XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Планирование как основа аэродинамики
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Иногда я думал, наблюдая за птицами: «А почему я не могу также летать? Почему планер может держаться в воздухе, такой большой, тяжелый и не падать?». Мне стало интересно, как это всё-таки происходит, что помогает планеру держаться в воздухе? Поэтому, на все мои вопросы, я стал искать ответы.
Я предположил, что благодаря какой-то силе, которая удерживает планер в воздухе, он может парить и не падать камнем. Что от формы крыла, зависит скорость полета.
Издавна люди очень хотели летать, как птицы. Через века до нас дошли сотни легенд, рассказов о попытках летать. Но, со временем люди поняли, что полететь, махая крыльями, как птица, нельзя. Оказалось, что у человека мускульной силы значительно меньше, чем даже у маленького воробья. И люди стали искать иной способ, другой путь. Но какой?
И все-таки опираясь на силу своего разума, а не на свои руки, человек полетел…
Планер — это удивительный летательный аппарат, который способен планировать в воздухе без мотора. За счет потока воздуха на крыле, создаваемого аэродинамической силой, он совершает полет. Меня заинтересовало, за счет, каких физических процессов он летает? Поэтому, я решил самостоятельно его сконструировать и испытать в действии.
Объект исследования: самостоятельно изготовленные планеры со стреловидной и эллиптической формой крыла.
Цель работы: самостоятельно изготовить планеры и выяснить, какие физические процессы лежат во время их полета, как форма крыла способна влиять на их скорость и дальность.
Задачи исследования:
- изучить историю появления планера;
- узнать, за счет, каких физических процессов планер летает;
- самостоятельно сконструировать планеры;
- сделать сравнительный анализ физических величин планера с различной формой крыла.
Глава I. Немного о планерах
Что такое планирование?
Равномерное и прямолинейное движение планера вниз по наклонной траектории называется планированием.
Планер – это летательный аппарат без мотора, который тяжелее воздуха. За счёт аэродинамической подъёмной силы, которая создается на крыле набегающим потоком, он поддерживается в воздухе.
Почему планер не падает?
Во время полёта крыло планера, как бы разделяет поток воздуха на две части. Одна обтекает нижнюю часть крыла, а другая верхнюю. Форма крыла сделана так, что верхний поток преодолевает большее расстояние для того, чтобы в одной точке соединиться с нижним потоком. Значит, что верхнему потоку приходится двигается с большей скоростью. Так как скорость его больше, значит, давление, создаваемое над верхней поверхностью крыла будет меньше, чем в нижней его части. Из-за разности давления и возникает подъёмная сила. Это обеспечивает прямолинейность и постоянство скорости движения планера по траектории.
1.3. История изобретения планера
В 1856 г. французский капитан дальнего плавания Ж.-М. Ле Бри, один из первых построил и опробовал планер в действии: он обтянул тканью деревянную конструкцию, птицеобразной формы. Чтобы ее оторвать от земли, конструкция была установлена на телеге, запряженной лошадьми. Именно он открыл буксирный метод старта, который используют по сей день. Именно Ле Бри доказал фундаментальные принципы аэродинамики, такие как обтекаемый корпус фюзеляжа и удлиненные крылья.
А вот француз Луи Пьер Муйяр использовал иной принцип. Он соединил между собой оба крыла, также, обтянутого тканью, но с отверстием посередине, где находился пилот. Конструкция должна была взлететь с возвышенности против ветра. Она была неустойчива, однако удачно пролетела 42 метра.
В дальнейшем Отто Лилиенталь (1848—1896) - немецкий конструктор, изучив принципы парящего полета птиц, в 1891 году создал планер с крыльями из прутьев ивы, обтянутых тканью. При этом, пилот висел на руках в центре крыльев планера, а для сохранения равновесия и его управления балансировал своим телом. Лилиенталь проводил испытание планера сам: прыгал с ним с насыпей, бегал по наклонным спускам, пытался скользить на крыльях. Бесстрашный исследователь за 5 лет совершил около 2000 полетов. Но 9 августа 1896 года, инженер погиб, совершая очередной полет (Приложение 1, рис.1).
