XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Почему летает самолет
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Несколько раз за свою жизнь отправляясь с родителями в отпуск я летал на пассажирских самолетах. Гуляя во дворе или в парке в своем городе я часто видел в небе пролетающие военные и гражданские самолеты. Самолеты уже на протяжении многих лет прочно вошли в нашу жизнь как что-то само собой разумеющееся, но когда-то давно изобретение летательного аппарата стало величайшим открытием в науке и технике. В моей голове не мог не возникнуть вопрос о том, за счет чего такие огромные тяжелые машины могут летать в небе легко как птицы. Я решил заняться изучением этой темы, погрузиться в историю создания первых летательных аппаратов, понять основы конструирования самолетов, провести некоторые эксперименты для наглядного понимания теоретических аспектов.
Цель работы – понять за счет чего самолет удерживается в воздухе.
Для достижения цели был поставлен ряд задач:
-
изучить историю создания летательных аппаратов;
-
разобраться в конструктивных особенностях самолетов;
-
изучить физические основы полета самолета;
-
провести опыты для понимания природы сил, удерживающих самолет в воздухе;
-
сделать выводы на основании изученного материала.
Гипотеза исследования – если самолет летает, то ему помогают какие-то силы.
Используемые методы: в ходе проведения исследования были использованы теоретические и экспериментальные методы изучения вопроса.
История создания летательных аппаратов
Слово «авиация» происходит от латинского «авис», в переводе – «птица». Авиация – это раздел науки и техники, посвящённый полётам летательных аппаратов тяжелее воздуха.
О полётах люди грезили с незапамятных времен, с восхищением и завистью наблюдая за птицами, легко и свободно парящими высоко в небесах. Например, в 1020 г. английский монах Эйлмер из Малмсбери, вдохновленный греческим мифом об Икаре, сделал искусственные крылья и спрыгнул с башни местного аббатства. Пролетев небольшое расстояние, при приземлении монах сломал ноги и хотел усовершенствовать конструкцию добавив хвост, но аббат запретил ему это. Большинство изобретателей заканчивали куда хуже – разбивались насмерть. С чего же все-таки началась история успешных полетов?
Первый прототип летательного аппарата появился в древнем Китае еще в 3-4 веках до н.э. им стал воздушный змей. Поначалу он использовался как красочное украшение на праздниках (рис.1).
Рис.1 Первые воздушные змеи в Китае
По прошествии времени воздушными змеями стали пользоваться рыбаки, которые привязывали к ним наживку для ловли рыбы. Применяли воздушных змеев и для обмена сигналами на значительных расстояниях и для передачи писем и сообщений.
Мысль о полете на воздушном змее так же посещала китайцев, но затея была довольно опасной. Так в 559 году император Ци Вэньсюанди придумал способ казни своих противников – запускать их на больших воздушных змеях. Один из таких полетов завершился удачно, пролетев несколько километров, осужденный приземлился за пределами города.
Прошло не одно тысячелетие, прежде чем, были совершены первые полеты на дельтапланах, хотя их конструкция весьма схожа с китайским воздушным змеем. Отто Лилиенталь стал первопроходцем в дельтапланеризме в конце 19 века, совершив более 2000 удачных полетов на планерах, которые сам сконструировал (рис.2). Каркасом служили деревянные прутья, а в качестве полотна использовалась шелковая ткань, аналогично китайским воздушным змеям.
Рис.2 Полет на планере
Однажды порыв ветра перевернул планер Лилиенталя, что привело к падению и травме позвоночника. Современные же дельтапланы появились только в 70-ые годы 20 столетия.
Простейшим способом подняться в воздух до появления самолетов и вертолетов были летательные аппараты легче воздуха, представителями которых, являются воздушный шар и дирижабль. Здесь также история возвращает нас в Китай, где в 3 веке до н.э. были придуманы воздушные фонарики. Фонарик был сделан из рисовой бумаги, а внутри размещалась небольшая горелка (рис.3).
Рис. 3 Воздушный фонарик
Китайцы использовали фонарики в церемониальных действиях и для подачи сигналов. И только по прошествии тысячелетий был изобретен воздушный шар.
Французы братья Монгольфье признаны изобретателями воздушного шара. Для братьев прототипом воздушного шара было облако, которое они хотели поместить в мешок. Они наполняли шары дымом от сожжения смеси соломы и мокрой шерсти чтобы поднять этот мешок в воздух. Их попытки увенчались успехом. 4 июня 1783 года они произвели демонстрацию воздушного шара для жителей своего города. Первыми пассажирами воздушного шара стали овца, утка и петух, а уже 19 октября 1783 года полет на воздушном шаре совершил человек (рис.4).
