Пятница, 24.11.2017, 06:59
Приветствую Вас Гость | RSS
Пятнадцатая олимпиада
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год)

Бумажный самолетик - детская забава и научные исследования.

Автор: Легков Иван

Возраст: 14 лет

Место учебы: МБОУ ЛАП №135

Город, регион: Самара,  63

 

Руководитель: Самсонова Наталья Юрьевна,  учитель физики

Историко-исследовательская работа «Бумажный самолетик - детская забава и научные исследования"

 

Содержание

Содержание___________________________________________________1

Вступление____________________________________________________2

      Цели и задачи_________________________________________________________3-4

      Основная часть________________________________________________________5-12

 Подъёмная сила крыла самолёта_____________________________________________5-8

 История развития самолётов ________________________________________________9-10

Факторы, влияющие на подъёмную силу крыла самолёта________________________10

Факторы, влияющие на дальность полёта______________________________________10

Факторы, влияющие на время полёта_________________________________________10

Наблюдения и опыты_______________________________________________________10-12

Методика_________________________________________________________________12

Заключение_____________________________________________________________13

Список литературы_______________________________________________14

 

Введение

Люди давно мечтали летать. Сделать бы крылья, как у птиц, у насекомых, у летучих мышей. Сколько всякой живности носится в воздухе, а человек не может!

Смелые изобретатели пытались делать крылья для людей. Но взлететь на таких крыльях никому не удавалось. У человека не хватало силы, чтобы поднять себя в воздух. В лучшем случае изобретателям удавалось благополучно опуститься на землю, спланировав на своих крыльях с горы или высокой башни. Для этого сила не требовалась.

Каждый раз, когда я  вижу самолет – взмывающую в небо серебряную птицу, ­­– я восхищаюсь мощью, с которой он легко преодолевает земное притяжение и бороздит небесный океан и задаю себе вопросы:

  • Как должно быть устроено крыло самолета, чтобы выдержать большой груз?
  • Какой должна быть оптимальная форма крыла, рассекающего воздух?
  • Какие характеристики ветра помогают самолету в его полете?
  • Какую скорость может развивать самолет?

Человек  всегда  мечтал  подняться  в  небо «как  птица»  и  издревле   пытался  воплотить  свою  мечту.  В  20  веке  авиация  начала  так  быстро  развиваться,  что  человечество  не  смогло  сохранить  многие  подлинники  этой  сложной  техники.  Но  многие  образцы  сохранились  в  музеях  в виде  уменьшенных  макетов,  дающих  почти  полное  представление  о  реальных машинах. 

        Я  выбрал  эту  тему,  потому,  что  она  помогает  в  жизни  не  только  развить  логическое  техническое  мышление,  но  и  приобщиться  к  практическим  навыкам    работы  с бумагой, материаловедением, технологией проектирования и конструирования летательных аппаратов.  А  самое  главное - это  создание  своего  самолёта.

Мы выдвинули гипотезу – можно предположить, что летные характеристики самолета зависят от его формы.

     Мы использовали следующие методы исследования:

  • Изучение научной литературы;
  • Получение информации в сети Интернет;
  • Непосредственное наблюдение, экспериментирование;
  • Создание экспериментальных пилотных моделей самолетов;

 

Цель и задачи

Цель работы: Сконструировать самолеты, обладающие следующими характеристиками: максимальной дальностью и длительностью  полета.

 

Задачи:

- Проанализировать информацию, полученную из первоисточников;

- Изучить элементы древнего восточного искусства аэрогами;

- Познакомиться с основами аэродинамики, технологии конструирования летательных аппаратов из бумаги;

- Провести испытания сконструированных моделей;

- Выработать навыки правильного, результативного запуска моделей;

 

В основу моего исследования я взял одно из направлений японского искусства оригами - аэрогами (от яп. «гами» - бумага и лат. «аэро» - воздух).

