X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Почему слоны не летают
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Если посмотреть на самолет и на слона, можно обнаружить некоторые сходства. Оба они больших размеров. У самолета – крылья, а у слона – уши, форма которых схожа. Но почему же самолет поднимается в воздух и летит, а слон не отрывается от земли даже на 10 сантиметров?
Актуальность данного проекта определена увлечением моделированием. Во время сборки моделей самолетов возник вопрос, каким образом предметы поднимаются в воздух и почему это происходит не со всеми телами.
Цель данного проекта – изучить основные принципы аэродинамики и понять, почему одни предметы парят в воздухе, а другие нет.
Задачи проекта:
собрать информацию об основных принципах аэродинамики;
проверить на практике действие основных принципов аэродинамики;
проанализировать результаты, сделать выводы.
Объект исследования – основные законы аэродинамики.
Предмет исследования – подъемная сила, влияние скорости движения тела его взлет и полет.
Методы работы:
чтение книг и журналов, просмотр иллюстраций;
просмотр видеороликов и иллюстраций в сети «Интернет»;
эксперимент.
Тема аэродинамики, и в частности подъемной силы, широко освещена в учебной литературе. Более доступно об этих темах изложено в детских энциклопедиях и видеообзорах в сети «Интернет».
В ходе исследования была выдвинута гипотеза: способность к полету зависит от ряда причин, которые в совокупности могут поднять и удерживать предмет в воздухе.
2.ВЗЛЕТ И ПОЛЕТ ТЕЛ. АЭРОДИНАМИКА.
2.1. Факторы, способствующие полету
2.1.1. Подъемная сила
Аэродинамика – это наука, изучающая законы движения воздуха и тел в нем.
Каким образом самолет, вес которого может достигать нескольких сотен тонн, может взлететь в воздух и перелетать на дальние расстояния?
Взлет происходит из-за действия подъемной силы. Откуда берется подъемная сила? Главную роль в подъеме воздушного судна играет форма крыла самолета.
Рассмотрим классический аэродинамический профиль крыла [смотри Приложение № 1].
Верхняя часть крыла более выпуклая, чем нижняя. Из-за этого воздух, который обтекает верхнюю и нижнюю части крыла, за одно и то же время, движется быстрее над крылом, чем под крылом: время одно и то же, а путь сверху больше, чем путь снизу. И для того, чтобы в верхнем потоке проходило то же количество воздуха и за такое же время, как и в нижнем, ему нужно двигаться быстрее, так как сам поток стал уже [смотри Приложение № 2].
Далее вступает в силу закон Бернулли: чем выше скорость потока, тем давление в нем ниже и, соответственно, наоборот.
Поэтому давление воздуха на крыло сверху, оказывается меньше, чем давление снизу. Из-за разности этих давлений и возникает подъемная сила, которая уравновешивает в полете силу тяжести [смотри Приложение № 3].
Итак, при движении в воздушном потоке над крылом давление меньше, чем под ним. Из-за этой разницы возникает подъемная сила. Она выталкивает крыло самолета и, соответственно, сам самолет вверх.
Таким образом, воздушные течения снизу «приподнимают» крылья, а сверху как бы «подталкивают» крылья кверху. Так создается подъемная сила.
2.1.2. Скорость движения
Чтобы пассажирский самолет оторвался от земли, необходимо развить скорость взлета, которая сможет обеспечить увеличение подъемной силы. Чем больше вес авиалайнера, тем большая скорость разгона необходима для того, чтобы самолет поднялся в воздух. Какая скорость самолета при взлете – это зависит от веса летательного аппарата.
Если подъемная сила равна весу поднимаемого в воздух тела, то самолет летит горизонтально. Подъемная сила будет больше при более высокой скорости движения. То есть взлететь выше самолету помогает увеличение скорости движения. Ну а скорость зависит от работы двигателя самолета.
Итак, самолет относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха. Это означает, что для его полета нужны определенные условия, сочетание точно рассчитанных факторов. Полет самолета – это результат действия подъемной силы, которая возникает при движении потоков воздуха. Крыло самолета повернуто под точно рассчитанным углом и имеет аэродинамическую форму, благодаря которой при определенной скорости начинает стремиться вверх. Разгоняют самолет и поддерживают его скорость двигатели. Реактивные толкают самолет вперед за счет сгорания керосина и потока газов, вырывающихся из сопла с большой силой. Винтовые двигатели «тянут» самолет за собой.
