XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Новая конструкция аппарата на воздушной подушке
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Анализ современного северного транспорта
В настоящее время в северных районах применяют уже известные виды транспорта. Но такие машины не всегда подходят для условий Севера и особенно тундры. Особенность тундры заключается в очень чувствительной растительности. Например, мох ягель нельзя повреждать колёсами автомобилей, иначе колея не зарастёт десятилетиями.
Колёсные машины в тундре буксуют. Во время пробуксовки почва повреждается. Есть районы, которые испещрены следами машин и вездеходов, но растительности в этих следах нет. В северных районах грунт слабый, поэтому колёса автомобилей проваливаются в него. Чтобы уменьшить давление на грунт, надо снижать давление воздуха в колёсах. Площадь опоры колеса на землю увеличивается, но мотору работать труднее. Много снижать давление нельзя. Большие колёса тоже делать нельзя, поэтому колёсные машины в тундре применяют редко.
Гусеничные вездеходы имеют большую площадь опоры на землю. Но всё равно они буксуют, как и колёсные машины. Следы от гусениц оказываются ещё хуже, чем от колёс. Уменьшение давления на землю есть. Но его делают для увеличения проходимости вездехода, а не для сохранения растительности.
Санный транспорт применяют народы Севера. Для тундры он подходит только в зимнее время. В летнее время на слабой почве след от саней будет ещё хуже, чем от гусениц. Следовательно, сани ограничены зимним сезоном, который длится долго, но не весь год. Для перетаскивания саней всё равно нужен тягач. Вряд ли сейчас будут применять оленей. Тягач тоже повреждает почву.
Шагающий транспорт лучше других машин подходит для тундры и Севера. Шагающая машина не срезает растения. У неё нет пробуксовки. Следы остаются точечными. Давление на землю можно уменьшить большими опорами. Но сейчас нет шагающих машин, а есть только опытные проекты и модели.
Шнековый транспорт может работать только на снегу. В основном его применяют на ледяных заснеженных покровах. В областях с растениями такой вид транспорта применять нельзя – это мясорубка.
Воздушные виды транспорта я не изучаю. Самолёты ограничены аэродромами. Вертолёты – это очень дорогой вид транспорта, тоже требующий площадок и хорошей погоды. Моя цель изучение наземных видов машин.
Промежуточной машиной между наземной и воздушной является аппарат на воздушной подушке. Я решил изучить его особенности.
Формулировка и обоснование задачи
Цель работы сохранить природу тундры. Пока я рассматриваю сохранение растений. Для этого мне надо решить главную задачу о создании нового транспорта. Я изучил старые виды машин. Они портят природу. Но среди них есть аппарат на воздушной подушке. Я начал его изучать. Я сравнил автомобиль и воздушную подушку на снегу. Снег держит давление 0,2 атмосферы – это 20.000 Па. Для машины массой 2 тонны и весом 20.000 Н нужна площадь опор 1 квадратный метр. Воздушная подушка создаст давление всего 0,01 атм – это 1000 Па. Давление 0,2 атмосферы – это в воздушном шарике. Под воздушной подушкой давление в 20 раз меньше. Оно безопасно для природы. Сначала я повторил известный опыт. Похожий видеоролик есть на сайте магазина «Чип и Дип» [1]. В этом опыте модель аппарата на воздушной подушке автор сделал за десять минут. Понадобилась лёгкая пенопластовая коробка из-под продуктов, вентилятор от компьютерного блока питания и аккумулятор на 12 Вольт. Я повторил идею и сделал такую же машину. Опытов было проведено очень много. Я испробовал несколько коробок для воздушного ограждения, потом выбрал лучшие варианты. Нужно взять коробку с площадью в два-три раза больше, чем в предложенном опыте. Можно взять коробку от большого торта. Такая машина приподнимается, но ездит плохо. Она не может проходить препятствие. Схема опыта показана на рис. 1.
Рис. 1. Известный опыт создания воздушной подушки
Опыт с жёстким ограждением я повторил самостоятельно много раз с различными конструкциями. Сразу же стало понятно, что вентилятор должен быть достаточно мощным. Мои модели неплохо приподнимаются с вентилятором мощностью 7 Вт. Но вентилятор мощностью 2 Вт оказался слабым. Мощность вентилятора можно вычислить, если умножить его напряжение 12 Вольт на силу тока, указанную на этикетке. На рис.2 показан другой вариант ограждения, отличный от упомянутого известного опыта..
Рис. 2. Конструкция ограждения из пластмассы
Уплотнительное кольцо для вентилятора
В известной схеме и в новом устройстве вентилятор работал плохо. Много воздуха выходило обратно вверх. Если посмотреть на вентилятор сверху, то виден большой зазор между его лопастями и корпусом. Под вентилятором давление больше, а сверху меньше, поэтому воздух через этот зазор выходил обратно снизу вверх. Я решил добавить сверху вентилятора уплотнительное кольцо, как показано на рис.3. Центробежные силы отбрасывают воздух к стенке, а потом вниз, но не дают ему выходить обратно вверх. Такое кольцо называется газодинамическим уплотнением. Такая схема применяется в турбинах. Там зазоры между лопатками и корпусом составляют сотые доли миллиметра, но такие уплотнители всё равно применяют. С кольцом машина поднялась выше и стала лучше скользить. Если поднести руку сверху вентилятора, то сразу становится ясно его преимущество. Воздух не так сильно выходит снизу вверх, как без кольца. Но появилась другая проблема. Недостаток этой машины заключается в твёрдой пенопластовой юбке. В машинах на воздушной подушке юбку делают гибкой.