Аэродинамика (от греческих слов aer – воздух и dinamis – сила) – это наука о силах, возникающих при движении тел в воздухе. Воздух, благодаря своим физическим свойствам, сопротивляется продвижению в нем твердых тел. При этом, между телами и воздухом возникают силы взаимодействия, которые и изучаются аэродинамикой.

Аэродинамика является теоретической основой современной авиации. Любой летательный аппарат, летит, подчиняясь законам аэродинамики. Поэтому для конструктора самолёта, знание основных законов аэродинамики, не только полезно, но и просто необходимо. Изучая законы аэродинамики, я провёл серию наблюдений и опытов: «Выбор формы летательного аппарата», «Принципы создания крыла», «Дуновение» и т. д.

 

Конструирование.

            Сложить бумажный самолетик не так просто, как кажется. Действия должны быть уверенными и точными, сгибы – идеально прямыми и в нужных местах. Простые конструкции прощают ошибки, в сложной же 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. А от симметрии и точной развесовки модели зависит, насколько хорошо она полетит.

Ключевой момент в «бумажной авиации» – расположение центра тяжести. Создавая различные конструкции, я предлагаю утяжелить нос самолета, разместив в нем больше бумаги, сформировать полноценные крылья, стабилизаторы, киль. Тогда бумажным самолетиком можно управлять, как настоящим.

Например, экспериментальным путём я выяснил, что 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 не отличаются жесткостью, зато имеют большой размах крыльев, хорошо сбалансированы. Балансировка крайне важна для самолетов, запускаемых на улице. Они должны сохранять правильное положение, несмотря на дестабилизирующие колебания воздуха. Самолетам, запускаемым в помещении, полезно смещение центра тяжести к носу. Такие модели летают быстрее и стабильнее, их проще запускать.

 

Испытания

Для того чтобы достичь высоких результатов при запуске, необходимо овладеть правильной техникой броска.

  • Чтобы отправить самолет на максимальную дистанцию, нужно как можно сильнее бросить его вперед и вверх под углом 45 градусов.
  • В состязаниях на время полета следует забросить самолет на максимальную высоту, чтобы он дольше планировал вниз.

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. Более дружелюбную воздушную подушку можно отыскать в солнечный день на автомобильной парковке. Темный асфальт сильно нагревается, и горячий воздух над ним плавно поднимается вверх.

           
Основная часть.

1.1 Подъёмная сила крыла самолёта.

  Чего только не вытворяют движущиеся потоки – даже сталкивают корабли. А нельзя ли использовать их силу для подъема тел вверх? Автомобилисты знают, что на большой скорости передок автомобиля может оторваться от дороги, как бы взлететь. Даже ставят антикрылья, чтобы этого не происходило. Откуда же появляется подъемная сила?

      Здесь нам не обойтись без такого понятия, как крыло. Самое простое крыло – это, пожалуй, воздушный змей (рис. 216). Как же он летает? Вспомним, что мы тянем змея за веревку, создавая набегающий на его плоскость, или крыло, ветер. Обозначим плоскость крыла АВ,натяжение веревки Q,собственный вес змея Р,результирующую этих сил R, 1

      Набегающий на плоскость змея АВветер, отражаясь от нее, создает подъемную силу R,которая, чтобы змей не упал, должна быть равной R,а лучше больше, чтобы змей поднимался наверх. Вы чувствуете, что не так все просто, если речь идет о полете? Еще сложнее, чем со змеем, обстоит дело с подъемной силой крыла самолета.

      Сечение крыла самолета представлено на рис. 217 а.Практика показала, что для осуществления подъема крыло самолета должно быть расположено так, чтобы имелся некоторый угол а – угол атаки, между его нижней линией и направлением полета. Этот угол изменяется действием руля высоты.

 
       При горизонтальном полете угол а не превышает 1-1,5°, при посадке – около 15°. Оказывается, что при наличии такого угла атаки, скорость потока воздуха, обтекающего крыло сверху, будет больше, чем скорость ^/^потока, обтекающего нижнюю поверхность крыла. На рис. 217 а эта разность скоростей отмечена разной густотой линии тока.

