Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования детей

«Станция юных техников г. Улан-Удэ»

Историко-исследовательская работа:

« Воздушный змей: детская забава или практическая аэронавтика?»

Выполнил: Малых Артём Павлович, 13 лет

Руководитель:  Харихин Николай Валерьевич

Республика Бурятия, город Улан-Удэ

2015

Содержание

1. Введение.

2. История воздушного змея.

3. Классификация воздушных змеев.

4. Систематизированное изложение материала.

5. Основы полета воздушного змея.

6. Заключение.

7. Список литературы.

Введение

В век современных технологий воздушный змей принято считать развлечением во время отдыха, Рассмотрев историю появления и практического применения воздушного змея, мы увидим его применение в военных целях, научных исследованиях.

Воздушный змей на протяжении многих столетий не потерял своего практического значения, активно применяется в сорте, совмещая в себе радость, переживаемую от полета модели и физические нагрузки.

Один из увлекательных видов катание на сноуборде, оседлав воздушного змея, либо когда на доске летим по просторам океана, рассекая волну, улавливая парусом воздушного змея набегающие порывы ветра.      

Открывающий мир авиационных моделей, являющейся первой ступенью по освоению небесных простор, прививающий любовь к небу, исторически так сложилось, известные летчики, конструкторы, строили и поднимали в небо свои первые летательные конструкции воздушные змеи. В авиамоделизме и в наше время первой ступенью является модель воздушного змея, как и схематический планер ласково мы называем его схемка. В некоторых районах нашей Республики не всегда есть возможность затянуть (запустить) модель планера, особенно в районе озера Байкал окруженного лесным массивом. Что же делать? Ребятам из авиамодельного кружка нужно готовиться к соревнованиям, и вновь к нам приходит наш друг и соратник воздушный змей, методы запуска модели на леере практически одинаковы, что позволяет отработать движения с учетом погодных условий, научится понимать модель.

Цель моей работы:

1. Изучить историю модели воздушного змея.
2. Рассмотреть классификацию моделей воздушного змея, их конструктивные особенности.
3. Рассказать о технологии изготовления моделей воздушного змея.
4. Изложить свое мнение на основании проведенных исследований по теме «Воздушный змей: детская забава или практическая аэронавтика?».

История воздушного змея

 Воздушный  змей -  самый древний летательный аппарат. Свыше четырёх тысяч лет тому назад воздушные змеи уже строились в Китае и Японии. Им придавали вид бабочек,   жуков, рыб и других фигур, но самой излюбленной фигурой был дракон, сказочный крылатый змей, олицетворяющий сверхъестественные силы. Воздушные змеи с привязанными к ним цветными фонариками и ракетами были и остаются обязательной принадлежностью народных праздников и гуляний.  В ряде районов Китая и доныне празднуются «День змея» (девятый день 9-го месяца по старому китайскому календарю).

Древнерусская летопись говорит, что в 1906 году киевским князем Олегом при осаде Царьграда  (Константинополя) применялись змеи для устрашения неприятеля «…кони и люди бумажные, вооружены и позлащены», поднимаемые в воздух.

 Во второй половине XVIII века виднейшие учёные применяли воздушные змеи для изучения  для атмосферного электричества. Широко известны наблюдения, а также Вениамина Франклина, доказавших с помощью воздушных змеев электрическую природу  молнии.

 Создатель первого в мире самолета А. Ф.Можайский, исследуя возможность полета на неподвижно расположенных крыльях, построил оригинальный воздушный змей-планер и совершил на нем полеты в 1873-1876 годах. За тем воздушные змеи стали применяться и в армии.  Из больших коробчатых змеев составляли « змейковые поезда», способные поднять и поддерживать в воздухе человека.  На таких «поездах» поднимались артиллерийские  наблюдатели.  Аэронавтика (воздухоплавание) — так называется искусство подниматься на воздух с помощью известных приспособлений и двигаться в определенном направлении.

 С помощью автоматического фотоаппарата, подвешенного к коробчатому змею, можно производить воздушную съемку (аэрофотосъемку) местности.  

