Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования детей «Дворец детского творчества»

Историко-исследовательская работа

Международной олимпиады по истории авиации и воздухоплавания

«Воздушные змеи: детские забавы или практическая аэронавтика?"

 Выполнил: Князев Андрей, 1998 г.р.

творческое объединение «Воздушный змей»

Руководитель: педагог дополнительного образования Горбунова Лариса Борисовна

МБОУ ДОД «Дворец детского творчества», Нижегородская обл., г.Навашино, ул.1 Мая, д.6. т.8(83175)5-65-55

г.Навашино

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………    3

     1. ИСТОРИЯ ВОЗДУШНОГО ЗМЕЯ…………………………………………….   4

     2. ВОЗДУШНЫЙ ЗМЕЙ И ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ …………………….   5

     3. КАК ЛЕТАЕТ ВОЗДУШНЫЙ ЗМЕЙ………………………………………….   7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………… 9

          ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………… 10 

ВВЕДЕНИЕ

Посещая занятия объединения «Воздушный змей» Дворца детского творчества уже несколько лет, я смастерил и успешно запустил в небо воздушных змеев различных конструкций. А тогда, на первых занятиях подумал, что воздушный змей всего лишь детская забава. Но уже через некоторое время, набираясь личного опыта, понял, что видимая простота воздушного змея обманчива и для его успешного изготовления и запуска нужно много знать и уметь. Мне, как человеку увлеченному, было очень интересно узнать его историю и разобраться, почему же он все-таки летает?

Чтобы разобраться в этих вопросах, я прочитал дополнительную литературу и посетил различные сайты, где имелась информация по воздушным змеям. Это меня заинтересовало и помогло мне в дальнейших запусках и управлении воздушными змеями. Воздушный змей – конструкция простая, но заслуженная. Именно он был первым изделием рук человеческих, поднявшим своего создателя в воздух.

Цель работы: изучить историю воздушного змея и разобраться в том, как воздушный змей помог человечеству подняться в воздух

1.ИСТОРИЯ ВОЗДУШНОГО ЗМЕЯ

Человек с незапамятных времен мечтал подняться в небо. Для этого на протяжении всей нашей истории энтузиастами создавались различные летательные аппараты. Каждый успех и каждая неудача неотвратимо приближали человечество к осуществлению мечты. А начало всему - воздушный змей – первый летательный аппарат, построенный человеком.

Нельзя сказать с определенностью, кто их изобрел и когда они впервые поднялись в воздух. Древнегреческие источники утверждают, что это произошло в IV веке до нашей эры и что честь их изобретения принадлежит Архитасу из Тарентума. В корейских древних свитках говорится, что один генерал в те далекие времена запустил воздушного змея с прикрепленным к нему фонарем, чтобы вдохнуть смелость в своих воинов.

Но одно доподлинно известно – в IV веке до нашей эры воздушные змеи были широко распространены в Китае. Полагают, что первые китайские воздушные змеи были сделаны из дерева. Они строились в виде рыб, птиц, жуков, раскрашивались в разные цвета. Самой распространенной формой была фигура змея-дракона. Отсюда, возможно, и пошло название «воздушный змей». В Европу воздушные змеи попали в XV веке, но, возможно, о них знали и раньше.

Любопытны старинные записи о первых практических применениях воздушных змеев. В одной из них говорится, что в IX веке византийцы якобы поднимали на воздушном змее воина, который с высоты бросал в неприятельский стан зажигательные вещества.

На Руси в 906 году князь Олег при осаде Царь-града применил воздушного змея для устрашения неприятеля. А в 1066 году Вильгельм-завоеватель использовал воздушные змеи для военной сигнализации при покорении Англии. Но, к сожалению, о форме древних европейских змеев, об их конструкции и летных свойствах не сохранилось никаких данных.

Долгое время ученые Европы недооценивали значение воздушного змея для науки. Только с середины XVIII века воздушный змей начинает применяться при научных работах. В 1749 году А.Вильсоном (Англия) змей был использован для подъема термометра с целью определения температуры воздуха на высоте.

В 1752 году американский ученый В.Франклин произвел серию опытов, объяснивших происхождение молнии. Объяснив электрическую природу молнии, Франклин изобрел громоотвод. Воздушные змеи применялись для изучения атмосферного электричества великим русским ученым М.В.Ломоносовым и английским физиком И.Ньютоном. С его помощью Ломоносов изучал верхние слои атмосферы и природу молнии. В 1753 году 26 июня он запустил воздушный змей в грозу на бечевке, используя последнюю, как проводник. Эксперимент едва не стоил ему жизни, но его ждал успех- он извлек разряд статического электричества.

