XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Подьемная сила крыла
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель: узнать как летают птицы, самолёты, вертолёты и прочие летательные объекты.
Причина выбора темы: В один из школьных дней руководство школы устроило нам поход в зоологический музей, который находится у нас в Юматово. Там были птицы и мне в стало вдруг интересно, за счёт чего летают птицы. Позже мне захотелось узнать как летают другие, созданные человеком, неживые объекты.
Актуальность данной темы: выбранная мной тема является очень актуальной, поскольку, в связи со сложившейся обстановкой в Украине, используются самолёты, вертолёты и прочие летательные объекты. И мне кажется многим будет интересно как они летают.
Основная часть
Следующая тема моего индивидуального проекта – подъёмная сила крыла у птиц и как летают самолёты. Мы с классом посетили зоологический музей. В этом музее было много экспонатов, но большинство из них были птицы и я задумался, как летают птицы с точки зрения физики и как летают стальные птицы – самолёты. Обратимся к материалам из интернета.
Птицы летают по-разному. Самые маленькие из них — колибри — машут крыльями с такой скоростью, что взмахи их крыльев даже невозможно разглядеть. И, наоборот, чем крупнее птица, тем медленнее она машет крыльями. Замечали, как парят в небе орлы и беркуты? В полёте они почти не совершают взмахов, зато при взлёте активно машут крыльями, словно набирают скорость. Эти птицы держатся в воздухе за счёт расправленных в стороны крыльев. Стоит им сложить крылья, как они падают вниз камнем. В 1738 году знаменитый швейцарский математик и физик Даниил Бернулли открыл свой знаменитый закон, который утверждает, что при движении газов и жидкостей давление и скорость их течения связаны: чем больше скорость, тем ниже давление, и наоборот — чем скорость движения газа меньше, тем его давление больше. Этот, казалось бы, простой закон и оказался тем прорывом, после которого создание самолётов стало возможным в принципе. Но до полёта первой «стальной птицы» оставалось ещё 165 лет.
Убедиться в действии закона Бернулли просто: возьмём две полоски бумаги, и держим их за концы параллельно друг другу, а теперь подуем в промежуток между ними. Полоски станут сближаться. Почему? Скорость движения воздуха между полосками стала выше, чем на их внешней стороне, значит, давление воздуха между ними уменьшилось. Это давление снаружи их и притянуло.
Но, на первый взгляд, закон Бернулли не объясняет, почему же птицы могут держаться в воздухе, не взмахивая крыльями. Потребовались десятилетия, чтобы понять, как это происходит. Дело оказалось в конструкции птичьего крыла. Если посмотреть на поперечный разрез крыла, то можно заметить, что оно имеет форму вытянутой капли, но не симметричной, а изогнутой, как будто на неё слегка надавили снизу (верхняя часть крыла немного с «горбинкой», а нижняя — почти плоская). Представьте, как воздух при полёте обтекает такое крыло птицы (или самолёта, крыло которого устроено по такому же принципу). Воздух раздвигается крылом: часть воздуха обтекает его сверху, часть — снизу. Но вы помните, что верхняя часть крыла «с горбинкой», поэтому воздух при её обтекании проделывает более длинный путь, чем по нижней, плоской части. Как мы знаем, чтобы проделать более длинный путь, воздуху нужна большая скорость. В результате, скорость обтекания крыла воздухом разная: в верхней его части она больше, чем в нижней.
Остаётся вспомнить закон Бернулли: там, где скорость воздуха выше — ниже давление. И получается, что давление воздуха на нижнюю часть крыла больше, чем на верхнюю. Вот эта разница давлений на крыло и называется подъёмной силой. Эта сила удерживает птиц и самолёты в воздухе без необходимости махать крыльями.
Теперь я расскажу вам о том, как летают вертолёты. Вертолет — летательный аппарат тяжелее воздуха. Подъемная сила и тяга для поступательного движения у вертолета создаются при помощи несущего винта. Этим он отличается от самолета и планера, у которых подъемная сила при движении в воздухе создается несущей поверхностью — крылом, жестко соединенным с фюзеляжем, а тяга — воздушным винтом или реактивным двигателем. Подъемная сила создается за счет взаимодействия двух тел: воздуха и летательного аппарата (самолета или вертолета).
