XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Установка для запуска бумажных самолетиков

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Катаев Р.П. 1Карпенко И.Д. 1Москвин С.М. 1Антипин Д.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Все мы хотя бы раз запускали бумажные самолётики, пытались ли вы понять строение и принцип его полета?  Мы решили изучить, какие законы физики используются при запуске самолетика.

Данная тема актуальна, так как она повышает интерес к изучению физики и доступна людям разных возрастов, даже не обладающих большими знаниями в области технических наук. Каждый человек должен иметь представление о физических явлениях и законах, с которыми непосредственно сталкивается в повседневной жизни с самого раннего детства.

Цель: создание пускового устройства бумажных самолетиков для формирования базовых знаний по физике

Задачи:

Изучить силы, воздействующие на полет бумажного самолетика

Создать устройство для точного запуска бумажных самолетиков

Создать программу для пускового устройства

Провести ряд экспериментов запуска бумажного самолетика (изменить силу и угол запуска)

При написании работы в рамках исследования мы использовали следующие источники: сайт об авиации (http://avia-simply.ru/), сайт Российской электронной школы (https://resh.edu.ru/). При создании механизма руководствовались книгой идей LEGO MINDSTORMS EV3 [1]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной 2 робототехнике. [2]

Глава 1. Физика бумажных самолетиков

Когда самолетик летит на него влияет четыре главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы заданной при запуске и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление).

Сила тяжести

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела. Причиной возникновения силы тяжести является явление всемирного тяготения. Это явление заключается в том, что все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Причем, чем больше массы тел, тем сильнее сила взаимного притяжения. (Рисунок 1.1.1, Приложения)

F = mg

F — сила тяжести [Н]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с2] [6]

На планете Земля g = 9,8 м/с

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Но разница все-таки есть, давайте разбираться. Эта формула и правда аналогична силе тяжести. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, разница состоит лишь в точке приложения силы. (Рисунок 1.1.2, Приложения) [4]

Большинство задач классической механики рассматриваются в поле тяготения Земли, поэтому определение силы тяжести, действующей на тело в этом поле – необходимость. И поэтому нужно понимать ее природу и уметь рассчитывать ее как на поверхности планеты, так и на высоте от нее.

Ньютоном было установлено, что любые тела испытывают друг к другу притяжение, и оно тем сильнее, чем ближе тела друг к другу расположены. Часто говорят, что всё началось с истории о яблоке. (Рисунок 1.1.3, Приложения)

На бумажный самолетик действуют несколько сил. Одна из них сила тяжести. Она приложена к центру самолетика и направлена вертикально вниз. Эта сила уравновешивается равнодействующей всех сил действующих со стороны воздуха.

Сила тяжести остается всегда одинаковой, на земле ли самолет или в воздухе, и поэтому приятно знать, что эта постоянная сила всегда с нами.

Сила, заданная при запуске

Ускорение, приобретаемое телом в результате воздействия на него, прямо пропорциональная силе и обратно пропорционально массе тела:

а = F/m

a – ускорение

F – сила воздействия

m – масса тела

Это означает, что ускорение связано с приложенной силой прямо пропорционально.

Чем больше сила воздействия, тем большее ускорение приобретает тело. Масса тела также напрямую связана с ускорением, приобретаемым телом в результате воздействия силы. При этом масса обратно пропорциональна полученному ускорению. Чем больше масса, тем меньше будет величина ускорения.

Бумажный самолетик подчиняется второму закону Ньютона и его дальность полета зависит от заданной силы при запуске и массы самолетика.

Из этого можно сделать вывод, что самолетик должен быть легким, первоначально придать самолетику большую силу. [6]

1.3. Угол атаки и подъемная сила

Угол атаки - это угол между направлением скорости набегающего на тело потока и характерным продольным направлением, выбранным на теле. (Рисунок 1.3.1, Приложения)

Угол атаки не существует без ветра, а также без движения объекта. следовательно, если самолет стоит, то угла атаки там нет.