 Изобретатель радио А.С. Попов применил воздушный змей как антенну для радио приёма. В конце  XIX века воздушные змеи получили широкое применение в метрологии.  Они поднимали на высоту 3-4 км. Самопишущие приборы

В 1964 г. Доминой Джалберт изобрел крыло парафойлового типа, что способствовало развитию таких современных летательных аппаратов, как параплан и спортивный парашют.

С появлением в 1972 году на рынке 2-стропного игрового фигурно-пилотажного воздушного змея Питера Пауэлла, народ стал запускать их уже не только для развлечения, а и с целью спортивного пилотирования.

В 70-е годы несколько англичан использовали круглые парашюты для создания необходимой силы тяги на водных лыжах. В 1977 году голландец Гисбертус Панхюс получил патент. Спортсмен стоял на доске, которая приводилась в движение парашютом.

Швейцарец Рен Кугн плавал в середине 80-х годов на конструкции, похожей на кильватерную доску, и для создания тяги использовал параглайдер. Вероятно, он был первым спортсменом, который сумел сделать высокий прыжок при легком ветре.

В 80-х годах, основоположник кайтбагги спорта - Питер Линн из Новой Зеландии, создал багги конструкцию из нержавеющей стали. Кайт багги - специальная трехколесная тележка для катания за кайтом, воздушным змеем.

И, наконец, в 1984 году французы Доминик и Бруно Леганю, занимавшиеся виндсерфингом и серфингом, получили патент на «морское крыло», которое легко перезапускалось с поверхности воды. Братья Леганю целиком посвятили себя развитию кайтсерфинга, начиная с ранних 1980х. Особенностью конструкции их кайта стал передний надувной баллон, который позволял достаточно легко поднимать кайт в случае падения его на воду.

Классификация воздушных змеев

Плоские – не управляемые, имеют как одну несущую плоскость, так и несколько. Не устойчивы в полете требуют установки хвостового оперения, длина которого постоянно регулируется в зависимости от погодных условий (силы ветра).

Коробчатые змеи – не управляемые, не имеют хвостового оперения. Обладают  очень   высокой устойчивостью. В зависимости от конструкции иногда приходится догружать одну из коробок. На мой взгляд, наиболее устойчива конструкция Ульянина. 

Пилотажные змеи – управляются двумя леерами, наиболее подходящая конструктивная форма (рекомендуемая) дельта-крыло. Но не факт, фигуры пилотажа можно выполнять, используя  плоский  воздушный  змей (шотландской конструкции) установив два леера. Пилотаж любит ветер особенно сложно спортсменам,  когда на момент соревнований ветер очень слабый, приходится двигаться бегом спиной к ветру лицом к модели и при этом выполнять фигуры.  Иногда летают в связке трех конструкций это очень красивое зрелище, модели одна за другой последовательно выполняют фигуры. Но необходимо отметить, что стримера должны быть композитные. Сила тяги такая, что трудно устоять на мести.

Оригинальные воздушные змеи – Самые интересные и непредсказуемые чем сложнее конструкция, тем она больше требует усердия от ее создателя, иногда первые попытки запуска модели приводят к плачевным результатам. Участники соревнований не всегда рискуют до соревнования запускать оригинальные модели. Только после оценки судей,  когда просто необходимо взлететь иначе не будет зачета, какая сложная не была бы конструкция, все дело в полете.

Парафайл – модель воздушного змея, не имеющая в своей основе жесткой конструкции, летит за счет ветра.  Своей конструкцией похож на модели коробчатых змеев, собранных между собой. Имеющий форму спортивного парашюта с большим количеством строп уздечки. Практичен для  транспортировки во время отдыха. 

Систематизированное изложение материала.

