Автор : Щувайло Дмитрий

Возраст: 13 лет

Место учебы: МБОУ “ Школа- гимназия №10”им. Э. К. Покровского  г. Симферополя , Республика Крым, Российская Федерация

Руководитель: Кривощеков Роман Витальевич  , методист физико- математического отдела ПДО ГБОУ ДО Республика Крым МАН “ Искатель”, г. Симферополя

                        Историко- исследовательская работа на тему:

               Воздушные змеи: детские забавы или практическая аэронавтика ?  

                                                            План

1 Введение

2  История  возникновения и применения воздушных змеев

3 Почему и как летает воздушный змей?

4 Виды воздушных змеев

5 Выводы

6 Список использованной литературы

                                                        Введение

     Многие родители, покупая своим детям воздушного змея, даже не догадываются, что изготовление и запуск воздушных змеев с одной стороны- детская забава, привлекающая к себе людей всех возрастов, с другой- увлечение, способствующее развитию наблюдательности, смекалки и творческого потенциала. И на первый взгляд такая простая и обычная для нас игрушка, не совсем уж проста, как может показаться.

   Цель работы- изучить воздушный змей, как летательный аппарат, определить области применения, сконструировать и запустить воздушный змей.

   Задачи:  - изучить историю возникновения воздушных змеев;

- выяснить  виды и области их применения;

- выяснить, почему и как летает змей;

- сконструировать змей  и испытать его.

                            История  возникновения и применения воздушных змеев

         История воздушных змеев берет свое начало еще во времена древнего Китая и насчитывает, как минимум, 2000 лет. История происхождения воздушного змея основывается, прежде всего, на  преданиях и легендах, т.к.  материалы из которых изготавливали змеев ( дерево, бумага, ткань, листья и ветки деревьев) разрушались довольно быстро . Самые старые археологические находки насчитывают около 200 лет.

      Змеи строились в виде бабочек, птиц, рыб, жуков, которые раскрашивались в яркие цвета. Наиболее распространен был змей- дракон, похожий на полукрокодила - полузмею .

      В более позднее время воздушные змеи стали строить в виде плоских рамок, обтянутых бумагой или тканью. Они уже  ничем не напоминали сказочного змея , но название сохранилось до наших дней.

     С самого начала своего существования воздушный змей применяли в трех основных направлениях -  военные действия, обряды и быт. Применение змея в военных целях сводилось в первую очередь к измерению расстояния до вражеских объектов и устрашению врагов .  В истории России тоже есть упоминания о воздушных змеях: в 906 году, во время взятия Царьграда, князь Олег приказал сделать много воздушных змеев в виде всадников и пеших воинов, чтобы внушить ужас защитникам города: они вдруг увидели, что на них с неба спускается несметное русское воинство.

      Использовали воздушные змеи и в обрядах. Считалось, что немного приблизившись к небу, где жили боги и , привлекая их внимание своей яркой внешностью, было больше шансов обратить внимание богов на молитвы людей. Так, например, запуская змея, отпугивали нечисть и защищали от злых сил, болезней, просили богатый урожай.

      Также воздушные змеи использовались в Азии для ловли рыбы, отпугивания птиц от зерновых культур, для поднятия строительных материалов к вершинам зданий, ну, и конечно, в качестве игрушек .

       Приглядывались к этой детской игрушке и ученые. Знаменитый физик, математик и астроном Леонард Эйлер писал: “ Воздушный змей , детская игрушка, пренебрегаемая  взрослыми , будет когда-нибудь предметом глубоких исследований”. И он не ошибся. Еще в 1749 году шотландский астроном А. Вильсон поднял на змее термометр для измерения температуры воздуха на высоте. Знаменитый американский ученый Б. Франклин с помощью воздушных змеев проводил исследования атмосферного электричества и доказал, что молния при грозе- не что иное, как электрический разряд огромной силы. Открыв в результате этих исследований электрическую природу молний, Франклин изобрел громоотвод.