Рис. 217. Как возникают подъемная сила крыла (а) и силы, действующие на самолет (б)

      Но, как мы уже знаем, в том месте потока, где скорость больше, давление меньше, и наоборот. Поэтому при движении самолета в воздухе над верхней поверхностью крыла будет пониженное давление, а над нижней – повышенное. Эта разность давлений обуславливает действие на крыло силы R,направленной вверх.

      Вертикальная составляющая этой силы – сила Fпредставляет собой подъемную силу, направленную против веса тела Р.Если эта сила больше веса самолета, последний будет подниматься вверх. Вторая составляющая Qпредставляет собой лобовое сопротивление, оно преодолевается тягой винта.

      На рис. 217, б показаны силы, действующие на самолет при горизонтальном равномерном полете: F, –подъемная сила, Р –вес самолета, F., –лобовое сопротивление и F –сила тяги винта.

 

      Большой вклад в разработку теории крыла, да и вообще аэродинамической теории, внес русский ученый, профессор Н. Е. Жуковский (1847—1921). Еще до полетов человека Жуковский сказал интересные слова: «Человек не имеет крыльев, и по отношению веса своего тела к весу мускулов в 72 раза (!) слабее птицы. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».

 

Рис. 218. Форма крыльев в плане при М < 1 и М > 1

      Авиация давно перешагнула звуковой барьер, который измеряется так называемым числом Маха – М. При дозвуковой скорости М < 1, при звуковой М = 1, при сверхзвуковой М > 1. И форма крыла при этом изменилась – оно стало тоньше и острее. Форма крыльев в плане тоже изменилась. Дозвуковые крылья имеют прямоугольную, трапециевидную или эллиптическую форму. Околозвуковые и сверхзвуковые крылья делаются стреловидными, дельтовидными (как греческая буква «дельта») или треугольными (рис. 218). Дело в том, что при движении самолета с около– и сверхзвуковой скоростью возникают так называемые ударные волны, связанные с упругостью воздуха и скоростью распространения в нем звука. Чтобы уменьшить это вредное явление и применяются крылья более острой формы. Картина обтекания воздухом дозвукового и сверхзвукового крыльев представляет на рис. 219, где видна разница в их взаимодействии с воздухом.

      А сверхзвуковые самолеты, снабженные такими крыльями, показаны на рис. 220.

 

Рис. 219. Картина обтекания воздухом дозвукового и сверхзвукового крыльев

Рис. 220. Сверхзвуковые бомбардировщик (а) и истребители (б)

      Самолеты со скоростью М > 6 называются гиперзвуковыми. Их крылья строятся так, чтобы ударные волны от обтекания фюзеляжа и крыла как бы гасили друг друга. Оттого и форма крыльев у таких самолетов замысловатая, так называемая W-образная, или М-образная (рис. 221).

 

Рис. 221. Гиперзвуковой самолет

Рис. 222. Эволюция самолетов

История развития самолётов

      Кратко об истории полетов человека и эволюции самолетов (рис. 222).

      В 1882 г. русский офицер А. Ф. Можайский построил самолет с паровым двигателем, который из-за большой тяжести взлететь так и не смог. Несколькими годами позже немецкий инженер Лилиенталь проделал ряд скользящих полетов на построенном им балансирном планере, который управлялся перемещением центра тяжести тела пилота. Во время одного из таких полетов планер потерял устойчивость, и Лилиенталь погиб. В 1901 г. американские механики братья Райт построили планер из бамбука и полотна и проделали на нем несколько удачных полетов. Планер запускался с пологого склона холма при помощи примитивной катапульты, состоящей из небольшой бревенчатой вышки и веревки с грузом. Летом братья учились летать, а остальное время работали в своей велосипедной мастерской, копя деньги для продолжения опытов. Зимой 1902—1903 г. они изготовили бензиновый двигатель внутреннего сгорания, установили его на своем планере и 17 декабря 1903 г. совершили первые полеты, самый долгий из которых хотя и продолжался только 59 секунд, все же показал, что самолет способен взлетать и держаться в воздухе.