Плоский змей «русский»

Для изготовления модели плоского воздушного змея нам понадобится: на ватмане изготовим чертеж модели натуральной величины. Длинна  ровняется 600мм ширина 400мм.  Прямоугольник с координатами точек А.Б.С.Д. Из точки (А. С.)  (Б. Д.) Получаем две линии пересекающие друг друга образующие букву Х внутри прямоугольника, необходимо линии оклеить прозрачной липкой лентой (скотчем). Что поможет нам избежать возможного повреждения рабочего чертежа в процессии практической работы, возможно нанесение рабочего чертежа на поверхность рабочего стола имеющего специальное прозрачное покрытие. Данный метод рекомендуем особенно для младшего школьного возраста, так как уч-ся только начинают осваивать контрольно-измерительные приборы, поможет им не допустить ошибок в процессе изготовления модели. Необходимый и более доступный материал древесина сосна сечением 4х4мм. Подбираем две реечки, согласно длинны образовавшихся координат внутри нашего прямоугольника образующих букву Х, реечки обрабатываем абразивной шкуркой, улаживаем (на чертеж), они образуют букву Х, на месте их соединения склеиваем, используя клей, затем место склейки окручиваем ниточкой для получения более качественного соединения. Определившись с расположением верха модели, от края разметим по 10 мм, сверху на полученные контрольные линии приклеиваем заранее подготовленную реечку, выходящую с припуском от края остова модели на 20 мм. Окручиваем нитью итак остов модели (каркас) готов. На торцевой части реек изготавливаем пропилы, используя полотно для ножовки по металлу, протягиваем нить большего сечения желательно синтетику из точки А.-Б.-С.-Д. В точке Д. связываем на узел, проверяем линейкой нижнюю часть модели на случай расхождения деталей в момент установки нити, все точки фиксируем клеем. Устанавливаем обшивку (калька, лавсан.) Верхнюю рейку необходимо выгнуть для более устойчивого полета. Уздечка змея состоит из трех капроновых нитей, две из них прикрепляются к концам верхней рейки в местах их крестового соединения, третья  к центру змея. Длина верхней части уздечки такова, что её нити точно укладываются по диагональным планкам, длина третьей нити составляет половину высоты змея. В нижней части модели изготавливается петля, из нити закрепленная к краям реек, данная петля используется для крепления хвостового оперения, длинна нити от 800 мм. Хвостовое оперение обычно изготавливаем из пленки (видеокассеты) его длина 2500 мм.  

Плоский змей «шотландский»

Общий вид плоского змея показан на рисунке 1. Изготовьте две   сосновые прямоугольные рейки сечением 5x5 мм: одну - длиной 1000 мм, вторую - 800мм. Аккуратно зачистите их абразивной бумагой или стеклом. Вместо реек можно взять прутья ивы толщиной 5 мм соответствующей    длины. Из реек сделайте крестовину змея. Для этого отметьте на короткой рейке середину и отмерьте на длинной рейке 400 мм от конца и сделайте отметку карандашом. Наложите середину короткой рейки на отметку  длинной и перевяжите нитками крест-накрест. Проверьте     перпендикулярность реек по угольнику. На концах реек, отступя 10 мм, сделайте ножом круговую канавку глубиной и шириной 1 мм. Проклеить соединения клеем.

Необходимо вымочить рейки для эластичности. Набрав воды, в емкость вымачиваем специально подготовленную салфетку, предварительно отжав салфетку, оглаживаем поверхности реек.

Теперь соедините последовательно концы реек в точках А.Б.В.Г ниткой, как показано на рисунке 2. Нитки закрепите на концах реек узлом, показанным на рисунках 3 и 4. При этом изогнуть рейки,( как мы уже говорили смоченные водой ) изготовив таким образом детали похожие на лук  с натянутой тетивой.

Готовый остов змея оклейте плотной бумагой. Оставляя воздуха, водное отверстие в верхней части модели. Тем самым добившись устойчивого полета. Для этого наложите остов змея на бумагу так, чтобы за пределами ниток оставались полоски шириной 10 мм (см. рис. 5). Намажьте эти полоски клеем, обогните вокруг ниток, приклейте и дайте просохнуть.       Чтобы сделать уздечку, один конец нитки привяжите к углу Г, протяните ее до угла А. и дальше к углу Б, и здесь снова привяжите.