       Великий русский ученый Михаил Ломоносов  тоже строил воздушные змеи для исследования электричества в атмосфере.  26 июня 1753 года Ломоносов “ при помощи змея извлек молнию из облаков”. Он запустил воздушный змей в грозу и по бечевке , используемой как проводник, извлек разряд статического электричества. Эти опыты едва не стоили ему жизни , а вот его последователь академик Рихман  был убит разрядом электричества.

    В 19 веке воздушные змеи также широко применялись для метеорологических наблюдений. В начале 20 века воздушные змеи внесли свою лепту в создание радио.  А.С. Попов использовал  змеи для подъема антенн на значительную высоту. Важно отметить использование воздушных змеев при разработке первых самолетов. В частности, А.Ф. Можайский , прежде чем начать строительство своего самолета, провел серию испытаний с воздушными змеями. На основании результатов этих испытаний были выбраны размеры самолета , которые должны были обеспечить ему достаточную подъемную силу.

 Практические возможности воздушного змея  привлекали внимание военных. В 1848 г. К.И. Константинов разработал систему спасения судов, терпящих бедствие вблизи берега , с помощью воздушных змеев. Во времена первой  мировой войны войска различных стран применяли змеи для поднятия на высоту наблюдателей- корректировщиков артиллерийского огня, разведки вражеских позиций.  Воздушные змеи использовались и на фронтах  Великой Отечественной войны. Например, с их помощью наши бойцы разбрасывали листовки.

   В послевоенные годы воздушные змеи  стали увлекательным занятием для школьников. Но наряду с этим их еще часто применяют в области метеорологии для исследований и наблюдений нижних слоев атмосферы.  Коробчатые змеи поднимают приборы , записывающие температуру, давление, влажность воздуха и направление ветра на высоте.  В далекой Антарктиде наши ученые широко использовали змеи для изучения атмосферы до высоты примерно 1000 м.

 В настоящее время воздушные змеи не то , чтобы не забыты, они живут полноценной, активной жизнью.   Воздушные змеи помогают метеорологам в изучении верхних слоев атмосферы. На змее можно укрепить не только барометр и термометр, но  и фото- и видеоаппаратуру, впоследствии используя полученные данные для топографических карт. Использование воздушного змея в таких целях значительно выгоднее, проще и дешевле, чем привлекать тяжелую летную технику.  Также радиолюбители как и 100 лет назад , так и сейчас используют воздушного змея для получения устойчивого сигнала.

   У воздушного змея есть и свой праздник. Ежегодно во второе воскресенье октября во всем мире празднуется Всемирный день воздушного змея.   

                                Почему и как летает воздушный змей?

Воздушный змей принадлежит к летательным аппаратам тяжелее воздуха. Почему же змей поднимается и что удерживает его на высоте? Основное условие для этого – движение воздуха относительно змея. Скорость и направление ветра постоянно меняются. Не только горы, но и дома, мосты , строения, деревья отклоняют ветер у поверхности земли от его горизонтального направления.  Так как же взлетает воздушный змей? Ответить на этот вопрос поможет упрощенный чертеж. Пусть линия АВ изображает разрез плоского змея, а  – угол к набегающему потоку ветра. Рассмотрим, какие силы действуют на змей в полете. На взлете плотная масса воздуха препятствует движению змея , то есть  оказывает на него некоторое давление. Обозначим силу давления F1 . Теперь построим параллелограмм сил и разложим силу F1 на две составляющие- F2 и F3. Сила F2 толкает змей на нас , а это значит, что при подъеме она снижает его первоначальную горизонтальную скорость. Следовательно, это сила сопротивления. Другая сила F3 увлекает змей вверх, это подъемная сила.