Есть угол, который способствует попаданию воздуха под самолет, крыло, и рассчитан угол относительно центральной оси тела самолета. Угол атаки влияет на подъемную силу, а подъемная сила, в свою очередь, влияет на способность поднятия тяжести в воздух. (Рисунок 1.3.2., Приложения)

Подъемная сила возникает из-за разницы скорости потоков воздуха над объектом и под объектом. В связи с изменением угла изменяется подъемная сила. Идеальным считается угол атаки в 5 градусов, максимальный угол атаки 9 градусов, после увеличения которого будут происходить вихревые движения воздуха, тормозящие объект или же вообще, способствующие падению.[3]

Для каждого самолёта есть таблица нормальных и предельных углов атаки. Лётчики знают её для своего конкретного самолёта наизусть. Ибо превысить разрешённый угол атаки очень просто на низких скоростях - например, при посадке. (Рисунок 1.3.3, Приложения)

А почему летает бумажный самолет ведь у него нет такого профиля крыла как у настоящего?
Крыло ровное, но во время полета оно располагается под некоторым углом к потоку воздуха, отчего возникает примерно тот же эффект, что и у профильного крыла, т.е. образуется угол атаки.

1.4 Сила лобового сопротивления

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах.

Сила сопротивления всегда направлена против вектора скорости тела в среде и вместе с подъёмной силой являются составляющей полной аэродинамической силы.

Сила сопротивления всегда направлена против вектора скорости тела в среде и вместе с подъёмной силой являются составляющей полной аэродинамической силы.

Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе (вредное сопротивление) и индуктивного сопротивления. Вредное сопротивление возникает в результате воздействия скоростного напора воздуха на элементы конструкции самолета (все выступающие части самолетика создают вредное сопротивление при движении сквозь воздух). Кроме того, в местах соединения крыла и «тела» самолетика, а также у хвостовой части возникают завихрения воздушного потока, которые также дают вредное сопротивление. Вредное сопротивление увеличивается как квадрат ускорения самолета (если вы увеличиваете скорость в два раза, вредное сопротивление возрастает в четыре раза).

Глава 2. Практическая часть

2.1. Создание пускового устройства бумажных самолетиков на базе конструктора Lego Mindstorms

Для проведения исследований полета бумажных самолетиков нами была собрана пусковая установка на базе конструктора Lego Mindstorms.(Рисунок 2.1.1, Приложения)

В первую очередь мы создали механизм, который будет повышать скорость моторов и выводить на колеса с шинами, для сцепления с самолетиком. Работает механизм от большого мотора, всего их два. Каждый мотор вращает большую шестерню на 40 зубьев. Оно передает вращение на маленькое коническое колесо (12 зубьев), тем самым увеличивая скорость. Коническая шестерня передает вращение с помощью оси на среднее зубчатое колесо (24 зубьев), которое приходит в сцепление в малой прямозубой шестерней на 8 зубьев, дополнительно увеличивая скорость в три раза. С помощью оси на малую шестерню закрепили большое колесо.

Далее мы закрепили к блоку EV3 большие моторы. Моторы, расположены на балке, длиной в 15 модулей. Они установлены на серые штифты, поэтому свободно вращаются. Это необходимо для их сцепления с самолетиком. (Рисунок 2.1.2, Приложения)

С помощью системы рычагов, мы присоединили большие моторы к среднему. Средний мотор приводит в движение шестерню, она же является рычагом, приводя в движение остальные. Всего 4 рычага. Таким образом, средний мотор с помощью системы рычагов сводит большие моторы, которые вращают колеса, и запускаю самолетик. (Рисунок 2.1.3, Приложения)

Установка оборудована направляющими балками, которые задают направление самолетику.

Дополнительно на рычаг мы установили гироскопический датчик, который передает сигнал на средний мотор, то есть соединяет и разъединяет большие.