Вторую нитку привяжите к углу А. и В. Отмерьте на этой нитке расстояние от А до Б и прибавьте 10 см. Вторая нитка будет короче первой.

Теперь привяжите короткую нитку к середине первой. Из остатка нитки сделайте петельку ( см. рис. 6). Очень важно, чтобы обе половины длинной нитки уздечки были одинаковой длины, иначе змей будет падать на ту сторону, с которой уздечка короче.

В нижнем углу В. привяжите нитку и сделайте петельку для крепления хвоста змея. Хвост сделайте из тонкой бечевки длиной 3-4 метра. К одному концу бечевки привяжите палочку длиной 20 мм, как показано на рисунке 7. Также хвост можно изготовить из пленки, нарезанные на полоски сечением     20 мм общее количество 6 полосок длиной 3000мм.

К другому концу бечевки, на некотором расстоянии друг от друга, привяжите несколько пучков бумаги. Для того, чтобы прикрепить хвост к змею, проденьте палочку в петельку на нижнем конце змея (рис. 8). Такую же палочку привяжите к концу нитки (леера), на которой вы будете запускать змей. Проденьте палочку в петельку на уздечке змея - и ваш змей готов к полету.

Коробчатый воздушный змей

Для изготовления модели коробчатого воздушного змея, нам понадобится четыре рейки сечением 4х4мм. Длинна  будет ровна 1200мм. И 12 реек 400мм. Предварительно зашкурив рейки абразивной шкуркой, проведем разметку каркаса конструкции, отмерив от края 400мм. Продольного лонжерона, с двух сторон, что является основой коробок.

Уложив два продольных лонжерона на поверхность стола, в места их разметки установим короткие рейки нашего остова, предварительно уложив кусочки лавсана в места их соединения (можно использовать бумагу.) Для того чтобы в момент сборки, каркас клялся к столу, так как для сборки модели мы будем использовать супер клей.  Зафиксируем основание каркаса, следующим этапом установим короткие рейки на конструкцию в вертикальном положении, подрезав торцы под углом, используем супер клей, получаем конструкцию в виде образовавшихся треугольников, в верхней части треугольников образуется (паз), в который улаживаем третий продольный лонжерон, соединяя его на клей.

Для ускорения процесса сборки рекомендуем использовать ускоритель (фен) соблюдая правила безопасной работы, констатировать факт, что подобная методика сборки конструкции не рекомендуется учащимся младшего возраста, необходимо в целях безопасности заменить клей (вода дисперсионный.) Продолжим для наиболее качественного соединения, необходимо окрутить места склейки деталей нитью, налаживая нить равномерно образовав (переходник) соединяющий детали, рекомендуем обработать нить эпоксидным клеем. Наложив четвертую рейку и зафиксировать ее клеем окрутив нитью в двух-трех участках предварительно запилив торцы с двух сторон полотном, об этом мы уже говорили при изготовлении плоского змея. Протянем и зафиксируем нить синтетику от угла (точки А. Через лонжерон образовавший крыло в точку Б.) туже последовательность необходимо выполнить с обратной стороны. В итоге мы имеем готовый остов воздушного змея, следует приступить установки обшивки, используемый материал: калька, лавсан, ткань, технология установки разная в зависимости от материала. Рекомендуем уздечку изготовить из лески диаметра 05мм. Закрепив по углам конструкции, образовав угол от края верхней коробки на длине 400мм. Для спортивных состязаний кольцо амортизатор ставить не рекомендуем.

Оригинальные конструкции воздушных змеев

Отличительная особенность конструкции заключается в том, что она не имеет границ для творчества. Рассмотрев классификацию моделей воздушных змеев, мы имеем четкое представление  имеющихся ограничений: по форме, количеству несущих плоскостей, управлению, специальных требований для каждого вида модели.  В  данном аспекте мы рассматриваем соревновательный момент. Что касается оригинальной модели воздушного змея- это может быть отображенный в конструкции окружающий нас мир: природа, техника, предметы и т. д.   