 Поднимая змей в воздух, мы как  бы искусственно увеличиваем силу давления F1 на поверхность змея. Но сила F1, как мы уже знаем , раскладывается на две составляющие : F2 и F3. Масса модели постоянна, а действию силы F2 препятствует леер. Значит, увеличивается подъемная сила- змей взлетает. Известно, что скорость ветра с высотой возрастает, ведь чем выше от земли, тем меньше предметов, которые препятствовали бы его  движению. Вот почему при запуске стараются поднять змей на такую высоту, где ветер мог бы его поддержать.

                                                  Виды воздушных змеев

  Все воздушные змеи можно разделить на две основные группы: неуправляемые и управляемые.

 К неуправляемым относятся привычные всем воздушные змеи, которые, будучи подняты в небо, находятся там примерно в одной и той же точке, и влияние на перемещение которых, может оказать только набегающий поток воздуха.

  Простейшие неуправляемые змеи- плоские. Родоначальники всех воздушных змеев, они обладают плоским каркасом. Стабилизация достигается за счёт формы змея, воздушных потоков в парусе, хвостов. В качестве примера можно привести русский змей, индийский змей, змей “ звезда”, змей с дельтакрылом.

 Изогнутые воздушные змеи имеют поперечный изгиб в конструкции, который позволяет им быть более устойчивыми по сравнению с плоскими змеями, избавляет от необходимости использовать для стабилизации хвост, следовательно улучшает ветровой диапазон змея. Изгиб в конструкции достигается или за счёт специально изогнутого соединительного элемента, или за счёт натягивания поперечных элементов каркаса наподобие лука.

 Познакомившись с конструкциями плоских змеев мы узнали , что ни длина, ни ширина большинства плоских змеев не превышают 1 м. Почему так ? Чтобы ответить на этот вопрос , надо рассмотреть два важных параметра: подъемную силу и прочность змея. Плоский змей с большим размахом крыльев сделать трудно, существенно не увеличивая прочность его элементов. Но увеличение прочности приводит к увеличению ширины и толщины конструкционных элементов каркаса, что сказывается на массе змея. Беспредельно увеличивать массу нельзя- наступает момент, когда уже подъемной силы недостаточно для взлета змея. Изобретатели попытались обойти это противоречие. Так появились коробчатые змеи, прочность которых много выше прочности плоских змеев.

Коробчатые змеи. Воздушные змеи данной группы обладают пространственным каркасом, они по-настоящему трёхмерны, также за счёт каркаса ещё больше возрастает устойчивость, а увеличение рабочих плоскостей влечёт за собой увеличение подъёмной силы. Хорошо всем известны такие воздушные змеи, названые по имени их конструкторов, как змей Хараграва, змей Поттера.

     Нежесткие змеи. Это гибридная группа змеев, основное отличие которой заключается в том, что форма принимается за счёт набегающего потока воздуха. При этом в конструкции всё-таки применяются отдельные жёсткие и полужёсткие элементы каркаса.

Бескаркасные  змеи. Форма, принимаемая за счёт проникающего внутрь змея воздуха, и полное отсутствие каркаса как такового — отличительные признаки этой группы. Главными достоинством является полная свобода в размерах и форме воздушного змея, малый вес.

   К управляемым воздушным змеям   относятся змеи ,полётом которых можно управлять за счёт наличия двух и более строп.

Двухстропные. Воздушные, так называемые спортивные или пилотажные, змеи обычно треугольной (дельтавидной) формы с двумя стропами, по одной в каждую руку. За счёт строп возможно управление направлением полёта этого змея. Кроме того за счёт конструкции воздушный змей способен осуществлять манёвры не только в двух плоскостях относительно пилота, но и в третьей плоскости.

Четырехстропные. Четыре стропы, прикреплённые к двум ручкам, позволяют полностью контролировать угол атаки этих воздушных змеев. Под управлением пилота змей способен лететь в любом направлении, вращаться и останавливаться в любой точке ветрового окна.

