Ф. И. О. Ростовцев Михаил Сергеевич

Возраст: 15 лет

Место учебы: Муниципальное бюджетное образовательное учреждение  дополнительного  образования  детей  «Центр  развития  творчества  детей  и  юношества» (МБОУ ДОД «ЦРТДЮ»)

Город, регион: г. Нижний Новгород, Нижегородская область

Руководитель: Ларина Галина Васильевна, МБОУ ДОД «ЦРТДЮ»

                                        Историко-исследовательская работа:

« Воздушный змей:

детская забава или практическая аэронавтика?»

Содержание

1. Введение

2. История воздушного змея

3. Классификация (виды) воздушных змеев

4. Почему они летают?

5. Заключение

6. Список литературы.

 «Воздушный змей, эта игрушка для детей,

применяемая учеными, может, однако,

заставит глубоко над собой задуматься»

                                                                Л. Эйлер

ВВЕДЕНИЕ

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.

Активную роль воздушные змеи играют в авиамоделизме, подаче сигналов, а именно в спортивном ориентировании, развлекательных и спортивных играх. Сейчас развивается кайтинг — вид спорта, при котором спортсмен передвигается по местности с помощью воздушного змея. Немецкая компания SkySails применила змей в качестве дополнительного источника энергии для грузовых судов, впервые опробовав его в январе 2008 года на судне MS BelugaSkysails. Испытания на этом 55 метровом корабле показали, что при благоприятных условиях расход топлива снижается на 30%.

И обо всем этом я хочу рассказать вам поподробнее.

Моя тема «Воздушный змей: детская забава или практическая аэронавтика?». Что же такое аэронавтика? Аэронавтика (воздухоплавание) — так называется искусство под-ниматься на воздух с помощью известных приспособлений и двигаться в определенном направлении.

Актуальность выбранной мною темы очевидна. С одной стороны это детская забава, которая требует большого воображения и способствует расширению кругозора. С другой стороны конструирование и запуск воздушных змеев для людей, которые относятся к этому не как к увлекательному занятию, дает возможность понять основные принципы полета всех летательных аппаратов вместе взятых. Изучить законы физики и аэродинамики, а также практическое их применение.

Цель моей работы:

ü  изучить историю воздушного змея

ü  провести сравнительный анализ воздушного змея с другими летательными аппаратами, которые тяжелее воздуха

ü  высказать свое мнение, является   это - детской забавой или практической аэронавтикой.

ИСТОРИЯ ВОЗДУШНОГО ЗМЕЯ

Нельзя сказать с определенностью кто и когда изобрел воздушного змея, и когда они впервые поднялись в воздух. Древнегреческие источники утверждают, что это произошло в IV веке до нашей эры,  что честь их изобретения принадлежит Архитасу из Тарентума.

Но одно известно доподлинно – 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 фигурой была фигура змея – дракона. Отсюда, возможно, и пошло название «воздушный змей».

Они быстро распространились по странам Восточной Азии, но наиболее бурное развитие получили в Японии и по сей день. Там считается хорошей приметой, если чей-то змей на празднике парит выше остальных. В День мальчиков, который ежегодно проводится 5 мая, родители новорожденного сына пишут его имя на воздушном змее, украшенном изображением легендарного воина Усивакамару или мальчика – героя детской сказки Кинтаро, и запускают его в надежде, что их сын вырастет таким же сильным и здоровым.

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

На Руси в  906 г. князь Олег при осаде Царьграда применил воздушный змей для устрашения неприятеля.

А в 1066 г. Вильгельм Завоеватель использовал воздушные змеи для военной сигнализации при покорении Англии. Но, к сожалению, о форме древних европейских змеев, об их конструктивных и летных свойствах не сохранилось никаких данных.

Долгое время ученые Европы недооценивали значение воздушного змея для науки. Только с середины XVIII в. воздушный змей начинает применяться при научных работах.

 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 разработалЛ. 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. 

В наше время строительство воздушного змея – увлекательное занятие, создание и запуск их не потеряли и не потеряют своего значения.

В настоящее время в некоторых странах традиционно проводятся праздники и фестивали воздушных змеев, а  в Японии национальный фестиваль проводится ежегодно.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ЗМЕЕВ

Парафойл

 Парафойл- это особый класс воздушных змеев, пространственная форма которых поддерживается за счёт набегающего потока воздуха, или проще говоря, ветра. Недостаток парафойлов, то, что при ударе передней кромкой о землю возникает динамический рывок в профилях (перегородки внутри крыла кайта) и они могут разорваться пополам. В остальном при соблюдении нехитрых правил воздушный змей может прослужить долгое время.

Плоский змей

Простейшая в изготовлении конструкция, 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.

Рис.1.

Коробчатый

Основой коробчатого змея (Рис 2.) 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.