У Лилиенталя были сторонники его дела, которые уже в начале XX века значительно усовершенствовали конструкцию планера.
В России одним из первых разработчиков стал профессор Н.Е. Жуковский. Потом его стали называть - «отец русской авиации» (Приложение 1, рис.2).
В первую мировую войну деятельность конструкторов сократилась. А вот тысячи талантливых и увлеченных планеристов пересели на военные самолеты.
В Великую Отечественную Войну вся сеть планерных кружков и школ была уничтожена. После, их пришлось возрождать заново.
На территории СССР в 1950 году, впервые после войны, были проведены планерные соревнования. Советские инженеры добились значительных успехов, а планеристы установили десятки рекордов.
1.4. Как устроен планер
Планеры делятся на спортивные, учебные, транспортные и устроены так:
- Самая важная часть планера — это крыло. Оно состоит из двух одинаковых половин-консолей, которые крепятся к фюзеляжу на основной части лонжеронов.
- Лонжерон - это продольный элемент крыла, который работает на изгиб и кручение.
- Консоли состоят из нервюр и стрингеров. Это продольные и поперечные части строения крыла.
- Фюзеляжем называют корпус планера, который соединяет в одно целое все остальные части.
- Оперение - это группа аэродинамических механизмов, обеспечивающих управляемость и устойчивость планера в полёте. Такие механизмы подразделяются на вертикальное и горизонтальное составляющие. Вертикальная составляющая состоит из руля направления и киля, а горизонтальная - из стабилизатора, руля высоты.
Современные планеры изготавливают из дюралюминия, или из стеклопластика. Они сложны по конструкции и обладают отличными аэродинамическими свойствами. При полете скорость их снижения минимальна. Она составляет 0,5 м/с. Высокие аэродинамические показатели объясняется тем, что форма фюзеляжа вытянута, а крыло сильно удлинено.
В нашей стране был создан такой планер, он назывался "Летува". Размах его крыла составлял 20 метров, грузоподъёмность равнялась 280 кг, а скорость снижения 0,51 м/с.
Глава II. От слов – к работе
Практическая часть
2.1. Изготавливаем стреловидный планер
Самой простой летающей моделью планера - является так называемая «стрела».
Процесс ее изготовления:
Я взял лист бумаги и согнул пополам.
Отогнул до середины верхние правый и левый углы.
Справа, затем слева, снова загибаю бумагу до середины.
Делаю еще раз сгибы.
Приклеим арматуру крыла под основное крыло (Приложение 2, рис.3).
Переднюю часть фюзеляжа складываем, как показано на рисунке, а центральную часть закругляем (Приложение 2, рис.4).
Устанавливаем верхнюю часть фюзеляжа вровень с линией сгиба (Приложение 2, рис.5).
Верхнюю часть фюзеляжа совмещаем с передней частью и носовой частью (Приложение 2, рис.6).
Складываем вертикальный хвост, как показано на рисунке, клеем его и отрезаем лишнюю часть (Приложение 2, рис.7).
Вот и всё, первая модель нашего самолета готова! (Приложение 2, рис.8).
2.2. Изготавливаем планер с эллиптической формой крыла
Для удобства и работы нам понадобятся: нож столярный, круглогубцы, угольник, напильник, молоток.
Начало сборки:
Изучаем пошаговую инструкцию по сборке планера, названия его деталей и дополнительных заготовок, - это первое с чего стоит начать (Приложение 3, рис.9).
Клеим половинки крыла и стабилизатора.
Изготавливаем балку фюзеляжа, шлифуем её острые кромки (Приложение 3, рис.10,11).
Шлифуем плоскости пенопластовых деталей (крылья, хвостовую часть), придаем им плосковыпуклую форму. Это необходимо для образования подъемной силы (Приложение 3, рис.12,13).
После обработки всех элементов планера, склеиваем их между собой воедино.
Вот и всё, образец «Пчёлка» готов к испытаниям! (Приложение 3, рис.14).