Рис.4 Воздушный шар братьев Монгольфье
Большим недостатком воздушного шара была зависимость полета от направления ветра. Этот минус можно было устранить если установить двигатель на летательный аппарат. Такие попытки были, но понадобилось более ста лет для того, чтобы человек смог совершить первый управляемый полет.
Дирижабль, способный свободно перемещаться в любом направлении в 1844 году смогли сконструировать французы Шарль Ренар и Артур Кребс. Их дирижабль работал на электрическом двигателе и имел удлиненную форму (рис.5).
Рис.5 Дирижабль Ренара и Кребса
Многочисленные попытки изобрести самолет оснастив двигателем планер долгое время не приводили к успеху. Одним из вариантов был самолет русского контр-адмирала Можайского. Паровые двигатели, которые изобретатель пытался установить на планеры были слишком тяжелыми, чтобы удержать их в воздухе (рис.6). Идеи Можайского не нашли поддержки у чиновников, которые отказались финансировать его проекты, в результате потратив все свои деньги, продав имение он умер от болезни в нищете.
Рис.6 Самолет Можайского
В 1903 году, через 13 лет после смерти Можайского первый полет на самолете совершили американцы братья Райт. Они и считаются всеми признанными изобретателями самолета. 17 декабря 1903 года состоялся первый документально подтвержденный полет самолета, сконструированного братьями Райт. Братья Райт установили на свою крылатую машину новейшее изобретение того времени – автомобильный двигатель внутреннего сгорания (рис.7). Это было очень правильное и важное решение. Ведь в результате у них получился летательный аппарат тяжелее воздуха, с неподвижным крылом и с двигателем. Первый полёт длился всего 12 секунд. Но это был первый управляемый полёт на аппарате тяжелее воздуха. С этого момента в истории человечества началась эра авиации.
Рис.7 самолет братьев Райт
В Америке, Англии, Франции авиастроители придумывали самолёты самых разных конструкций. Авиаконструкторы всегда располагали два крыла одно над другим.
В 1909 г. российское правительство, наконец, осознало важность изобретений в области авиации. Оно отказалось покупать самолет братьев Райт и приняло решение о создании собственного самолета. В 1910 году собрал первый российский аэроплан и совершил на нем полет профессор Александр Кудашев (рис.8).
Рис.8 Самолет Кудашева
Конструктивные особенности самолетов
Самолет – воздушное судно, предназначенное для полётов в атмосфере с помощью силовой установки, создающей тягу, и неподвижного, относительно других частей аппарата крыла, создающего подъемную силу. Неподвижное крыло отличает самолет от махолета (орнитоптера) и вертолета, а наличие двигателя - от планера. От дирижабля и аэростата самолет отличается тем, что использует аэродинамический, а не аэростатический способ создания подъемной силы.
Слово «самолет» применялось для обозначения летательных аппаратов еще в 19 веке. В 1857 году капитан 1-го ранга Н.М.Соковнин использовал это слово для обозначения управляемого аэростата.
Конструкция самолёта наиболее часто представляет собой планер, состоящий из фюзеляжа, крыла и хвостового оперения, оснащенный двигателем и шасси. Современные самолеты также оборудуют авионикой (авиационное оборудование).
Рис.9 Строение самолета
Одним из самых первых и знаменитых авиаконструкторов был француз Луи Блерио. Его самолёты-монопланы прославились на весь мир (рис.10).
Рис.10 Самолет Луи Блерио
Физические основы полета самолета
В начале ХХ века начала развиваться новая наука - аэродинамика. В переводе с греческого «аэро» – «воздух», «динамис» – «сила». Аэродинамика – наука, которая изучает законы движения в воздухе. В первую очередь эта новая наука должна была ответить на важные вопросы: почему появляется подъёмная сила, как сделать её больше, и какая форма крыла для этого нужна. Великий российский учёный Николай Егорович Жуковский смог открыть важнейшие законы аэродинамики. Им была получена формула подъемной силы (формула Жуковского) по которой рассчитываются все самолеты в мире.
су- коэффициент подъемной силы
ρ -плотность воздуха
V – скорость
S – площадь крыла
Самолеты весят значительно больше вытесняемого ими воздуха. Что же их удерживает в небе? Оказывается, им помогает подъемная сила. Но она работает лишь в том случае, если самолет движется в воздухе с большой скоростью.
При полете самолета скорость потока над крылом больше, чем под крылом из-за разной длины профиля крыла сверху и снизу (воздух за одно время должен пройти разный путь). Это приводит к понижению давления сверху и повышению снизу. Разница давлений и создает подъемную силу. P1> P2
Рис.11 Схема возникновения подъемной силы крыла
Когда подъемная сила становится больше силы тяжести, самолет набирает высоту. Скорость самолета зависит от массы, площади крыла, обтекаемости фюзеляжа, многих других факторов и ограничивается лобовым сопротивлением воздуха, которое двигатели должны постоянно преодолевать. Чем выше самолет поднимается над землей, тем меньше давление и плотность атмосферного воздуха, тем легче самолету преодолевать его сопротивление.