                      Рис.2

                     Рис.3                                                                

Воздушный змей парафойлной конструкции

Воздушный змей парафойлной конструкции  -  это особый класс воздушных змеев, пространственная форма которых поддерживается за счёт набегающего потока воздуха, или проще говоря ветра. Данный тип воздушного змея не имеет жестких частей конструкции — реек, каркаса. Обычно змеи данного типа изготавливаются из воздухонепроницаемой ткани с замкнутыми внутренними пространствами и воздухозаборником, обращенным в сторону набегающего потока. Воздух, проникая в воздухозаборное отверстие, создает внутри замкнутого пространства змея избыточное давление и надувает воздушный змей подобно воздушному шару. Однако конструкция змея такова, что надуваясь, змей принимает определённую аэродинамическую форму, которая способна создать подъемную силу змея. Отсюда вытекают следующие особенности воздушного змея парафойла: невозможность поломки при падении — так как ломаться нечему (хотя возможен разрыв оболочки при особенно энергичных приземлениях), возможность компактной транспортировки змеев больших размеров — змей фактически является куском ткани, который просто складывается в небольшой сверток.

                           Рис.4 

                           Рис.5

ПОЧЕМУ ОНИ ЛЕТАЮТ?

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.

Для обеспечения понимания законов, влияющих на полет змея, можно представить змей в виде прямоугольной плоской пластинки. Ведь даже самые сложные конструкции воздушных змеев в большинстве случаев являются сочетанием таких пластинок, расположенных под отличными углами друг к другу, леера (нитки или троса) для запуска змея. Чтобы воздух мог поднять пластинку, ее надо расположить под некоторым углом атаки к его потоку (Рис. 6, Рис 6.1, Рис 6.2).

                          Рис.6

Угол по отношению к потоку воздуха называется углом атаки или подъемной силы (его принято обозначать α – альфа). Змеи летают при среднем угле атаки 10-20°.

Для того чтобы змей держался в воздухе, подъемная сила должна быть равна силе тяжести змея с леером. Если же подъёмная сила меньше, то змей опускается на землю. Причина может быть неравномерность ветра, изменение (уменьшение) его силы и направления.

На воздушного змея действуют четыре силы: сопротивление, подъемная сила, сила тяжести и подъемная сила. Можно сказать, что змей летает благодаря взаимодействию всех этих сил. Рассмотрим их по порядку.

Рис. 7

Почему взлетает воздушный змей? Ответить на этот вопрос нам поможет упрощённый чертеж (рис. 7). Пусть линия АВ изображает разрез плоского воздушного змея. Предположим, что наш воображаемый воздушный змей взлетает справа налево под углом α – альфа  к горизонту или набегающему потоку ветра. Рассмотрим, какие силы действуют на воздушный змей в полёте.

Плотная масса воздуха препятствует движению воздушного змея на взлете, другими словами, оказывает на него некоторое давление, обозначим его F1. Теперь построим так называемый параллелограмм сил и разложим силу F1 на две составляющие - F2 и F3. Сила F2 толкает воздушный змей от нас, а это значит, что при подъёме она снижает его первоначальную горизонтальную скорость. Следовательно, это сила сопротивления. Другая же сила (F3) увлекает воздушного змея вверх, поэтому назовем её подъёмной. Мы определили, что на воздушного змея действуют две силы: сила сопротивления F2 и подъемная сила F3.

Поднимая воздушного змея в воздух (буксируя её за леер), мы как бы искусственно увеличиваем силу давления на поверхность воздушного змея, то есть силу F1. И чем быстрее мы разбегаемся, тем больше увеличивается эта сила. Но сила F1, как вы уже знаете, раскладывается на две составляющие: F2 и F3. Вес воздушного змея  постоянный, а действию силы F2 препятствует леер, увеличивается подъемная сила – воздушный змей взлетает.

Скорость ветра возрастает с высотой, вот почему при запуске воздушного змея  стараются поднять его на такую высоту, где ветер мог бы поддерживать модель в одной точке. В полёте воздушный змей всегда находится под определенным углом к направлению ветра.

Сила сопротивления – создается движением воздуха, который обтекает змея.

Подъемная сила – это часть сопротивления, которая превращается в силу, направленную вверх.

Сила притяжения обусловлена весом змея и приложена в точке, которую называют центром тяжести.

Движущая сила сообщается змею леером, действующим как мотор.

Змей полетит, если линии действия всех этих сил пересекутся в центре тяжести. Иначе полет змея будет нестабильным.

Чтобы выдержать эти требования, поверхность змея должна быть наклонена по отношению к ветру под правильным углом.

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.

Так почему же летают аппараты тяжелее воздуха? Рассмотрим этот вопрос и на примере самолета.

Уже первые исследователи установили, что воздух тормозит движение, но и при определенных условиях создает подъемную силу. На рис. 8 и на рис. 9  показано сечение крыла самолета.