«Воздушный змей, эта игрушка для детей, презираемая учеными, может, однако, заставить глубоко над собой задуматься». Так написал в 1756 году знаменитый математик Леонард Эйлер.

В 1892 году в небо далекой Австралии поднялся первый коробчатый змей, изобретенный Харгрэвом.  Летающие коробки Харграва помогли при конструировании первых самолетов и значительно продвинули понятия об аэродинамике, став третьей конструкцией — многоплоскостными

Разрабатывая конструкцию первого в мире самолета, А.Ф.Можайский проверил на змее возможность полета человека на крыльях. В 1873 году он летал на змее, который буксировала тройка лошадей. Мысль о создании летательного аппарата тяжелее воздуха появилась у Можайского  в 1855 г., когда он начал вести тщательные наблюдения за полетами птиц и экспериментальных полетов на воздушных змеях. Он стал первым в мире человеком, который летал подобным образом и опередил на десять лет французского испытателя Майо (1886 г.), на восемнадцать лет англичанина Баден-Поуэла (1894 г.) и на двадцать лет австралийца Харгрэва (1896 г.). В результате проведенных исследований Можайский в начале 1878 г. пришел к выводу, что можно использовать сопротивление воздуха для создания подъемной силы. По этому поводу он писал: "...для возможности парения в воздухе существует некоторое отношение между тяжестью, скоростью и величиной площади или плоскости, и несомненно то, что чем больше скорость движения, тем большую тяжесть может нести та же площадь".  Формулировка одного из важнейших законов аэродинамики - о значении скорости для создания подъемной силы -  дана Можайским за 11 лет до опубликования подобных работ Марея и Лилиенталя, которые пришли к тому же выводу только в 1889.

Начиная с 1894 года воздушный змей систематически применяется для изучения верхних слоев атмосферы

Вплоть до начала первой мировой инженеры и военные видоизменяли коробочных змеев. В пору начала технологического рывка это простое устройство служило отнюдь не мирным целям. Во время войны воздушные змеи были призваны на защиту. Над важными военными объектами на высоту 3000 метров возносились маленькие привязанные шары и змеи, чьи проволочные тросы сбивали вражеские самолеты. Во время русско-японской войны 1904-1905 годов русская армия использовала змеи для поднятия в воздух наблюдателей, которые корректировали огонь артиллерии.

2. ВОЗДУШНЫЙ ЗМЕЙ И ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ

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 1804 году благодаря воздушному змею Джордж Кейли сумел сформулировать основные законы аэродинамики.

Джордж Кейли, английский ученый и изобретатель. Родился 27 декабря 1773 в Скарборо (графство Йоркшир). Получив начальное образование в школах Йорка и Ноттингема, в 1792 отправился в Саут-Гейт изучать электричество и химию. Провел первые опыты по воздухоплаванию, используя китайский "летучий волчок" - игрушку типа вертолетного винта. Обнаруженное лишь в 1935 другое свидетельство его увлечений аэронавтикой - серебряный диск, на котором изображен летательный аппарат с крылом, расположенным под углом атаки, рулями направления и высоты и парой огромных весел, укрепленных на фюзеляже в форме лодки; на диске стоит дата: 1799. С 1800 в течение многих лет Кейли заносил в записную книжку результаты наблюдений полета различных птиц и свои соображения по этому поводу. С 1804 он начал проводить аэродинамические эксперименты и вскоре построил свою первую модель планера с наклоненной под углом 6° несущей плоскостью, которая соединялась рейкой с парой поворотных взаимно перпендикулярных малых пластин. Кейли пришел к убеждению, что создание летательного аппарата тяжелее воздуха возможно только после детального изучения воздействий воздушного потока на наклонную несущую плоскость и разработки подходящего двигателя; спустя почти 100 лет такие же выводы сделали и братья Райт. Исследованиями по этим направлениям Кейли занимался до 1810.

В развитии аэродинамики у нас в стране выдающуюся роль сыграл профессор Николай Егорович Жуковский (1847—1921) — «отец русской авиации». Заслуга Жуковского состоит в том, что он первый объяснил образование подъемной силы крыла и сформулировал теорему для вычисления этой силы. Им была решена и другая проблема теории полета — объяснена сила тяги воздушного винта. Жуковский не только открыл законы, лежащие в основе теории полета, но и подготовил почву для бурного развития авиации в нашей стране. Он связал теоретическую аэродинамику с практикой авиации, дал возможность инженерам использовать достижения ученых-теоретиков.

