XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Подъёмная сила "птички"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С детства я мечтаю быть лётчиком. Люблю смотреть в небо, когда летит самолет, и пытаюсь по звуку угадать, какая это модель самолета. У поэта Николая Добронравова есть слова:
Обнимая небо крепкими руками,
Летчик набирает высоту,
Тот, кто прямо с детства дружит с небесами,
Не предаст вовек свою первую мечту.
Как бы мне хотелось, чтобы моя мечта исполнилась...
Родители поддерживают меня и вместе со мной посещают разнообразные салоны и выставки, где есть уникальная возможность не только увидеть, но и прикоснуться к «заветной мечте».
Когда в школе я стал изучать физику, мне захотелось еще больше узнать о самолетах. Как-то раз я решал такую задачу: «Чтобы отделить друг от друга два слипшихся листа бумаги, применяют такой способ: сбоку в их торец сильно дуют, и листы разлипаются. Однако если эти же два листа бумаги сблизить и вновь подуть в их торец, чтобы струя воздуха в основном попадала между ними, то листы не разойдутся, а, наоборот, приблизятся друг к другу. Как объяснить оба эти явления?». Сначала я подумал, что тут играет роль взаимодействие молекул, но как быть с движением воздуха?! А на уроке биологии я узнал, как плавает кальмар – он с большой скоростью проталкивает воду через закрытую трубку, проходящую в его туловище, и может быстро двигаться назад. Подобрав все свои щупальца и сложив их кистью к голове, он приобретает обтекаемую форму, а потом расправляет складки кожи, наподобие крыла, и отрывается под углом к поверхности воды. И я задумался, - может, в этом есть что-то общее с принципом движения самолета?
Актуальность проблемы заключается в том, что самолёт – транспортное средство для перевозки пассажиров, грузов, а также и средство защиты рубежей нашей Родины.
Гипотезазаключается в том, что подъёмная сила самолёта зависит от площади поверхности крыла и угла атаки.
Цель проектасостоит в выяснении условий, как конкретно зависит подъёмная сила самолета от площади его крыла и угла атаки?
Объектом исследованиястали три разных бумажных самолётика: 1 - обычный (стандартный), 2 - с большей стреловидностью и длиной крыла, 3 - с самой большой площадью крыла и самой малой стреловидностью.
Предметом исследования также стала пластиковая модель советского истребителя-бомбардировщика Су-17М3, собранного мной в январе 2022 года (в июле 1981г этот самолет был принят на вооружение ВВС нашей страны).
В соответствии с проблемой исследования и для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
- исследование научной литературы по данной теме;
- осуществление экспериментов с моделями самолетов;
- проверка полученных выводов на авиасимуляторе.
Для решения поставленных задач я применял поисковый метод получения информации, работал с литературой, рекомендованной учителем, а также изучал электронные источники информации. На чтение и анализ учебных пособий для углубленного изучения физики у меня уходило много времени, но я об этом нисколько не жалею. Ведь я знаю, что это мне пригодится в будущем! Анализируя теоретическую информацию, не забывал я и о практической работе.
Основная часть
Из истории
Люди с древних времен мечтали научиться летать так же свободно, как птицы. Впервые оторваться от земли, используя нагретый воздух, удалось братьям Монгольфье Жаку и Жозефу 21 ноября 1783г. А в середине 19-го века словом «самолет» крестьяне села Липицы Тульской губернии называли челнок ткацкого стана, который бросали не рукой, а посредством погонялки. В современном понимании это слово одним из первых стал использовать русский изобретатель В. В. Котов. Он впервые применил на крыльях планера подвижные плоскости (современные «элероны»), которые в свое время предлагал А. Ф. Можайский. Свое авторство на «элероны» В. В. Котов закрепил опубликованием в печати в 1896 году статьи «Устройство самолетов-аэропланов». К сожалению, другую свою книгу «Самолеты-аэропланы, парящие в воздухе» с предисловием Д. И. Менделеева, ему не удалось опубликовать. В те годы не встретило отклика и замечательное начинание К. Э. Циолковского, который за восемь лет до первого полета братьев Райт опубликовал свою работу «Аэроплан, или птицеподобная летательная машина». В работе был представлен расчет самолета и изложено удачное решение вопроса о двигателе аппарата. Первый самолет братьев Орвила и Уилбура Райт – аэроплан «Флайер» - во время испытания 17 декабря 1903г пролетел 36 м, продолжался сам полет 12 секунд. Аэроплан стал называться «самолётом» примерно в середине 30-х годов XX столетия.