Для создания подъемной силы крылья самолета должны иметь особый профиль, а сам самолет должен двигаться вперед. Большое значение имеет форма поперечного сечения крыла, столетие назад крылья делали плоскими и устанавливали их под углом. Братья Райт сделали крылья своего самолета с изогнутым профилем.
Рис.12 Схема сил при горизонтальном полете самолета
Силы, действующие на самолет, рассматривают приложенными в центре масс (тяжести) ЦТ. Вперед тянет сила тяги двигателя P, она преодолевает силу лобового сопротивления X. Подъемная сила Y преодолевает вес самолета G. При равенстве P=X и Y=G самолет летит горизонтально и прямолинейно.
При увеличении тяги P возрастет скорость и подъемная сила, и самолет будет набирать высоту. При уменьшении тяги – снижаться.
Толстые металлические крылья бомбардировщиков Второй мировой войны создавали подъемную силу даже на малых скоростях. У современных самолетов крылья значительно тоньше и их оснащают механизацией - предкрылками и закрылками, которые используются при взлете и посадке. При выпуске механизации увеличивается кривизна профиля (при этом растет су- коэффициент подъемной силы) и площадь крыла S, так как закрылки обычно выдвигаются назад и отклоняются вниз, а предкрылки вперед и вниз. Это позволяет самолетам взлетать и садиться с меньшими скоростями, что безопаснее и не требует большой длины аэродрома.
Двигатели
Раньше в самолётах были поршневые двигатели — такие же, как у автомобилей, только громче. Они вращали большие «вентиляторы» — пропеллеры, которые загребали воздух лопастями, словно варенье ложками, и разгоняли самолёт. Но с ними самолёты летали медленно — не быстрее современной гоночной машины.
Всё изменилось с изобретением реактивного двигателя. Здесь нет пропеллеров и лопастей: со свистом выбрасывая струю горячего газа назад, он тянет самолёт вперёд, создавая реактивную тягу. В ясный день высоко в небе можно увидеть след реактивной струи пролетевшего самолёта. Она вылетает с такой силой, что на земле может легко перевернуть грузовик! Неудивительно, что реактивные самолёты могут летать со скоростью более 2000 км/ч!
Экспериментальная часть
Опыт №1: Подъёмную силу легко ощутить, запуская в безветренный день воздушного змея — самый простой и древний летательный аппарат. Чтобы змей летел, нужно хорошо разбежаться и тянуть его за собой. Набрав скорость, змей взлетает и плывёт в потоке воздуха, словно в реке: над землёй его удерживает подъёмная сила. Но стоит остановиться, и змей упадёт на землю: чтобы подъёмная сила действовала, нужна определённая скорость.
Рис.13 Действие подъемной силы на полотно воздушного змея
Почему же летает воздушный змей? Воздушный поток, обтекая его, сильнее давит на его нижнюю поверхность. В то же время над верхней поверхностью получается разрежение. Подъемная сила и возникает вследствие разности давлений.
Опыт №2: Реактивную тягу можно создать даже дома, из подручных средств. Развяжите надутый воздушный шарик, и он на несколько секунд превратится в «реактивный двигатель». Воздушная струя резко вырвет шарик из рук и отправит его в увлекательный, пусть и недолгий полет по комнате.
Рис.14 Реактивная тяга воздушного шарика
Заключение
Работая над проектом, я узнал об истории создания самолета, узнал, что первый летающий самолет построили братья Райт, а профессор Жуковский считается отцом русской авиации. Я понял, что летать самолету помогает подъемная сила, а не волшебство, и чтобы стать специалистом в авиации надо много и упорно учиться.
Библиографический список
-
Качур Е. Самолеты и авиация: «Манн, Иванов и Фербер», 2021 г. – 80 с.
-
Гийоре М.Р. Твоя первая энциклопедия. Самолёты: «Махаон», 2016 г. -128 с.
-
Кудишин И.В. Самолеты. Детская энциклопедия техники: «Росмэн», 2005 г. – 104 с.
-
https://tolmachevo.ru/name/pokryshkin/aviatsiya-dlya-detey/
-
https://allforchildren.ru/sci/index_physics.php
-
http://avia-simply.ru/podjemnaja-sila/
-
https://www.istmira.com/novosti-istorii/17987-istorija-vozdushnogo-transporta-dlja-detej.html