Бескаркасные. В этой категории управляемых змеев находятся змеи, предназначенные для буксировки, они могут быть двух- и четырёхстропными. Форму парус принимает как за счёт набегающего потока, так и за счёт каркаса, сформированного сжатым воздухом. Основное предназначение — буксировка человека.

Мы рассмотрели основные типы воздушных змеев, но есть змеи, которые по конструкции и применяемым материалам отличаются от них. Рассмотрим некоторые из них.

Змеи по принципу АВП. Известно, что аппараты на воздушной подушке ( АВП) приподнимаются благодаря разности давлений: под днищем давление всегда больше, чем сверху. А устойчивость аппарата создается особым устройством , равномерно распределяющим поток газа по всему периметру . По такому принципу могут летать и змеи. 

Змей- парашют.  Воздушный поток ударяет в слегка наклоненный купол парашюта и поднимает его вверх. Для стабилизации полета к змею- парашюту прикрепляют хвост, а в центре под куполом закреплена телескопическая  трубка. Она служит одновременно и жестким каркасом, и регулятором положения центра тяжести модели.

Змей- диск. Форма такого змея придает неплохую устойчивость в полете. Модель очень похожа на два невысоких конуса, сложенных вместе. Конструкция дополнена килем, а   также небольшим грузиком, смещающим центр тяжести вниз и таким образом увеличивающим устойчивость аппарата, и отверстием в нижней части обшивки. Это отверстие позволяет использовать те перепады давления, которые создаются при сильных порывах ветра.

Змеи- вертушки. Вертушки, вращаясь под действием набегающего потока воздуха создают  не только поверхность, играющую ту же ролью что и плоскость коробчатого или плоского змея, а и благодаря углу атаки с их помощью создается дополнительная подъемная сила. Это позволяет при прочих равных условиях делать змеев меньших размеров.

Змей- вертолет. В городе бывает трудно найти большую открытую площадку, где можно было бы свободно разбежаться с воздушным змеем. Змей- вертолет не требует много места для своего запуска, и непогода ему не помеха.

Змеи с диффузорами . Змей такого типа мы решили построить и испытать.  Конструкция такого змея очень проста. Две рейки скреплены в центре крест- накрест и связаны по краям прочной нитью. Обшивкой змея служит не продуваемая  плащевая ткань, на которую прикреплен диффузор из этой же ткани( фото 1). Мы запустили наш змей на  школьном стадионе. ( фото 2). Движущийся по диффузору со все возрастающей скоростью воздух, увеличивает скорость змея, а еще, что более существенно, придает ему дополнительную устойчивость в полете( фото 3,4,5).

фото 1    фото 2

 фото 3     фото 4      фото 5

    Выводы

      На основании проведенных мной исследований я пришел к  следующим выводам:

1 Воздушный змей имеет многовековую историю. Их строили из разных материалов и придавали им различные формы.

2 Применение  и использование воздушного  змея была очень разнообразна: в военных действиях , обрядах, быту, а также для изучения физических явлений. Ну и конечно, его всегда использовали как детскую игрушку.

3  В наши дни  змей не используют для оборонного значения и в научных исследованиях его роль не очень значительна, но для людей , заинтересованных в аэронавтики, он помогает понять основные  принципы  полета всех летательных аппаратов.

Поэтому можно с уверенностью утверждать, что такая детская забава, как воздушный змей, является, прежде всего, примером практической аэронавтики.

                               Список использованной литературы

1. Ермаков А.М. Простейшие авиамодели: Книга для учащихся 5-8 классов. — М.: Просвещение, 1984. — 160 с.: ил.

2. Заворотов В.А. От идеи до модели: Книга для учащихся 4-8 классов.- М., Просвещение , 1988.- 160 с.: ил. — (Сделай сам).

3. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга первая.-М.: Наука, 1976. – 224с.:ил.

4. prokite.ru/kites/tipyi-vozdushnyih-zmeev/

5. www.kite.ru/news/kitestaff/the-kite-story.php