Шли годы, человечество развивалось – развивались и самолёты. В 1960-х годах в СССР был разработан реактивный истребитель-бомбардировщик Су-7. Как истребитель он себя не зарекомендовал. У него была одна проблема – плохие взлётно-посадочные показатели. Учёные-авиаконструкторы должны были знать и учитывать какие-то особенности той или иной модели, и, основываясь на опыте эксплуатации Су-7, пришли к очень необычному выводу – изменяемой геометрии крыла.
Су-7Б (литера Б – бомбардировщик)
Для улучшения взлётно-посадочных характеристик был разработан проект С-22И (будущий Су-17) с изменяемой геометрией (стреловидностью крыла).
Теоретическая часть
У самолёта есть крыло (как раз одно крыло как единая секция, а не два раздельных крыла). Крыло в авиационной технике — несущая поверхность, имеющая в сечении по направлению потока профилированную форму и предназначенная для создания аэродинамической подъёмной силы. Крыло самолёта может иметь различную форму, а по размаху — различную форму сечений в плоскостях, параллельных плоскости симметрии самолёта, а также различные углы крутки сечений в указанных плоскостях. Но что за сила поднимает крыло самолета, и заставляет самолёт держаться в воздухе? Согласно теории полета самолета, разработанной Н. Е. Жуковским, образованию вихревого движения (циркуляции) вокруг крыла самолета обязано возникновение подъемной силы, действующей на крыло самолета. Что это такое – подъемная сила?
С задней кромки крыла все время срываются вихри с вращением против часовой стрелки. Вихрь уносит с собой некоторый момент импульса, и потому вихревое движение, возникающее вокруг крыла (согласно закону сохранения момента импульса) должно быть направлено по часовой стрелке. Образующаяся вокруг крыла циркуляция направлена в нижней части крыла против потока и вызывает уменьшение скорости потока, а значит, увеличение давления, в верхней – наоборот. Разность давлений снизу и сверху крыла приводит к образованию подъемной силы.
Подъёмная сила — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком. Полная аэродинамическая сила — это интеграл (целая величина, рассматриваемая как сумма бесконечно малых частей) от давления вокруг контура профиля крыла. На самом деле подъёмная сила крыла самолёта зависит от многих факторов: скорости самолёта, площади крыла, угла атаки, профиля крыла (выпуклости), высоты полёта и многих других факторов. Угол атаки — угол между направлением вектора скорости набегающего на тело потока газа и характерным продольным направлением, выбранным на теле, у крыла самолёта это будет хорда крыла, у самолёта — продольная строительная ось. При рассмотрении крыла самолёта угол атаки находится в нормальной плоскости. Ниже представлен вид датчиков углов атаки на авиалайнере «Боинг-727».
Датчики углов атаки на авиалайнере «Боинг-727»
Экспериментальная часть
Я задался вопросом: действительно ли для самолёта в горизонтальном прямолинейном полёте увеличение угла атаки приводит к увеличению подъёмной силы, создаваемой крылом? В поисках ответа я провел опыты.
Опыт 1
Мы с моей бабушкой сделали три разных бумажных самолётика: обычный (стандартный) бумажный самолётик (далее – 1С), бумажный самолётик, похожий на первый но с большей стреловидностью (далее – 2С), и, наконец, третий самолётик с самой большой площадью крыла, но с самой малой стреловидностью (далее – 3С).
1C 2C 3C
Все три самолётика были запущены с одинаковой начальной скоростью. Самолетик 1С пролетел около 3-4 секунд и медленно упал, 2С летел с большей скоростью, но и упал резко, опустив нос вниз и пролетев в общей сложности 1-2 секунды, 3С же летел чуть медленнее 1С, но дольше (около 7-8 секунд) и медленно спланировал на пол, не опустив нос.
Видеозапись опыта 1 представлена ниже. Для просмотра нажать 2 раза и открыть.
Из этого эксперимента можно сделать однозначный вывод, что чем больше площадь крыла самолёта, тем больше подъёмная сила этого крыла, т.е. подъёмная сила крыла прямо пропорциональна площади крыла.