Воздушный змей «парафайл»

 Парафайл – модель воздушного змея, не имеющая в своей основе жесткой конструкции, летит за счет ветра. В своей конструкции очень похож на модели коробчатых змеев, собранных между собой. Имеющий форму спортивного парашюта с большим количеством строп уздечки. Очень удобен при транспортировки во время отдыха. 

Основы полета воздушного змея

 Для усвоения основ полета змея следует проделать несложный опыт с плоским воздушным змеем.

  Сначала  к его углам привязывают четыре нити и связывают их вместе, чтобы  они образовали так называемую уздечку. Попытки запустить змей с такой уздечкой не увенчаются успехом: он не полетит. Но если переделать уздечку, оставить только три нити их так, чтобы плоскость змея была наклонена под углом, то змей легко поднимется вверх и будет, устойчиво держатся в воздухе.

В первом случае  встречный поток воздуха давил на поверхность змея равномерно, а нити, привязанные по углам, не давали возможности змею уйти вверх или в сторону.

Во втором случае плоскость змея наклонена под некоторым углом (называемым  «угол атаки») по отношению к потоку воздуха, создающему подъемную силу змея. Иначе говоря, силу сопротивления воздуха, действующую на поверхность змея, можно  представить в виде двух сил: силы лобового сопротивления, которая лишь оттягивает змей назад, и силы, заставляющей змей подняться вверх. Эту силу называют подъемной силой.

 Особенно легко понять разложение силы сопротивления воздуха, если уже знаете правило сложения и разложения сил, действующих на тело.

Величина подъемной силы змея зависит от угла атаки, величины несущей поверхности и силы давления встречного потока воздуха. Давление это будет тем сильнее, чем быстрее движется воздух.

Подъемную силу (V) воздушного змея можно вычислить  по формуле:               ᵞ=ᶜʸ•ᵖˢ ͮ

где Cy - коэффициент подъемной силы, « р» («ро»-буква греческого алфавита )- массовая плотность воздуха , s- площадь поверхности змея в квадратных метрах , v- скорость ветра в м/сек.

Коэффициент Cy зависит от угла атаки, обычно равного 10-15̊ .Опытным путем и расчетами установлено,  что он составляет  приблизительно 0,32 . Этой цифрой и следует пользоваться при расчетах.

Массовую плотность воздуха при приближенных расчетах также можно считать величиной постоянной, равной 0,125.

Таким образом, произведение постоянных величин Cy и будет ровняться 0,125 • 0,32=0,04.Приведенную выше формулу можно упростить:                                                                                       ᵞ=0,04 S V² .

Для того чтобы змей держался в воздухе, подъемная сила должна быть равной его весу вместе с леером; ещё лучше, если она несколько превышает его вес. В последнем случае змей сможет поднять какой-либо груз, например, воздушный почтальон, бумажное полотнище с надписью и т. п.

Зная вес змея с леером в килограммах и его площадь в квадратных метрах, нетрудно подсчитать скорость ветра, необходимую для его  подъема. Рассматривая приведенную выше формулу как уравнение с одним неизвестным V (скорость ветра), получим

      V2= =25        откуда   V= 5  

Допустим, что змей вместе с леером весит 3 кг, и площадь его – 10м² . При какой скорости ветра он сможет подняться в воздух?

Подставляя в формулу V-3 и S-10 , получим

     V=5  = 5  

=0,55 (приблизительно). Следовательно

V=5 0, 55=2,75м/сек.

К этому же змею, бес переделке его, можно подвесить какой-либо груз. Он по-прежнему будет подниматься в воздух, но только при более высокой скорости ветра.

Допустим, что вес груза составляет 6 кг. Следовательно, общий вес змея с грузом составит 3+6=9 кг. При какой скорости ветра поднимется этот змей?

По формуле (2):

       V=5  =5 0, 95=4, 95 м/сек.

Дробь , стоящая под корнем в формуле (4), называется нагрузкой и обозначается P:

       P=  .

Нагрузка показывает , сколько килограммов веса змея (и груза) приходится на 1 м²  его площади. Так если змей весит 3 кг, а площадь его 10 м² , то нагрузка равна

         P= 0, 3 кг на 1 м² (0, 3 кг/м² .