2.2. Эксперименты по взлету и полету предметов
2.2.1. Эксперименты по взлету предмета при действии подъемной силы
Для эксперимента я использовал воронку и легкий мячик для настольного тенниса.
Мячик помещается в воронку, и начинаем дуть через нижнее отверстие воронки. Выдуть мячик не получается. Воздух проходит между стенками воронки и мячиком. Застывший воздух сверху давит сильнее, чем движущийся по бокам, поэтому мячик остается в воронке.
Попробуем подуть на мячик сверху. Поток воздуха будет двигаться поверх мячика.
Застывший воздух под мячиком будет давить сильнее, чем движущийся воздух сверху. Это приводит к тому, что появляется подъемная сила и мячик взлетает [смотри Приложение № 4].
Этот опыт доказывает, что в случае, когда давление снизу больше давления сверху, начинает действовать подъемная сила, которая способствует подъему предмета.
Я провел еще один эксперимент. Взял воздушного змея. Привязал веревку к верхнему концу. Разбежался со змеем. Змей не взлетел. После этого я взял этого же змея, но с двумя веревками. Запустил под углом. Такой змей полетел [смотри Приложение № 5].
Воздух врезается в конструкцию снизу. Воздух может и хотел бы лететь прямо, но его отражает змей. Образуется сила, которая подталкивает змея вверх. То есть образуется подъемная сила, которая способствует взлету змея.
2.2.2. Эксперимент по взлету предмета определенной формы
Для эксперимента я использовал согнутый лист бумаги: сверху – загнутый, а снизу – прямой. Я попытался повторить конструкцию, по которой изготавливаются крылья самолетов.
Если подуть на листок, бумага поднимется. Это происходит от того, что воздух сверху движется быстрее, чем воздух снизу. Поэтому снизу воздух толкает сильнее, чем сверху [смотри Приложение № 6].
Именно из-за такой формы крыла самолет поднимается.
2.2.3. Эксперимент по взлету при увеличении скорости движения
Я провел эксперимент со стаканчиком одинаково изогнутым с обеих сторон. Может ли он полететь? Соединяем два стаканчика донышками, затем обматываем их резинкой. И отпускаем резинку, придавая движение, то есть ускоряя стаканчики. Когда я запускаю стаканчики, они летят вперед, очень быстро вращаясь [смотри Приложение № 7]. Воздух вокруг них тоже немного вращается. Воздух над стаканчиками движется чуть быстрее, чем под ними. Чем быстрее поток воздуха, тем меньше давление. Стаканчики летят вверх.
2.2.4. Эксперимент по полету с использованием «двигателя»
Для эксперимента я смастерил самолет из бумаги. Крылья я сделал из бумаги, они должны быть очень легкие. Корпус сделал из тонкого дерева. Чтобы самолет полетел, вокруг должно быть движение воздуха. Я попробовал бросить самолет, воздух помогает ему лететь, но и замедляет движение и самолет разбивается. Настоящий самолет летает с помощью мотора и пропеллера.
Учитывая это, я сделал самолет с пропеллером. Пропеллер сделан тоже из бумаги. Выпрямленная скрепка позволяет винту работать бесперебойно. Двигатель на самолете – эластичная резинка. Я закрутил резинку 50 раз. После этого запустил «двигатель» самолета, отпустив резинку. В этом случае самолет летит и медленно приземляется [смотри Приложение № 8].
2.3. Почему слон не летает
Самыми большими из когда-либо поднимавшихся в воздух птиц считаются пелагорнисы и аргентависы. Размах их крыльев превышал 7 м, а масса — 70 кг. Еще крупнее были некоторые рептилии мелового периода, такие как кетцалькоатли. Большинство палеонтологов полагают, что масса летавших птерозавров могла достигать 200 и даже 250 кг. Но и этим огромным птицам далеко до современного взрослого слона: эти великаны слишком тяжелы и к полету не способны, разве что во сне или в сказке, как слоненок Дамбо из одноименного фильма телекомпании Disney [смотри Приложение № 9].
Взлет возможен только тогда, когда направленное вниз притяжение (которое зависит от массы) преодолевается подъемной силой (зависящей от площади крыльев и скорости). Если мы увеличим птицу до размеров слона, ее вес возрастет в тысячи раз, а площадь крыла и подъемная сила – лишь в сотни, и летать она больше не сможет.