      Усовершенствовав самолет и достигнув некоторого летного мастерства, братья Райт в 1906 г. обнародовали свое изобретение. С этого момента началось бурное развитие авиации во многих странах мира. Через 3 года французский инженер Блерио перелетел на самолете своей конструкции через Ла-Манш, доказав способность этой машины летать над морем. Менее чем через 20 лет на одноместном самолете был совершен перелет из Америки в Европу через Атлантический океан, а еще через 10 лет, летом 1937 г., трое советских летчиков – В. П. Чкалов, Г. Ф. Байдуков и А. В. Беляков – на самолете А. Н. Туполева АНТ-25 перелетели из Москвы в Америку через Северный полюс. Через несколько дней М. М. Громов, А. Б. Юмашев и С. А. Данилин, пролетев тем же маршрутом, установили мировой рекорд дальности полета по прямой, покрыв без посадки 10 300 км.

      Наряду с дальностью росли грузоподъемность, высотность и скорость самолетов. Первый сверхтяжелый самолет «Илья Муромец» был построен в России. Этот четырехмоторный гигант настолько превосходил все тогдашние машины, что за рубежом долго не могли поверить в существование такого самолета. В 1913 г. «Илья Муромец» побил мировые рекорды дальности, высотности и грузоподъемности.

      Если скорость самолета братьев Райт была около 50 км/ч, то современные самолеты летают в несколько раз быстрее звука. А еще быстрее летают ракеты. Например, ракета-носитель, которая вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли, имела М>28.

     

1.2Факторы, влияющие на подъёмную силу крыла самолёта.

1)скорость воздуха

2)форма крыла

3)плотность среды

1.3 Факторы, влияющие на дальность полёта.

1)вес самолёта

2)форма крыла

3)ветер

 

1.4 Факторы, влияющие на время полёта.

1)высотное струйное течение;

2)попутный ветер, встречный ветер, боковой ветер;

3)форма крыла

1.5 Наблюдения и опыты.

Наблюдения

Выбор формы летательного аппарата. 

Опыт № 1

 

Объект

Действие

Результат

Лист бумаги

Запуск развернутого листа бумаги и наблюдение за его полетом

 

Летит беспорядочно и быстро падает на пол

Самолетик

Запуск самолетика и наблюдение за его полетом

 

Летит долго и по правильной траектории

 

 

Вывод:

Обтекаемая форма способствует удержанию самолета в воздухе. При скольжении вперед она создает подъемную силу. Самолет будет подниматься, пока не иссякнет сила, с которой я запустил его воздух. А простой лист бумаги имеет слишком большую опорную поверхность, что не способствует правильному полету.

 

Принципы создания крыла. 

 

Оборудование:

  • Лист бумаги;
  • Две книги.

Опыт № 2

Внезапный порыв ветра:

Ход опыта

Результат

Обоснование

Подношу полоску бумаги к губам и дую вдоль её поверхности

Полоска поднимается вверх

Воздух, перемещающийся по верхней поверхности полоски, оказывает меньшее давление, чем неподвижный воздух, находящийся под полоской. Вот он и подсасывает полоску вверх.

 

 

 

 

 

Опыт  № 3

 

Оборудование:

  • Лист бумаги;
  • Две книги.

Ход опыта

Результат

Обоснование

Кладу лист бумаги на книги, лежащие на расстоянии 10 см друг от друга, и дую под лист.

Лист между книгами прогнётся вниз.

Движущийся воздух оказывает меньшее давление, чем неподвижный воздух, находящийся под листом.

Опыт  № 4

Дуновение.

Оборудование:

  • Две полоски бумаги

 

Ход опыта

Результат

Обоснование

Подношу полоски к рту и пускаю струю воздуха между ними.

Полоски приближаются друг к другу.

Неподвижный воздух по краям полосок оказывает более сильное давление, чем движущийся воздух между ними. Разность давлений толкает полоски друг к другу.