Важнейшими законами аэродинамики являются закон сохранения массы (уравнение неразрывности) и закон сохранения энергии (уравнение Бернулли). Оба эти закона справедливы и для движущегося газа (воздуха и для жидкости, поэтому проще будет ознакомиться с ними на примере движения воды.

На рисунке 1 изображена схема прибора,

состоящего из открытого резервуара с водой, соединенного с трубкой, имеющей разные сечения. Согласно закону постоянства массы через каждое из этих сечений будет протекать в одну секунду одинаковый объём воды. Но если через неравные сечения в единицу времени протекает одинаковый объем воды, то значит через эти сечения вода движется разными скоростями: чем меньше сечение, тем больше скорость воды (воздуха).

В этом можно также убедиться, наблюдая за течением рек Там, где русло узкое, течение вод быстрее. Если к потокам жидкости в разных сечениях трубки подключи манометры, то они покажут, что при сужении струи, т. е. при увеличении скорости воды (воздуха), давление в струе уменьшается, и наоборот. Это явление, описанное математиком Бернулли, позволяет установить связь между скоростью потока в данном сечении струн жидкости (газа) и давлением в этом же сечении. Описанное уравнением Бернулли явление позволяет объяснить возникновение аэродинамических сил, а главное подъемной силы крыла.

В литературе это уравнение иногда называют законом Бернулли. Уравнение Бернулли объясняет ряд явлений, долгое время казавших противоестественными. Например, если два корабля движутся параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, они стремятся сблизиться, что может привести к столкновению. Казалось бы, что вода, попадающая меж кораблями, должна действовать как клин и отталкивать их друг от друга, действительности же они притягиваются. Происходит это потому, что меж кораблями сжатие струй получается более сильным, чем у внешних их бортов.

Это ведет к увеличению скорости струй и уменьшению давления в струе между кораблями. Поэтому давление воды на внешние борта судов становит больше, чем на внутренние. Разность давлений и заставляет корабли сближаться.

Рассмотрим природу возникновения подъемной силы. Опыты, проведенный в аэродинамических лабораториях, позволили установить, что при набегании на тело воздушного потока частицы воздуха обтекают тело.

Картину обтекания тела воздухом легко наблюдать, если поместить тело в аэродинамической трубе в покрашенном потоке воздуха, кроме того, ее можно сфотографировать. Полученный снимок называют спектром обтекания. Упрощенная схема спектра обтекания плоской пластинки, поставленной под углом 90° к направлению потока, изображена на рис. 2.

 Из рисунка видно, что в этом случае никакой подъемной силы не возникает. Воздух впереди пластинки создает подпор, плотность его струек повышается, а сзади пластинки воздух оказывается разреженным. Повышенное давление воздуха впереди пластинки и разрежение позади нее приводят к тому, что струйки воздуха с силой устремляются в разреженное пространство, закручиваются и образуют сзади пластинки те завихрения, которые мы и видим на спектре.

На рисунке 3

дано схематическое изображение спектра обтекания пластинки, поставленной под острым углом к потоку. Под пластинкой давление повышается, а над ней вследствие срыва струй получается разрежение воздуха, т. е. давление понижается. Благодаря образующейся разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, т. е. назад и вверх.

Отклонение аэродинамической силы от вертикали зависит от угла, под которым пластинка поставлена к потоку. Этот угол получил название угла атаки (его принято обозначать греческой буквой а — альфа). Свойство плоской пластинки создавать подъемную силу, если на нее набегает под острым углом воздух (или вода), известно уже с давних времен. Примером тому служит воздушный змей и руль корабля, время изобретения которых теряется в веках.

Подъемная сила крыла (обозначим ее Y) возникает не только за счет угла атаки а. но также и благодаря тому, что поперечное сечение крыла, представляет собой чаще всего несимметричный профиль с более выпуклой верхней частью. Крыло самолета или планера перемещаясь, рассекает воздух. Одна часть струек встречного потока воздуха пойдет под крылом, другая—над ним (рис. 4).