                         Рис. 8

                        Рис. 9

Если крыло расположено так, что между его нижней плоскостью и направлением движения есть некоторый угол α (угол атаки),  то скорость потока воздуха, обтекающего крыло сверху, будет больше, чем скорость потока снизу. По законам физики в том месте потока, где скорость потока больше, давление меньше, и наоборот. Эта разница и поднимает крыло, а с ним и летательный аппарат.

Ниже на рис. 10 показаны силы, действующие на модель, планер или самолет во время полета. Суммарное действие воздушной среды на  летательный аппарат представляют в виде аэродинамической силы R. Она всегда направлена под углом к направлению движения. В аэродинамике действие этой силы может быть представлено как действие ее составляющих сил – торможения и подъемной.

                                   Рис.10

При планировании подъемная сила модели Y обычно равна его весу, а сила торможения X в 10-15 раз меньше. Поэтому дальность полета L качественно выполненной модели будет в 10-15 раз больше высотыH,с которой была запущена модель.

Подъемная сила Y всегда направлена перпендикулярно направлению движения, сила торможения X – против движения, а сила тяжести G – вертикально вниз. Подъемная сила зависит от площади крыла, скорости полета, угла атаки и аэродинамических качеств крыла. Сила торможения – от геометрических размеров и формы поперечного сечения фюзеляжа, скорости полета, плотности воздуха и качества обработки поверхностей аппарата.

Дальность полета определяется аэродинамическим качеством К, равным отношению подъемной силы к силе торможения:

                               К = Y/X

то есть, аэродинамическое качество показывает, во сколько раз подъёмная сила крыла больше силы торможения аппарата.

Чтобы полет был устойчивым, летательный аппарат должен иметь определенную центровку: центр тяжести должен совпадать или быть немного впереди центра давления крыла.

Таким образом, рассмотрев основные принципы полета воздушного змея и самолета, можно сказать, что в том и в другом случае применяются основные законы аэродинамики, действуют одни и те же определения (угол атаки) и силы (подъемная, движущая, сопротивления и т.д.) поднимающие аппараты в воздух. То есть более простой в конструировании  и управлении воздушный змей является прототипом более сложного летательного аппарата, такого как самолет.

После того как змейковое дело достигло наивысшего  своего расцвета к концу войны, в 1918 г., интерес к воздушным змеям ослабел. Бурное развитие авиации начало вытеснять змей из военного дела.

Многие конструкторы, ранее увлекавшиеся змейковым делом, перешли к работе над самолетами. Но их опыт постройки змеев не прошел бесследно. Он, безусловно, сыграл свою роль в истории авиации на первой стадии развития самолета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

В наше время воздушный змей, являясь детской забавой,  требует большого воображения и способствует расширению кругозора. В процессе выбора типа и формы змея развиваются склонности к дизайну, у конструктора появляется возможность для художественного самовыражения в процессе придумывания эмблем и других элементов украшения, поэтому полет воздушного змея – это всегда захватывающее зрелище.

Для других это является захватывающим видом спортом. По всему миру создаются Клубы и сообщества, объединяющие любителей воздушных змеев — как конструкторов, так и просто запускающих. Одним из известных является KONE — Клуб Воздушных Змеев Новой Англии, входящий в состав Американской Ассоциации Кайтинга.

Кто-то рассматривает запуск воздушного змея как добрую традицию,  например в Японии.

За рубежом воздушные змеи чрезвычайно популярны среди детей и молодежи. Особенно ими увлекаются на Кубе. Часто можно видеть, как кубинские дети, даже находясь на пляже, не расстаются со своим любимым занятием — в воздухе над морем парят змеи самой разнообразной конструкции, самых ярких цветов.

В наши дни строительство змеев не может иметь ни оборонного, ни научного значения. Так как с развитием авиации их роль в этих сферах уменьшилась.

Конструирование и запуск воздушных змеев для людей, которые относятся к этому не как к развлечению,  помогает понять 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.

На основании вышеизложенного, хочу сказать, что между словами  «детская забава» и « практическая аэронавтика» я бы поставил знак равенства: «Воздушный змей: детская забава и практическая аэронавтика».

Мне нравится делать воздушных змеев. Я шестой год занимаюсь   в творческом объединении «Конструирование и моделирование», участвую в соревнованиях по запуску воздушных змеев, увлекаюсь запуском экспериментальных и управляемых змеев, являюсь пятый год победителем  региональных соревнований по  запуску этих змеев.

Литература

1.      Ермаков А.М. Простейшие авиамодели: Кн. Для учащихся 5 - 8 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1989, - 144 с.

2.      Энциклопедия самоделок. – М.:АСТ – ПРЕСС, 2002. – 352.: ил. – (Сделай своими руками).

3.      Рожов В.С. Авиамодельный кружок. Для руководителей кружков школ и внешкольных учреждений М.: Просвещение, 1986.-144с.

4.      http://aviaclub33.ru/?page_id=231

5.      http://sitekd.narod.ru/zmey_history.html     

6.      http://sitekd.narod.ru/zmey_history.html