Рис. 3. Уплотнительное кольцо вентилятора
Гибкое ограждение может преодолевать небольшие бугорки и ямки. Но высокие препятствия оно проходить не может. Но всё равно гибкое ограждение лучше жёсткого, которое может скользить только над очень ровной поверхностью. Например, над столом, как в проведённых опытах.
Гибкие ограждения воздушной подушки
Есть много вариантов гибкой воздушной подушки. Везде ограждение должно быть гибким, а не твёрдым, как в видеоролике магазина «Чип и Дип». После изучения литературы я сразу же решил перейти к гибким ограждениям.
Схемы аппаратов на воздушной подушке с гибким ограждением известны и показаны на рис. 4.
Рис. 4. Известная схема воздушной подушки
Вокруг жёсткого корпуса снизу крепится гибкая юбка, которая держит воздух. Воздух нагнетается сверху вентилятором. Гибкое ограждение может огибать небольшие препятствия. Недостатком всех аппаратов на воздушной подушке является постоянное повреждение юбки. Даже небольшой разрыв выпустит воздух и аппарат упадёт. Я поставил задачу – сделать ограждение более твёрдым и прочным. Но тогда опять получается схема, как с пенопластовой коробкой, аппарат не сможет преодолевать препятствия. Получилось противоречие. Гибкое ограждение не прочное, но может проходить небольшие препятствия. Жёсткое ограждение прочное, но не может проходить даже небольшие препятствия. Появилось новое техническое предложение, промежуточное между гибким и жёстким ограждением.
Новизна работы – гофрированное ограждение
Я предлагаю гофрированное ограждение [2,3]. Модель такого ограждения показана на рис.5. Технология изготовления гармошки известна. Особенность заключается в том, что гармошку можно делать из очень плотного и прочного материала. Можно применить даже тонкие листы или алюминия, как в известных сильфонах.
Рис. 5. Модель гофрированного ограждения
Моё изобретение – гофрированная юбка. Схема нового ограждения показана на рис.6. Такой аппарат может проходить небольшое препятствие, например, камень или пригорок. Но моя установка заваливается вбок.
Рис. 6. Схема гофрированного ограждения
Обычная гармошка оказалась неустойчивой, как и другие гибкие ограждения. Если ограждение наталкивается на камень, то появляется выход для воздуха. По закону Бернулли скорость воздуха увеличивается, давление уменьшается, машина наклоняется. Это показано на рис.7. Я придумал, как это исправить.
Рис. 7. Наклон машины при наезде на препятствие
Я предлагаю применить несколько гармошек или других ограждений. Новая схема из нескольких гармошек или других гибких ограждений показана на рис. 8.
Рис. 8. Двойное гибкое ограждение
Если внешнее ограждение наталкивается на камень, то в этом месте оно перестаёт работать. Но машина не наклоняется, потому что держится на внутренней подушке. Потом на этот же камень может натолкнуться внутренняя подушка, и она перестанет работать в этом месте. Но машина уже будет держаться на внешней подушке. Центр тяжести можно сместить вниз дополнительной гармошкой, устойчивость станет больше.
Правильность рассуждений я подтвердил изготовлением модели, которая скользит над столом даже при слабом вентиляторе мощностью 7 Вт.
Выводы по работе
1. Предложена новая гофрированная конструкция ограждающей юбки для аппарата на воздушной подушке.
2. Изготовлены действующие модели аппаратов на воздушной подушке, в том числе с новой гофрированной конструкцией.
3. Проведены сравнительные испытания различных конструкций ограждающей юбки.
4. Доказана возможность применения гофры для перспективного аппарата на воздушной подушке.
Список литературы
1. Макет судна на воздушной подушке своими руками. 6 октября 2010 г. - Электронный ресурс (видеоролик 3:23): https://youtu.be/B2um23X96O0
2. Лептюхов Валерий. Аппарат на воздушной подушке. 16 марта 2021 г. - Электронный ресурс (видеоролик 5:27): https://youtu.be/7Q0m6tUjVNM
3. Лептюхов В.А. Новая конструкция ограждения для аппарата на воздушной подушке / Материалы 47 Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения 2021». – Московский авиационный институт (НИУ), 2021. - Секция 10-8: Юные учёные будущего (для учащихся 6-8 классов). – Доклад и статья приняты для публикации в сборнике, есть официальное подтверждение оргкомитета конференции.
Приложение. Результаты проверки статьи в системах «Антиплагиат» с показателями более 95%