 

Вывод:

Воздух быстрее скользит по верхней, выгнутой части крыла, у которого передний край выше заднего (это помогает воздуху соскальзывать с крыла). Следовательно, давление воздуха под крылом выше, поэтому оно толкает крыло вверх. Сила, поддерживающая крыло вызвана разностью давлений. Она называется подъемной силой. Воздушный поток на крыле может отводиться вниз с помощью закрылков или элеронов. Они позволяют самолету взлетать, делать виражи и летать на малой высоте даже при небольшой скорости.

 

 

1.6 Методика

Я решил провести эксперимент доказывающий зависимость времени и дальности полёта  от формы крыла. Я сделал 5  моделей бумажных самолётов. Я запускал самолёты одной массы с одинаковой силой несколько раз. После запуска всех моделей я записал в таблицу результаты запусков и средний арифметический результат. По среднему арифметическому я нашёл победителей по дальности  и времени полёта (модель №2 и модель №5) .Время и дальность полёта у всех моделей разная => от формы крыла зависит дальность и время полёта.

 

Заключение

Анализ результатов испытаний:

Для оценки моделей я решил использовать 5

 

Время

Дальность

Модель№1

1

3

Модель№2

2

5

Модель№3

5

2

Модель№4

4

4

Модель№5

3

1

– бальную систему:

 

Исходя из таблицы, я нашёл самый оптимальный вариант бумажных самолётов: модель №4. Модель №2 хороша для соревнований на дальность, а модель №3 обладает повышенной длительностью полёта.

       Во время экспериментов у меня не получилось точно измерить дальность и время полёта каждого самолёта, запускать самолёты с одной силой, получились примерно измерить время и дальность полёта каждого самолёта.

Вогнуто – выпуклый профиль крыла

Истребители

Двояковыпуклый несимметричный профиль крыла

Пассажирские самолёты

Чечевицеобразный профиль крыла

Самолёты разведчики

Двояковыпуклый симметричный профиль крыла

 Бомбардировщики

Вогнуто-выпуклый профиль крыла

Кукурузники

  Благодаря этим опытам и информации из сети Интернет я смог составить таблицу форм поперечного сечения крыльев самолётов и их назначение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1)Антонов О.К., Патон Б.И. Планеры, самолеты. Наук. Думка, 1990. – 503 с.

2)Большая книга экспериментов для школьников/ под ред. Антонеллы Мейяни. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2007. – 260 с. http://www.ozon.ru/context/detail/id/121580/

3)Микортумов Е.Б., Лебединский М.С. Авиамоделизм; Сборник статей. Пособие для руководителей авиамодельных кружков. – М. Учпедгиз, 1960. – 144 с.

4)Никулин А. П. Сборник лучших моделей из бумаги (оригами). Искусство складывания из бумаги. – М.: Терра – Книжный клуб, 2005, 68 с.

5)Свищев Г.П.. Белов А.Ф. Авиация: энциклопедия. – М.: «Большая российская энциклопедия», 194. – 756 с. Сухаревская О.Н. Оригами для самых маленьких. – М.: Айрис Пресс, 2008. – 140 с.

6)Удивительная физика - О чем умолчали учебники Н.В.Гулиа http://modernlib.ru/books/nurbey_gulia/udivitelnaya_fizika/read_1/

Категория: Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год) | Добавил: Service (14.01.2015) | Автор: Легков Иван Николаевич E W
Просмотров: 2643 | Рейтинг: 4.0/1
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК ОТКРЫТ!
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТКРЫТО!
ПРИЁМ РАБОТ ОТКРЫТ!

Google+
Их многие читают
Ахметшин Тимур Рамилевич (35060)
Зарипова Рузиля Ильфатовна (20187)
Щур Илья Андреевич (18927)
Нурсултан Данияр Ербулатович (17715)
Нурсултанов Данияр Ербулатович (17131)
Перемота Алексей Юрьевич (14238)
Миргазетдинова Розалия (13175)
Комлев Фёдор Михайлович (13009)
Щур Илья Андреевич (12865)
Киселёв Андрей Валерьевич (12832)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017