Формулу (4) можно изобразить так;

         V=5

Пользуясь это формулой нетрудно подсчитать, при какой скорости ветра можно запускать тот или иной змей.

Чтобы не заниматься подсчетом по формулам перед каждым запуском змея, можно пользоваться постоянной таблицей, позволяющей определить возможную нагрузку змея для любой скорости ветра. Чтобы пользоваться ею, необходимо знать площадь змея.

Зависимость нагрузки змея от скорости ветра:

При отсутствии приборов скорость ветра можно определить по местным признакам в природе.

Из приведенных выше расчетов ясно, что величина подъемной силы прямо пропорциональна величине несущей поверхности змея. Поэтому на коробчатых змеях для повышения подъемной силы устанавливают дополнительные открылки- компенсаторы, увеличивающие его площадь. У плоского змея хвост своим весом оттягивает вниз нижнюю часть поверхности и помогает сохранить в полете угол атаки; он же действует как руль направления. Коробчатый змей летает без хвоста : его рулем направления служат боковые половинки обтяжки, а угол атаки поддерживается установкой уздечки.

На устойчивость змея в полете влияют:  место привязи уздечки по отношению к центру тяжести змея, форма и конструкция змея.

Шкала определения скорости ветра по окружающим предметам

Заключение

Рассматривая исторический аспект, мы можем сказать огромную роль в развитии человека, сыграла столь простейшая летающая конструкция (воздушный змей). А так ли это можем мы назвать ее простейшей? В те далекие времена человек, вглядываясь в просторы небесного океана, наблюдая за полетами птиц, тот странный чудак, впервые построивший и поднявший в небо модель воздушного змея кто он открывший эру воздухоплавателей.

Нет в мире, более прекрасной мечты пережить чувство полета, свободы и нет нечего прекраснее полета модели. В дальнейшем человек научится использовать воздушного змея в разных сферах жизни деятельности: воинах, науке, будет построен первый самолет, в основе которого лежит воздушный змей. И в наше время в век развития современных технологий воздушный змей нашел для себя достойное место.

На первом этапе формирования личности не замечая того запуская воздушного змея мы прививаем нашему ребенку любовь к окружающему  миру, чувство гармонии, радости, общению в семе. Мы можем назвать его учителем, открывающим прекрасный мир мастерства и творчества: при постройке модели воздушного змея ребенок впервые начинает овладевать принципами работы различными инструментами, изучает и знакомится с древесиной ее строением методами ручной обработки материала,  отражает свой внутренний мир, оформляя модель воздушного змея, познает мир красок и их многообразие. В дальнейшем познает основные принципы полета летающих конструкций (аппаратов). Запуская воздушного змея, мы осваиваем целый комплекс спортивных  упражнений.

Завершая сваи исследования, я сделал вывод: « Воздушный змей детская забава и практическая аэронавтика».

В авиамодельном кружке « Станции юных техников» Улан-Удэ. Я занимаюсь несколько лет. Изучаю и осваиваю разные классы моделей свободнолетающие, кордовые, комнатные. Ежегодно в нашей Республике проводят открытые соревнования по воздушным змеям, где может принять участие каждый желающий индивидуально по классу модели, включая команды учащихся различных объединений.

Литература

1. П. Л. Анохин и Д. А. Иванников иллюстрированное пособие для руководителей кружков и учителей. Государственное учебно-педагогическое издательство Министерство просвещения РСФСР Москва 1958.
2. В. С. Рожков. Авиамодельный кружок. Москва «Просвещение» 1978.
3.  Методические рекомендации по изготовлению модели шотландского воздушного змея. Улан-Удэ «С. Ю. Т.» 2013. П.Д.О. Н. В. Харихин
4. О. К. Гаевский. Авиамоделирование. Москва издательство ДОСААФ СССР 1990.
5. http://www.aviatoys.ru/docs?doc=4
6. Фото архив МБОУ ДОД «Станция юных техников г. Улан-Удэ