2.3. Ставим эксперимент
Для запуска модели необходимо просто взять ее большим и указательным пальцем под крылом, и резким движением руки вперед запустить модель в воздух. Как показывает практика, почти всегда модель с первого раза летит ровно по траектории (Приложение 4, рис.15-18).
Вот и всё, запуск совершён!
Затем, замеряем расстояние дальности полета наших экспериментальных моделей (Приложение 4, рис.19,20).
Делаем расчет скорости, в зависимости от времени и расстояния полета
(Приложение 4, рис.21).
Как видим, скорость планера со стреловидным крылом выше, чем у планера с эллиптическим, но дальность полета короче!
2.4. Вывод
Из полученных данных видно, что форма крыла влияет на скорость и дальность полета планера.
Остроугольная форма уменьшает сопротивление воздуха, так как угол атаки минимален, поэтому скорость полета высока. Но, при этом, аэродинамика крыла снижена. Дальность полета данной модели без двигателей, будет небольшой.
Такую форму крыла используют при изготовлении истребителей с мощными двигателями. Самый быстрый самолет в мире был изобретен в Америке еще в 1959-ом году X-15. Его максимальная скорость составила 8 200 км/ч (Приложение 5, рис.22).
Из-за того, что крыло эллиптической формы обладает самыми высокими аэродинамическими показателями с минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе, планер с эллиптической формой крыла преодолел расстояние большее, чем планер с треугольной формой крыла. Но при этом скорость полета была ниже.
Наилучший пример применения крыла такого вида является - английский истребитель "Спитфайер" (Приложение 5, рис.23).
Заключение
1. Я выучил историю создания планера.
2. Выяснил, какие виды планеров существуют, в чем их особенности;
3. Понял, какие физические силы движут планер, заставляя его парить в воздухе;
4. Изготовил две модели планера в домашних условиях.
5. Провёл испытания на практике и сделал сравнительную таблицу показателей величин.
6. Узнал, что треугольная форма крыла, обеспечивает наибольшую скорость планера, а эллиптическая дальность его полета.
В своей работе я доказал, что полет зависит от профиля крыла, что планер совершает полет с помощью потока воздуха на крыле, создаваемого аэродинамической подъемной силой.
Список использованных источников
Авиамоделизм // Материал из Википедии — свободной энциклопедии https://ru.wikipedia.org/wiki/
Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. 2006 г.
Ермаков А.М. Простейшие авиамодели. М., 1989.
Замятин В.М. Планеры и планеризм. М., 1974.
Костенко И.К. Летающие крылья. М., 1985.
Красильщиков А.П. Планеры СССР. М., 1991.
Шереметев Б.Н. Планеры. М., 1959 г.
Приложение1
Рис.1. Отто Лилиенталь
Рис.2. Н.Е.Жуковский
Приложение 2
Рис.3.Приклеим арматуру крыла под основное крыло
Рис.4. Переднюю часть фюзеляжа складываем, а центральную часть закругляем
Рис.5.Устанавливаем верхнюю часть фюзеляжа вровень с линией сгиба
Рис.6. Верхнюю часть фюзеляжа совмещаем с передней частью и носовой частью
Рис.7. Складываем вертикальный хвост, как показано на рисунке, клеем его и отрезаем лишнюю часть
Рис.8. Первая модель самолета готова!
Приложение 3
Рис.9. Изучаем инструкцию.
Рис.10,11. Изготавливаем балку фюзеляжа, шлифуем её острые кромки
Рис.12,13. Шлифуем плоскости пенопластовых деталей
Рис.14. «Пчёлка» готова к испытаниям!
Приложение 4
Рис.15,16,17,18. Проведение эксперимента
Рис.19,20. Замеряем расстояние
|
Наименование |
Время полета |
Дальность полета |
Скорость полета |
|
Треугольный |
4 сек |
24 м |
6 м/сек |
|
Эллиптический |
9 сек |
36 м |
4 м/сек |
Рис.21. Делаем расчет скорости
Приложение 5
Рис.22. Остроугольная форма крыла. Рис.23. Эллиптическая форма крыла.