2.2. Создание программы в ПО Lego Mindstorms

Программа для пускового устройства самолетика состоит из четырех частей. (Рисунок 2.2.1, Приложения)

Первая часть отвечает за средний мотор, а именно сдвигает и раздвигает рычаги, к которым крепятся большие моторы. Управляется средний мотор с помощью гироскопического датчика. В начале программы мы сбрасываем значение датчика, тем самым обнуляя его. Далее программа ожидает, когда значение датчика будет меньше нуля, для этого необходимо наклонить рычаг от себя, после срабатывает средний мотор по часовой стрелке. Следующий программный блок ожидает, когда значение будет больше нуля, тогда средний мотор срабатывает против часовой стрелки.

Вторая и третья часть программы отвечает за регулировку скорости больших моторов. Скорость настраивается с помощью кнопок «вверх» и «вниз» на программируемом блоке EV3. В начале мы записываем в переменную «Speed» числовое значение 0, после, программа ожидает нажатия на одну из кнопок, после чего значение увеличивается или уменьшается на 1. Кнопа «вверх» - увеличивает, кнопка «вниз» - уменьшает. Далее записываем новое значение в переменную «Speed».

Четвертая часть программы отвечает за передачу вычисленной скорости ранее на большие моторы. Программа считывает переменную «Speed» и отправляет на блок «Рулевое управление».

2.3. Запуск бумажного самолетика

Для проведения экспериментов мы создали два планера: большой и маленький. (Рисунок 2.3.1, Приложения). Провели исследование дальности полета с учетом угла бросания и силы, заданной при запуске. (Рисунок 2.3.2, Приложения)

2.3.1. Исследование дальности полета и времени полета с учетом угла бросания и фиксированной силой

Вывод №1. Под углом в 30 градусов длительность и дальность полета увеличивается.

2.3.2. Исследование дальности полета и времени полета с учетом силы и фиксированным углом бросания

Вывод №2. Когда мы подействовали на самолетик с небольшой скоростью моторов, то есть приложили малую силу при запуске, он ускорился не очень сильно и пролетел наименьшее расстояние. При увеличении силы воздействия, самолетик приобрел гораздо большее ускорение. То есть, ускорение связано с приложенной силой.

Вывод №3. Исходя из размера самолетика, можно сделать вывод, что чем легче самолетик, тем дальше он летит. Масса тела напрямую связана с ускорением.

Заключение

Мы создали пусковое устройство для бумажных самолетиков, для того чтобы человека можно было не только увлечь, но и направить его мысли на изучение физики. 

При создании конструкции мы использовали программируемый блок EV3, большие моторы, средний мотор и гироскопический датчик. Модель приводится в движение с помощью сложных механизмов, таких как зубчатая передача и система рычагов.

В ходе исследования мы провели ряд эксперементов для измерения дальности и времени полета с учетом угла бросания и прикладываемой силы.

Мы сделали выводы, чтобы запустить самолетик на максимальную дистанцию, необходимо:

Запустить его под углом, чтобы возникла подъемная сила

Увеличить силу воздействия при запуске

Масса тела напрямую связана с ускорением, самолетик должен быть легким

Наша работа будет полезна на уроках физики при изучении законов Ньютона, а также законов аэродинамики.

Модель можно использовать на уроках робототехнике, при изучении сложных механизмов и программирования, в особенности изучения переменных.

Список использованной литературы

1. Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3. 181 удивительный механизм и устройство / Йошихито Исогава ; [пер. с англ. О.В. Обручева]. – Москва : Издательство «Э», 2017. – 232 с.

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с

http://avia-simply.ru/podjemnaja-sila/

https://skysmart.ru/articles/physics/sila-tyazhosti

https://rosuchebnik.ru/material/fizika-v-dvizhenii-samoleta-7339/

https://resh.edu.ru/subject/28/

Приложения