XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Как поймать ветер

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лапин Л.А. 1

---

1МБОУ ШР Гимназия

Полещук В.В. 1

---

1МБОУ ШР Гимназия

Работа в формате PDF

3.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Парашюты, как одно из величайших изобретений человечества, играют ключевую роль в обеспечении безопасности и эффективности в различных сферах деятельности, включая авиацию, космонавтику, военное дело и экстремальные виды спорта. История создания и развития парашютов насчитывает несколько столетий, начиная с первых теоретических разработок Леонардо да Винчи и заканчивая современными высокотехнологичными системами, способными обеспечить управляемое снижение и посадку в экстремальных условиях.

Актуальность исследования парашютов обусловлена постоянным совершенствованием их конструкции, материалов и принципов работы, что позволяет расширять области их применения и повышать надежность. Современные парашютные системы должны соответствовать строгим требованиям безопасности, эффективности и адаптивности к различным условиям эксплуатации.

Целью данной научно-исследовательской работы является анализ эволюции парашютных систем, изучение их конструктивных особенностей. В рамках работы будут рассмотрены физические принципы работы парашютов, материалы, используемые для их изготовления, а также история возникновения и развития парашютизма.

Проведенное исследование позволит расширить систематизировать знания о парашютах.

Гипотеза исследования – если с парашютом груз падает медленнее чем без него, то ему помогают какие-то силы, возникающие из-за наличия купола.

Используемые методы: в ходе проведения исследования были использованы теоретические и экспериментальные методы изучения вопроса.

1. История создания и развития парашюта

Парашют — это устройство, предназначенное для замедления движения объекта в атмосфере за счёт сопротивления воздуха.

Слово «парашют» пришло в русский язык из французского, где оно звучит как «parachute». Его происхождение связано с двумя частями:

«Para-» — от французского глагола «parer» (защищать, предотвращать), восходящего к латинскому «parare» (готовить, защищать).

«-chute» — от французского слова «chute» (падение).

Таким образом, «parachute» буквально означает «против падения» или «устройство, предотвращающее падение».

1.1 Истоки идеи парашютирования

Идея создания устройства, способного замедлить падение человека или объекта с большой высоты, уходит корнями в глубокую древность. Первые упоминания о подобных концепциях можно найти в китайских хрониках, где описываются зонтики, используемые для прыжков с высоких сооружений (Приложение 1, рис.1). Однако, эти устройства были примитивными и не обеспечивали безопасного спуска.

В Европе первые наброски парашюта появились в эпоху Возрождения. Леонардо да Винчи в 1483 году создал эскиз устройства, напоминающего современный парашют (Приложение 1, рис.2). Его конструкция представляла собой пирамидальную тканевую структуру, которая, по замыслу изобретателя, могла замедлить падение человека. Хотя да Винчи не построил свой парашют, его идеи стали важным шагом в развитии концепции.

1.2 Первые практические реализации

Первый документально подтвержденный прыжок с парашютом был совершен в 1617 году хорватским изобретателем Фаусто Веранцио. Он использовал квадратный парус, прикрепленный к деревянной раме, и успешно спустился с башни в Венеции (Приложение 2, рис.1). Это событие стало важной вехой в истории парашютостроения, хотя устройство Веранцио было далеко от совершенства.

В XVIII веке французский физик Луи-Себастьян Ленорман усовершенствовал конструкцию парашюта, используя шелковую ткань и деревянные распорки (Приложение 2, Рис.2). В 1783 году он совершил несколько успешных прыжков с высоких зданий, что привлекло внимание научного сообщества. Однако его изобретение не получило широкого распространения из-за ограниченной практической применимости.

1.3 Развитие парашюта в XIX веке

Следующий этап развития парашюта связан с именем французского воздухоплавателя Андре-Жака Гарнерена. В 1797 году он совершил первый в истории прыжок с парашютом с воздушного шара (Приложение 3, рис.1). Гарнерен использовал парашют из шелковой ткани, который раскрывался вручную. Его успешные прыжки доказали, что парашют может быть эффективным средством спасения при авариях в воздухе.

В XIX веке парашюты стали активно использоваться в воздухоплавании. Однако их конструкция оставалась несовершенной: они были громоздкими, тяжелыми и ненадежными. Только к концу века, с развитием авиации, возникла необходимость в создании более компактных и безопасных парашютов.