Опыт 2
Я взял те же самые три самолётика 1С, 2С и 3С, запустил их с одинаковой начальной скоростью, и 3 раза с определёнными углами атаки (1 раз-0 градусов, второй раз с +10 градусов и третий раз с углом атаки в -10 градусов). В первый раз самолётики с 0 углом атаки совершили свой полёт так же, как и в Опыте 1. При угле атаки +10 градусов 3С пролетел всего три секунды и упал, 1С, наоборот, пролетел дольше – около 5-6 секунд и спланировал вниз, 2С – около 4 секунд. При отрицательном угле атаки -10 градусов 1С пролетел 2 секунды, 2С – 4 секунды и 3С – 6-7 секунд.
Получился очень интересный результат – чем больше площадь крыла и угол атаки, тем меньше подъёмная сила, а чем меньше угол атаки и больше площадь крыла – тем больше подъёмная сила.
Как я говорил ранее, предметом дополнительного исследования также стала пластиковая модель советского истребителя-бомбардировщика Су-17М3, собранного мной в январе 2022 года.
Процесс сборки и готовая модель Су-17М3 (ранний)
.
Я собирал модель около трёх дней. Она не имеет электродвигателя, подвижных плоскостей (элеронов, закрылков и предкрылков), достаточно тяжёлая, и летать эта модель не умеет. Но я быстро нашёл решение возникшей проблемы.
Авиасимулятор
Итак, чтобы решить эту проблему и проверить результаты опытов, проведённых с бумажными моделями, я решил использовать реалистичный режим воздушных боёв (пробный вылет) компьютерного авиасимулятора War Thunder, где были совершены полёты Су-7Б(МК) и Су-17/22 М3. В этом режиме воздушных боёв флайт-модель (модель полёта самолёта) максимально приближена к реальности и, всё-таки, у каждого самолёта она уникальна.
Далее – видеозаписи с подтверждением. Для просмотра нажать 2 раза и открыть.
Я неоднократно замечал, что на взлёте и посадке самолёт выпускает закрылки (механизация, отклоняющаяся вниз на задней части крыла самолёта) и предкрылки (небольшая плоскость спереди крыла, отклоняющаяся вниз). Зачем это нужно? Нетрудно догадаться, что для увеличения площади крыла и подъёмной силы. Когда я играл в авиасимуляторы, то тоже замечал, что при выпуске закрылков нос самолёта начинает задираться, происходит увеличение угла атаки, а чем больше выпускаются закрылки, например, в максимальное, посадочное положение, то ручку джойстика (штурвала) нужно отклонять вниз сильнее, так как нос задирается всё сильнее. Теперь я знаю, что это на основе закона Д. Бернулли. Наличие щели позволяет потоку перетекать из области повышенного давления (нижняя поверхность крыла) в область пониженного давления (верхняя поверхность крыла). Щели спроектированы так, чтобы вытекающая из них струя была направлена по касательной к верхней поверхности, а сечение щели должно плавно сужаться для увеличения скорости потока. Пройдя через щель, струя с высокой энергией взаимодействует с «вялым» пограничным слоем и препятствует образованию завихрений и отрыву потока. Это мероприятие и позволяет «отодвинуть» срыв потока на верхней поверхности крыла на большие углы атаки и получить большие значения подъемной силы. Если судить по принципу того, что на нижней части крыла давление меньше из-за меньшей скорости потока воздуха, а при выпуске закрылков непосредственно создаётся отклонение, поток идёт не вверх, а вниз, скорость потока на этом месте увеличивается, значит, давление на передней части крыла меньше, что и толкает переднюю часть крыла вверх. Итак, я убедился в правильности моей гипотезы и применил ее на практике - в авиасимуляторе. А еще во время этих «полетов» мне вспомнились красивые стихи Н.Морозова:
Вперед, на крыльях белой птицы!
Легко нам в вольной высоте!
Там белых тучек вереницы
Нас встретят в дивной красоте.
В лицо нам дунет ветер бурный,
Вся даль оденется в туман.
Обнимет нас струей лазурной,
Как брат, воздушный океан!
На дне его, во мгле глубокой
Потонут села и поля.
И пусть несется в край далекий
Под нами тусклая земля.
Стремленью духа нет границы,
Широк безбрежный небосклон.
На мощных крыльях белой птицы
Осуществим наш детский сон!
Отношение моих одноклассников к роли авиации в жизни человека
Я провёл опрос моих одноклассников с целью выяснить, что они знают об авиации и ее роли в жизни человека?
Опрос состоял из десяти вопросов:
Вы когда-нибудь летали на самолете?
