты для полетов на большие дистанции по форме напоминают дротик – они такие же узкие, длинные, жесткие, с ярко выраженным смещением центра тяжести к носу. Самолеты для максимально длительных полетов имеют большой размах крыльев, хорошо сбалансированы. Балансировка крайне важна для самолетов, запускаемых на улице. Они должны сохранять правильное положение, несмотря на колебания воздуха. Самолетам, запускаемым в помещении, полезно смещение центра тяжести к носу. Такие модели летают быстрее и стабильнее, их проще запускать.1

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. ( Приложение 1, рис.1, 2)

Red Bull Paper Wings – пожалуй, самое грандиозное соревнование «бумажных авиаторов» в мире. Участники традиционно соревнуются в трех категориях: «Дальность полета», «Длительность полета» и «Аэробатика». 6

Дистанция полета измеряется от точки отрыва самолета от руки спортсмена до точки первого касания земли. Нынешний рекорд дальности полета бумажного самолетика был поставлен в 1985 году. Самолет Тони Фелча Nemesis преодолел дистанцию 58,82 метра.

Время полета засекается также с момента расставания с рукой до касания земли. Современный рекорд 27,6 секунды был установлен в 1998 году в США. Автор рекорда, Кен Блэкберн, – настоящий фанат «бумажной авиации», автор ряда оригинальных конструкций и множества книг по моделированию.8 ( Приложение 1, рис.3)

В категории «аэробатика» конструктивных ограничений практически не существует. Участники могут использовать листы бумаги любого размера, применять разрезы, склейки, любые вспомогательные материалы Акробатические самолеты выполняют самые разные пилотажные трюки, в том числе петли, бочки, волны (полеты вверх-вниз). Сложность и чистота исполнения трюков оцениваются компетентным жюри.

При запуске самолета спортсмен должен стоять обеими ногами на земле. Перед броском разрешается сделать один шаг, заступ за линию старта приравнивается к поражению. Согласно установленным правилам, соревнования могут проводиться только в закрытом помещении, куда не проникает ветер.

Для того чтобы достичь высоких результатов на соревнованиях, необходимо овладеть правильной техникой броска. Чтобы отправить самолет на максимальную дистанцию, нужно как можно сильнее бросить его вперед и вверх под углом примерно 45 градусов (по параболе). В состязаниях на время полета следует забросить самолет на максимальную высоту, чтобы он дольше планировал вниз. Техники запуска пилотажных самолетиков так же разнообразны, как и их конструкции. Это ноу-хау каждого любителя аэробатики. 3

Запуск на открытом воздухе помимо дополнительных проблем (ветер) создает и дополнительные преимущества. Используя восходящие потоки воздуха, можно заставить самолет лететь невероятно далеко и долго. Сильный восходящий поток можно найти, к примеру, около большого многоэтажного дома: ударяясь о стену, ветер меняет направление на вертикальное. Приручить такой ветер непросто. Более дружелюбную воздушную подушку можно отыскать в солнечный день на автомобильной парковке. Темный асфальт сильно нагревается, и горячий воздух над ним плавно поднимается вверх.4

2.    Бумажный самолетик и научные исследования

Имя Кена Блэкберна известно всем фанатам бумажной авиации и это неудивительно, ведь он создал модели, которые били рекорды по дальности и времени полета, он рассказал о том, что маленький самолетик – это точная копия большого.

Мировой рекордсмен Кен Блэкберн впервые познакомился с конструкцией бумажных самолетиков в возрасте 8 лет во время посещения любимой авиационной секции. Он заметил, что самолеты с большим размахом крыла летают лучше и выше обычных самолетов-дротиков.

Экспериментируя на протяжении многих лет с различными модификациями базового самолета, сделанного из квадратного листка бумаги, он узнавал о понятиях, с которыми не сталкивается большинство людей до тех пор, пока они не начнут обучаться на пилота или изучать аэродинамику   в        ВУЗе. Например, он делал дырочки в крыльях, чтобы создать турбулентный поток воздуха, таким образом, воздух не "прилипал" к поверхности крыла; позже крошечные отверстия были заменены горизонтальными складками крыла, которые,  в конечном счете уступили место диагональным складкам.5

В 1994 году он опубликовал некоторые свои проекты в «Книге бумажных самолётиков рекордсменов».

Сегодня 45-летний проектировщик занимается созданием прототипов военных беспилотных летательных аппаратов (БЛА), настолько крошечных, что их вес измеряется в граммах и настолько медленных, что они проверяют самые низкие пределы аэродинамики.

     Всего пять-десять сантиметров дополнительного размаха крыла и вес в 450 граммов отделяют последний профессиональный проект Блэкберна носящий название BATCAM (летательный аппарат для воздушной съёмки поля боя) от планеров, которые он создавал из 20-28 сантиметровых листков бумаги. Фактически, оба типа самолётов летают медленно, они изучались и создавались поразительно похожими способами.

     Блэкберн экспериментировал с асимметричными проектами в бумажных самолётиках и знал, что такие конфигурации, менее маневренны, однако они могут быть устойчивыми в полете.  

В конце концов, бумажные самолётики Блэкберна помогли ему получить работу в одной из знаменитых авиационных компаний, она заключалась в разработке миниатюрных самолетов. Это объединило две его страсти – самолётостроение и маленькие самолеты. Так что если вы преподаёте в школе, то не конфискуйте бумажный самолётик, который врезается в доску, в то время как вы отвернулись от доски. Поощрите проектировщика. Он или она может стать тем человеком, который решит завтрашние проблемы в медленном, легком, беспилотном полете.6

Еще одним прорывом в науке можно считать то, что совсем небольшой бумажный самолётик, выполненный в лучших традициях оригами, может быть сброшен с МКС и в конце концов благополучно приземлиться. И это был бы не рекламный трюк, а серьёзный научный эксперимент. Так считает лидер официально утверждённого проекта — Синдзи Судзуки, профессор факультета аэронавтики и астронавтики университета Токио. ( Приложение 1, рис.4)

Результаты такого теста могли бы помочь в разработке необычных лёгких аппаратов для изучения верхних слоёв атмосферы, а также в создании шаттлов, способных входить в атмосферу медленно, снижая тем самым аэродинамическую и тепловую нагрузку на конструкцию.