1.4 Современный этап развития парашюта

Начало XX века ознаменовалось бурным развитием авиации, что привело к необходимости создания надежных парашютов для пилотов. В 1911 году русский изобретатель Глеб Котельников разработал первый ранцевый парашют, который можно было носить на спине (Приложение 3, рис.2). Его конструкция включала металлический ранец, шелковый купол и вытяжное кольцо. Парашют Котельникова стал прообразом современных парашютов и был принят на вооружение в ряде стран.

В 1920-х годах парашюты стали активно использоваться в военной авиации, а также для спортивных прыжков. В этот период были разработаны новые материалы и технологии, которые позволили сделать парашюты более легкими, прочными и надежными. Появились автоматические устройства для раскрытия парашюта, что значительно повысило безопасность прыжков.

1.5 Парашюты в современной авиации и космонавтике

С развитием реактивной авиации и космонавтики парашюты стали неотъемлемой частью систем спасения. В 1960-х годах были разработаны парашюты для катапультируемых кресел, которые позволяли пилотам безопасно покидать самолет на больших скоростях. В космонавтике парашюты используются для посадки спускаемых аппаратов и космических кораблей.

Современные парашюты изготавливаются из высокопрочных синтетических материалов, таких как нейлон и кевлар. Они обладают высокой надежностью и могут использоваться в экстремальных условиях. Кроме того, развитие компьютерных технологий позволило создать управляемые парашюты, которые обеспечивают точное приземление.

1.6 Заключение

История создания и развития парашюта является ярким примером того, как научные идеи и технические инновации могут спасать жизни. От примитивных конструкций до современных высокотехнологичных систем парашют прошел долгий путь, став неотъемлемой частью авиации, космонавтики и спорта. Дальнейшее развитие парашютных технологий открывает новые перспективы для их применения в различных областях человеческой деятельности.

2. Конструктивные особенности парашюта

Парашют — это устройство, предназначенное для замедления движения объекта в воздухе за счет создания сопротивления. Он широко используется в авиации, космонавтике, спорте и других областях. Конструкция парашюта должна обеспечивать надежность, безопасность и эффективность его работы. В данной главе рассматриваются основные элементы конструкции парашюта, их функции и принципы взаимодействия (Приложение 4, рис.1).

2.1 Основные элементы конструкции парашюта

Купол

Купол является основной частью парашюта, создающей сопротивление воздушному потоку. Он изготавливается из прочных, легких и устойчивых к воздействию внешних факторов материалов, таких как нейлон или полиэстер. Форма купола может варьироваться в зависимости от назначения парашюта:

• Круглые купола — традиционная форма, обеспечивающая стабильное снижение (Приложение 4, рис.2).

• Прямоугольные (крылообразные) купола — используются в спортивных парашютах для управления скоростью и направлением полета (Приложение 5, рис.1).

Стропы

Стропы — это тонкие, но прочные тросы, соединяющие купол с подвесной системой. Они изготавливаются из синтетических материалов, таких как кевлар или дайнима. Стропы выполняют следующие функции:

• Передают нагрузку от купола к подвесной системе.

• Позволяют управлять формой купола и направлением движения.

Подвесная система

Подвесная система представляет собой набор ремней и креплений, которые фиксируют парашютиста или груз к парашюту. Она включает:

• Лямки — регулируемые ремни, обеспечивающие комфорт и безопасность.

• Карабины — металлические крепления для соединения строп с подвесной системой.

• Резервный парашют — дополнительная система, используемая в случае отказа основного парашюта.

Ранец

Ранец — это контейнер, в котором укладываются купол и стропы. Он изготавливается из прочных материалов и оснащается запасным парашютом. Ранцы могут быть:

• Стандартными — для базового использования.

• Специализированными — для спортивных или военных целей.

Вытяжное устройство

Вытяжное устройство (пилотный парашют) — это небольшой парашют, который вытягивает основной купол из ранца. Оно обеспечивает:

• Надежное раскрытие основного парашюта.

• Минимизацию времени раскрытия.