Даже сказочно большие уши диснеевского Дамбо для полета недостаточно велики. Их размеры составляют примерно 1,5 × 0,75 м, и, чтобы 250-килограммовый слоненок полетел, квадратный метр поверхности его ушей должен поднимать в воздух не меньше 190 кг. Такую нагрузку испытывают крылья истребителей. Но они увеличивают подъемную силу за счет большой скорости, за несколько часов сжигая столько энергии, сколько слон из своей растительной пищи не получит и за полжизни. Ему остается разве что прыгнуть с возвышенности, расправить уши пошире — и попробовать парить.
Действительно, безмоторные планеры остаются в воздухе без труда и расхода энергии. Однако их крылья при всей своей великолепной аэродинамике создают подъемную силу, которая поддерживает лишь несколько килограммов на квадратный метр площади. Подобные цифры характерны для крупных птиц, например крылья альбатросов поднимают по 11–19 кг/м². При такой нагрузке 250-килограммовому Дамбо понадобились бы уши размахом больше 45 м. А уж когда слоненок станет взрослым и достигнет веса в 4–5 тонн, им пришлось бы растянуться на невероятные 300 м [смотри Приложение № 10]. Трудно даже представить размеры мышц и костей, которые смогли бы поддерживать всю эту огромную, нелепую конструкцию.
Ранее уже была рассмотрена форма крыла самолета – сверху оно округлое, а снизу – плоское. Крыло орлана тоже изогнуто сверху. Чтобы оставаться в воздухе, орлан лишь изредка помахивает крыльями.
А уши слона очень большие, но очень плоские, у них нет изгиба сверху. Поэтому уши слона не могут создать подъемную силу и удерживать его над поверхностью земли.
Придать слону большую скорость, как у истребителя, тоже не представляется возможным. Ни один слон не выдержит скорость полета в 3000 км/ч.
Ну и двигателя у слона тоже нет, чтобы поддерживать расход энергии во время полета.
Поэтому, как бы слоны не хотели, они никогда не окажутся в небе рядом с птицами или самолетами.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведенного исследования были изучены основные принципы аэродинамики и проведены опыты, объясняющие, каким образом предметы могут подняться и удерживаться в воздухе.
По результатам изучения теоретических знаний о законах аэродинамики и проведения экспериментов сделан вывод, что не все предметы могут подняться и удерживаться в воздухе. Чтобы это произошло, должен быть соблюден ряд моментов. Нужно создать условия, при которых на предмет будет действовать подъемная сила, предмету должна быть придана определенная скорость движения, которая может поддерживаться работой двигателя.
Таким образом, изучив тему «Основные законы аэродинамики», мы пришли к заключению, что гипотеза о том, что способность к полету зависит от ряда причин, которые в совокупности могут поднять и удерживать предмет в воздухе, подтвердилась. Если будут соблюдены основные принципы аэродинамики, тело может подняться и находиться какое-то время в воздухе.
Я планирую продолжить изучение темы «Аэродинамика» и выяснить, каким образом самолеты в воздухе могут выполнять фигуры высшего пилотажа.
4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Самолеты. – Ростов-на-Дону: Издательский дом «Проф-Пресс», 2019
2. Самолеты / А.Г. Мерников. – Москва: Издательство АСТ, 2017
3. Детская энциклопедия «Большая книга «Почему». – М. Махаон, 2016
4. Что такое. Кто такой: детская энциклопедия. В 3 т./ сост. В.С.Шергин, А.И.Юрьев. – М. АСТ, 2010
5. Журнал «Вокруг света» №4, апрель 2019
6. http://ru.wikipedia.ru/Подъемная сила
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Крыло самолета, вид сбоку.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Движение воздуха над и под крылом.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Аэродинамическая подъемная сила.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Эксперимент по взлету предмета при действии подъемной силы.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Эксперимент по взлету предмета при действии подъемной силы.
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Эксперимент по взлету предмета определенной формы.
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Эксперимент по взлету предмета при увеличении скорости движения.
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Эксперимент по полету с использованием «двигателя».
ПРИЛОЖЕНИЕ 9
Летающий слоненок Дамбо – герой одноименного фильма.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
Сравнительные размеры размаха крыльев птиц, самолета и
вымышленного слона.