3. КАК ЛЕТАЕТ ВОЗДУШНЫЙ ЗМЕЙ

Можно только удивляться прозорливости человека, который в далекие времена понял, что змей – это крыло, поставленное против ветра под определенным углом, величина которого задается уздечкой. Несмотря на то, что в древнем ремесле изготовления этих замечательных игрушек за последние десятилетия произошла своего рода революция — на смену традиционной бумаге, шелку, дереву пришли новейшие конструкционные материалы, парение воздушных змеев по-прежнему хранит немало загадок и открытий для каждого, кто этим увлечется.

 Чем легче конструкция при данных размерах змея, тем он выше поднимается на шнуре - леере определенной длины. Для полета змея необходимо, чтобы подъемная сила была больше его массы вместе с леером. При скорости ветра четыре метра в секунду его подъемная сила достигает половины килограмма на один квадратный метр поверхности, при пяти метрах в секунду – одного килограмма, при десяти -  четырех килограммов. Наибольшую подъемную силу змей получает под углом 45 градусов к направлению ветра.

В самом же общем виде подъем змея можно описать как результат воздействия двух факторов. Первый — это восходящий ток нагретого воздуха, нисходящие холодные струи и их комбинации, направленные под углом к горизонту. Равнодействующая этих сил при благоприятных условиях направлена вверх, заставляя змея подниматься. Роль второго играет ветер, действующий на поверхность змея в полном соответствии с законами классической аэродинамики. Змей ведет себя подобно самолетному крылу, обретая подъемную силу за счет разности давлений в воздушных потоках, обтекающих его сверху и снизу.

Несущая плоскость на рисунках плоская условно. На самом деле несущая поверхность «правильного» змея под напором воздуха должна быть немного выгнута вверх, как профиль крыла первых бипланов. При этом аэродинамическое качество змея получится выше, и он сможет выше взлететь или поднять больший груз. Поэтому при изготовлении змея не нужно туго натягивать бумагу или пленку и приклеивать ее ко всем планкам. Достаточно закрепить за уголки.

Оптимальное значение угла атаки для змея – 10-15 градусов, причем оно зависит не столько от конструкции змея, сколько от силы ветра. Чем сильнее ветер, тем меньше нужен угол атаки.

Чтобы змей устойчиво парил, его аэродинамический фокус должен находиться чуть позади воображаемого пересечения леера с несущей плоскостью, и одновременно чуть позади центра тяжести змея. При заднем расположении центра давления змей будет стремиться встать на хвост и, чуть поднявшись, плюхаться на землю. Если же центр давления сдвинут вперед, змей лихо взлетает при малейшем ветерке, но тут же клюет носом и валится вниз.

Нестабильность поведения взлетевшего воздушного змея может быть трех типов, которые можно описать с помощью морской терминологии. Это рыскание из стороны в сторону по «курсу», килевая качка — своего рода нырки под ветер и вращение вокруг собственной горизонтальной оси. Существуют различные способы стабилизировать парение. Прежде всего нужно позаботиться о точной балансировке рамы: смещение центра тяжести воздушного змея от центра симметрии чаще всего становится причиной того, что змей остается неспособен к взлету. Следующий объект тщательной регулировки — длина и расположение поводков. Где именно следует прикрепить поводки к змею, заранее указать нельзя: все зависит от его конструкции. Наилучшим образом решать проблему опытным путем, раз за разом запуская змея в летнее небо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В своей работе я постарался ответить на поставленное вопросы и сделал вывод – воздушный змей – это и замечательная забава для детей и взрослых, но и хороший предмет для изучения законов аэродинамики.

Ближайшие родственники воздушного змея – планеры и могучие авиалайнеры. Все они – аппараты тяжелее воздуха, которые, благодаря аэродинамике, умеют летать.

ЛИТЕРАТУРА

1.      100 человек, которые изменили ход истории. Леонардо да Винчи.   Еженедельное издание – М.: Выпуск №1, 2008

2.      Журнал «Моделист-конструктор» за 1986-1991 г.г.

3.      Ордоди М. Дельтапланеризм/Пер. с венг. Р.М.Кобаля, Г.Коцки; Под ред. А.В.Кареткина. – М.: Машиностроение, 1980, -168 с.

4.      Рожков В.С. Авиамодельный кружок. – М.: Просвещение, 1978

5.      Риджуэй Гарольд. Как сделать и запустить воздушного змея. Перевод с англ.И.В.Турбина – М.: Центрполиграф, 2001.

6.      Смирнов Э. Как сконструировать и построить летающую модель. – М, 1993.

7.      Техническое творчество учащихся. Программа для внешкольных  учреждений и общеобразовательных школ/Под ред. В.А.Горского, Кротова И.В.-М.:, Просвещение, 1988.