Конструкция парашюта представляет собой сложную систему, каждый элемент которой играет важную роль в обеспечении безопасности и эффективности. Понимание принципов работы и особенностей конструкции позволяет разрабатывать более совершенные модели, отвечающие современным требованиям.

3. Физические основы полета парашюта

Рассмотрим физические основы полета парашюта, включая аэродинамические силы, уравнения движения и факторы, влияющие на устойчивость и управляемость парашютной системы.

3.1 Аэродинамическое сопротивление

Основной силой, обеспечивающей замедление падения парашюта, является сила аэродинамического сопротивления (Приложение 5, рис.2). Эта сила возникает вследствие взаимодействия купола парашюта с воздушной средой. Сила сопротивления воздуха Fd может быть выражена следующим уравнением:

Fd — сила сопротивления; 

ρ — плотность воздуха; 

v — скорость спуска; 

S — площадь парашюта; 

Cd — коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления парашюта зависит от площади поверхности купола, структуры воздушного потока вокруг купола, формы купола и проницаемости его ткани (то есть плотности ткани, из которой сделан парашют). Также он зависит от скорости спуска, характеристик планирования парашюта и длины строп.

Кроме силы сопротивления, на парашют действует сила тяжести Fg​(Приложение 5, рис.2), которая определяется массой системы m и ускорением свободного падения g=9,8 м/с²:

Fg=m⋅g.

3.2 Терминальная скорость

Движение парашюта описывается вторым законом Ньютона. В начальный момент времени, когда парашют только раскрывается, сила тяжести преобладает над силой сопротивления, и система движется с ускорением. По мере увеличения скорости падения сила сопротивления возрастает, и в конечном итоге наступает момент, когда силы сопротивления и тяжести уравновешиваются. Это состояние называется установившимся режимом падения, при котором ускорение системы становится равным нулю, и парашют движется с постоянной скоростью vt (терминальная скорость).

Формула скорости парашюта в установившемся режиме (при постоянной скорости) выводится из равенства действующих на него сил:

где,

m – масса парашютиста с парашютом

g – ускорение свободного падения

С – коэффициент лобового сопротивления (зависит от формы парашюта)

S – площадь купола

v – скорость движения парашюта

ρ — плотность воздуха; 

3.2 Факторы, влияющие на полет парашюта

На полет парашюта влияют несколько ключевых факторов:

Площадь купола: чем больше площадь купола, тем выше сила сопротивления и ниже терминальная скорость.

Форма купола: Коэффициент сопротивления Cd зависит от формы купола. Например, круглые парашюты имеют более высокий коэффициент сопротивления по сравнению с эллиптическими.

Плотность воздуха: с увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, что приводит к снижению силы сопротивления и увеличению терминальной скорости.

Масса системы: чем больше масса парашютиста и оборудования, тем выше терминальная скорость.

Устойчивость и управляемость: Конструкция парашюта должна обеспечивать устойчивость в полете, предотвращая вращение или опрокидывание купола. Управляемость достигается за счет использования строп и специальных отверстий в куполе, позволяющих изменять направление движения.

Физические основы полета парашюта базируются на законах аэродинамики и механики. Понимание этих принципов позволяет проектировать парашютные системы с оптимальными характеристиками, обеспечивающими безопасное и управляемое снижение.

4. Материалы, используемые в производстве парашютов

Парашюты, как сложные инженерные системы, требуют тщательного подбора материалов для обеспечения безопасности, надежности и эффективности. Выбор материалов определяется их механическими свойствами, устойчивостью к внешним воздействиям и аэродинамическими характеристиками. В данной главе рассматриваются основные материалы, применяемые при изготовлении куполов, строп, элементов усиления, а также современные инновационные разработки.

4.1 Материалы для купола

Купол — ключевая часть парашюта, отвечающая за создание аэродинамического сопротивления. Основные требования к материалам: высокая прочность на разрыв, малый вес, устойчивость к ультрафиолету и истиранию.

• Нейлон: наиболее распространенный материал, особенно рипстоп-нейлон. Его структура с усиленной сеткой предотвращает распространение разрывов. Обладает высокой прочностью (до 5000 Н/5 см), легкостью (40-100 г/м²) и устойчивостью к деформации.

• Полиэстер: используется реже, преимущественно в запасных парашютах. Уступает нейлону в эластичности, но более устойчив к влаге и химическим воздействиям.