Конечно, у проекта есть и критики. Они отмечают, что одним из главных вызовов является обеспечение слежения за выброшенными "аппаратами" вплоть до их посадки. А отсутствие такого слежения сделает уникальный спуск из космоса бессмысленным.

Тем не менее, инициаторы затеи рассчитывают на энтузиазм масс. Они намерены написать на самолётиках обращения на нескольких языках, в котором излагалась бы просьба уведомить команду о месте находки такого "шаттла" и, видимо, о его состоянии. "Только вообразите, что дети во всём мире будут с тревогой ждать возвращения нашего челнока-оригами, возможно, периодически вглядываясь в небо, — сказал Судзуки. — Это было бы большой забавой".5

3. Испытания бумажных самолетиков

 Эксперимент № 1 «Зависимость дальности полета бумажного самолетика от модели и способа запуска»

 Я выбрал семь понравившихся мне моделей.  ( Приложение 2, 3)

 После выполнения этих моделей по инструкциям, я провел их испытания. Данные  я занес в таблицу.             

Таблица 1

Выводы:

·              Собирать модели непросто. Разобраться со схемой выполнения модели было достаточно трудно, приходилось переделывать, тем самым нарушалась целостность бумаги, сгибы на бумаге были неровными, и нужно было все начинать сначала. Поэтому, лучше потренироваться на плохой бумаге, перед тем как приступить к сборке новой модели.

·              Очень много завит от способа запуска моделей, его для каждой модели приходится подбирать индивидуально.

·             Лучше всех вела себя при запуске на дальность полета модель №2 Сверхзвуковой истребитель. Чтобы отправить самолет на максимальную дистанцию, нужно как можно сильнее бросить его вперед и вверх под углом примерно 45 градусов.

 Эксперимент № 2 «Выбор бумаги для выполнения моделей для соревнования»

Лучшую  модель «Сверхзвуковой истребитель» я  выполнил из различных сортов бумаги. Результаты проведенных испытаний занес в таблицу.

Таблица 2

Вывод:

·       Удобнее и проще всего выполнять самолетики из тетрадных листов в клеточку, но при испытаниях они показывают не самые лучшие результаты.

·       Для соревнований лучше всего подойдет обычная офисная бумага, так как результаты моделей, сделанных из неё, при испытаниях показывают лучшие результаты.

Заключение

В результате исследования мы узнали, что бумажные самолетики  используются для тестирования новых идей при конструкции реальных самолётов многими авиастроительными компаниями, сейчас во всех развитых странах проводится много исследований в области развития малых беспилотных самолетов. Развитие малой беспилотной авиации считается сейчас самым перспективным направлением в авиастроении.

Мы убедились в том, что бумажные модели самолетиков являются не только детской забавой, но и чем-то, более важным для мирового технического сообщества.

Источники информации

1.    Бумажные самолетики. – М.: // Новости космонавтики. – 2008.

2.    Большая книга экспериментов для школьников/ под ред. А. Мейяни. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2007.

3.    Вье Оливье. Оригами: самолеты из бумаги. - М., 2007.

4.    Свищев Г.П.. Белов А.Ф. Авиация: энциклопедия. – М.: «ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2007.

5.         5. Статья «Бумагия #2: Аэрогами»,  Принт Фан, http://printfun.ru/bum2

6.         6. Статья «Космические эксперименты с бумажными самолетиками»,  http://www.infuture.ru

7.         7. Статья «Бумажный самолет запустят из космоса», http://cooltura.ru

8.    Шмидт Норман. Самолеты из бумаги. Минск, 2004.

Приложение 1 

Рис. 1. Участник австрийского чемпионата «бумажных авиаторов» 

Рис. 2.  Ангар для проведения  Red Bull Paper Wings World Finals

Рис. 3.  Мировой рекордсмен по запуску бумажных самолетов

Кен Блэкберн и модель бумажного самолета, принесшая ему мировую известность 

Рис. 4. Профессор факультета аэронавтики и астронавтики университета Токио Синдзи Судзуки и его бумажный "шаттл"

Приложение 2

Рекомендации начинающим:

Ø    Прежде, чем приступить к сборке модели бумажного самолета, решите, какой вид модели Вам нужен: для длительности или дальности полета?

Ø    Если у Вас не опыта, то лучше начните с модели,  для которой есть готовая цветная заготовка от разработчика модели. Распечатайте её на офисной бумаге, и выполняйте по схеме инструкции.

Ø    Если у Вас не окажется готовой цветной заготовки, то, сначала, потренируйтесь на клетчатой бумаге, затем уже переходите к выполнению модели бумажного самолета из офисной бумаги.

Ø    Чтобы Ваша модель хорошо летала, сгибы выполняйте ровно, точно следуйте размерам, указанным в схеме сборки,  следите за тем, чтобы все сгибы выполнялись симметрично.

Ø    Выполнив модель, прочитайте еще раз инструкцию и выровняйте крылья так, как в ней указано. Очень важно, каким образом загнуты крылья, от этого зависит длительность и дальность полета. Скорость и траекторию полета можно корректировать, сгибая заднюю часть крыльев подобно настоящим закрылкам, слегка поворачивая бумажный киль.