Знаете ли Вы, чем знамениты братья Райт?
Как назывался летательный аппарат - предок самолета?
Какие Вам известны типы самолетов?
Вам интересен международный авиационно-космический салон «МАКС» в г. Жуковском?
А знаете ли Вы, когда «МАКС» состоялся первый раз?
Есть ли среди Ваших знакомых (родственников) стюардессы, диспетчеры, летчики, штурманы, пилоты гражданской авиации?
Хотели бы Вы связать свою жизнь с авиацией?
Знаете ли Вы, когда празднуют День воздушного флота России?
Назовите фильм о событиях, связанных с авиацией.
Из диаграммы можно сделать такие выводы:
Большинство моих ровесников хоть раз в жизни летали на самолётах, знают, чем знамениты братья Райт, им известны типы самолётов и фильмы об авиации. Но, к сожалению, ещё не все знают, как назывался летательный аппарат – предок самолёта, это возможно по причине того, что лишь некоторые из них детально углубляются в эту тему. Остальные же мало интересуются авиашоу и выставками. Однако среди родственников или знакомых моих одноклассников есть те, кто так или иначе связан с авиацией.
Хочется добавить, что современные авиашоу, например МАКС (международный авиационно-космический салон), - настолько завораживающие представления, что им даже посвящают литературные произведения.
В праздничном небе воздушный парад -
Русские «Витязи» в небе парят.
От красоты истребителей
Дух захватило у зрителей.
Пять самолётов, крыло у крыла,
К солнцу взлетают, как будто стрела,
Делают, словно один самолёт,
Акробатический переворот.
Храбрым пилотам завидуют птицы,
Ветер о храбрых пилотах поёт.
Всё, буду в лётчики срочно проситься
И собираться в полёт!
Заключение
И все-таки, как же решить задачу о двух слипшихся листах, которую я сформулировал во введении? Теперь мне все понятно! Ведь в первом случае, когда мы дуем в торец листов, струя воздуха течет около наружных сторон листов с большей скоростью. По закону Бернулли следует: где скорость газа больше, там его давление меньше. Поэтому листы расходятся в сторону меньшего давления. Во втором случае скорость течения воздуха больше между листами, значит, его давление здесь меньше, и листы сближаются.
Итак, гипотеза - подъёмная сила самолёта зависит от площади поверхности крыла и угла атаки, - подтверждена. Цель проекта достигнута – выяснено, что подъёмная сила крыла самолёта прямо пропорциональна его площади, но при этом, чем больше угол атаки, тем подъёмная сила меньше. Зато при малых углах атаки и большой площади крыла подъемная сила возрастает.
Самолёт – просто необыкновенный и уникальнейший вид техники, способный вытворять настоящие чудеса, например, в качестве доказательства этого можно привести видео с «МАКС-2021» короткого взлёта, пилотажа и посадки на основные стойки шасси российского многоцелевого истребителя поколения 4++ МиГ-35. Здесь же и проявляются все положительные качества плоского фюзеляжа, объединённого с крылом и создающего около 40% от общей подъёмной силы, что позволяет облегчить самолёт и улучшить аэродинамические качества.
https://youtu.be/fRIJmYmkLeg
Завершить свою работу мне хочется стихами моего однофамильца – Вадима Захарова.
Еще летит твой самолет,
Куда ты сам пока не знаешь.
Штурвал берет другой пилот,
А ты об этом лишь мечтаешь…
И если видишь новый взлет,
Про все на свете забываешь.
И в небе каждый самолет
Подолгу взглядом провожаешь…
Твоя любовь, твоя мечта
Убрав шасси уходит в небо.
И мало слова «красота» —
Ведь ничего прекрасней нету!
Ход времени неумолим,
Наступит день, взревут турбины…
И оторвется от земли
Тебе послушная машина.
Еще летит твой самолет,
Куда ты сам пока не знаешь.
И держит курс другой пилот,
А ты об этом лишь мечтаешь…
Список использованных источников и литературы
Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1972
Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 1 Механика. Теплота. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1972
Мякишев Г.Я. Физика. Механика. 10 класс. Профильный уровень. Учебник. – М.: Дрофа, 2010
https://www.youtube.com/watch?v=QZQ9XObeL74
https://youtu.be/H2RRiF24L4A
https://youtu.be/qb9rJdQBtgo
https://youtu.be/TzSlRzTPiCM