По закону равенства действия и противодействия следует, что с какой силой летательный аппарат действует на воздух (вес или земное притяжение), с такой же силой воздух действует на летательный аппарат (подъемная сила). Воздух, протекающий через поверхность, сметаемую несущим винтом, в результате взаимодействия с вращающимися лопастями отбрасывается вниз с индуктивной скоростью и. В случае горизонтального или наклонного полета воздух притекает к поверхности, сметаемой несущим винтом под некоторым углом (косая обдувка). Как и у самолета, объем воздуха, участвующего в создании полной аэродинамической силы несущего винта, можно представить в виде цилиндра, у которого площадь основания равна площади поверхности, сметаемой несущим винтом, а длина — скорости полета, выраженной в м/сек.
При работе несущего винта на месте или в вертикальном полете (прямая обдувка) направление воздушного потока совпадает с осью несущего винта. В этом случае воздушный цилиндр будет расположен вертикально (рис. 8, б). Полная аэродинамическая сила несущего винта выразится как произведение массы воздуха, протекающего через поверхность, сметаемую несущим винтом за одну секунду, на индуктивную скорость уходящей струи: При работе несущего винта на месте или в вертикальном полете (прямая обдувка) направление воздушного потока совпадает с осью несущего винта. В этом случае воздушный цилиндр будет расположен вертикально (рис. 8, б). Полная аэродинамическая сила несущего винта выразится как произведение массы воздуха, протекающего через поверхность, сметаемую несущим винтом за одну секунду, на индуктивную скорость уходящей струи:
где π /4 - площадь поверхности, ометаемой несущим винтом;
V— скорость полета в м/сек;
ρ— плотность воздуха;
u — индуктивная скорость уходящей струи в м/сек. Необходимо оговориться, что в рассмотренных случаях как для крыла самолета, так и для несущего винта вертолета за индуктивную скорость и принимается индуктивная скорость уходящей струи на каком-то удалении от несущей поверхности. Индуктивная скорость струи воздуха, возникающая на самой несущей поверхности имеет в два раза меньшую величину.
Такое толкование происхождения подъемной силы крыла или полной аэродинамической силы несущего винта не является совершенно точным и справедливо только в идеальном случае. Оно лишь принципиально правильно и наглядно объясняет физический смысл явления. Здесь же уместно отметить одно очень важное обстоятельство, вытекающее из разобранного примера.
Если полная аэродинамическая сила несущего винта выражается как произведение массы воздуха, протекающего через поверхность, ометаемую несущим винтом, на индуктивную скорость, а объем этой массы есть цилиндр, у которого основанием является площадь поверхности, ометаемой несущим винтом, и длиной — скорость полета, то совершенно ясно, что для создания тяги постоянной величины (например, равной весу вертолета) при большей скорости полета, а значит, и при большем объеме отбрасываемого воздуха, требуется меньшая индуктивная скорость и, следовательно, меньшая мощность двигателя.
Наоборот, для поддержания вертолета в воздухе при “висении” на месте требуется больше мощности, чем во время полета с некоторой поступательной скоростью, при которой имеет место встречный поток воздуха за счет движения вертолета.
Иными словами, при затрате одной и той же мощности (например, номинальной мощности двигателя) в случае наклонного полета с достаточно большой скоростью можно достичь большего потолка, чем при вертикальном подъеме, когда общая скорость перемещения вертолета меньше, чем в первом случае. Поэтому у вертолета имеется два потолка: статический, когда высота набирается в вертикальном полете, и динамический, когда высота набирается в наклонном полете, причем динамический потолок всегда выше статического.
По такому же принципу летают квадракоптеры и дроны. Они сейчас активно используются в зоне СВО.
Источники: https://oyla.xyz/article/kak-letaut-pticy-i-samolety
http://twistairclub.narod.ru/zagordan/glava1-1.htm
Заключение
Проделав данную работу, я узнал как летают птицы, самолёты и прочие летательные объекты. Также я научился делать индивидуальный проект. Спасибо зоологическому и этнографическому музею за поданную идею. Отдельная благодарность моему куратору, Ильясовой Елене Александровне за помощь в создании данной исследовательской работы.
На этом у меня всё, спасибо за внимание!