• Современные мембранные материалы: например, Zero-Porosity Fabric (ZP), покрытый силиконовым слоем для снижения воздухопроницаемости. Это улучшает управляемость и скорость снижения.

4.2 Материалы для строп и элементов крепления
Стропы должны выдерживать динамические нагрузки, сохраняя гибкость.

• Кевлар (арамидное волокно): Высокая прочность (до 3600 МПа) и термостойкость, но подвержен истиранию. Применяется в скоростных и спортивных парашютах.

• Дайнима (UHMWPE): Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Легче кевлара, устойчив к влаге и химии, но имеет низкую температуру плавления.

• Вектран: Жесткий и устойчивый к УФ-излучению, но менее гибкий.

Таблица 4.2.1 Сравнительный анализ материалов

4.3 Заключение

Выбор материалов для парашютов определяется балансом между прочностью, весом и эксплуатационными требованиями. Современные тенденции ориентированы на внедрение композитов и «умных» тканей, что открывает новые возможности для аэродинамики и безопасности. Однако традиционные материалы, такие как нейлон и арамиды, остаются основой благодаря проверенной надежности и оптимальным характеристикам.

Экспериментальная часть

Для наглядного понимания принципов работы парашюта я провел ряд экспериментов.

Эксперимент №1

Цель: понять, как сопротивление воздуха замедляет падение.

Описание: я вырезал квадратный купол из полиэтиленового пакета, прикрепил нитки к углам купола и зафиксировал груз в виде лего-человечка (приложение 6 рис.1,2). Я сбросил груз без парашюта с высоты и засек время, затем сбросил парашют с грузом с той же высоты и засек время падения.

Результат: груз с парашютом падал медленнее, чем без парашюта.

Вывод: парашют увеличивает сопротивление воздуха, уменьшая скорость падения.

Эксперимент №2

Цель: изучить как площадь поверхности влияет на скорость

Описание: я сделал 2 парашюта разного размера 20х20 см и 30х30 см (приложение 7 рис.1,2), использовал одинаковый материал (полиэтилен) и груз (лего-человечк). Сбросив парашюты с одинаковой высоты, я засек время падения.

Вывод: Больший купол создает большее сопротивление, замедляя падение сильнее.

Эксперимент №3

Цель: определить какая форма купола обеспечивает большую стабильность

Описание: я сделал 2 варианта формы парашюта: круглый и квадратный, сбросил каждый парашют с одинаковой высоты и наблюдал как они падают (приложение 8 рис.1,2).

Результат: круглый купол оказался стабильнее

Эксперимент №4

Цель: изучить влияние материала на сопротивление.

Описание: я сделал 3 варианта парашюта: из бумаги, из полиэтилена и из хлопковой ткани, сбросил каждый парашют с одинаковой высоты и засек время падения

Результат: парашют из бумаги падал медленнее

Вывод: легкие, но прочные материалы эффективнее замедляют падение.

Заключение

В своей исследовательской работе я изучил, как устроены парашюты и почему они так важны. Я узнал, что форма и размер парашюта влияют на скорость снижения: чем больше площадь купола, тем медленнее падает предмет. Это подтвердили мои эксперименты с разными моделями парашютов из бумаги, ткани и полиэтилена.

Также я выяснил, что материал для парашюта должен быть прочным, но легким, чтобы выдерживать нагрузку и не рваться. Ещё мне понравилось узнавать историю парашютов — оказывается, их придумали очень давно, а прообразом современных парашютов стал ранцевый парашют русского изобретателя Котельникова.

Эта работа помогла мне понять, как наука и изобретения делают наш мир безопаснее. Мне было очень интересно проводить опыты и фиксировать результаты. В будущем я хочу узнать ещё больше о физике и технике, чтобы самому создавать полезные изобретения.

Библиографический список

1. Голубев В. А., Парашюты. Шаг в небо. / В.А. Голубев— Санкт-Петербург: Настя и Никита, 2019.

2. Котельников Г. Е. История одного изобретения / Г. Е. Котельников // Издательство Детской литературы (Детиздат) ЦК ВЛКСМ. — 1939.

Наследие да Винчи: от парашюта до машины https://nasledie.digital/articles/nasledie-da-vinchi-ot-parashyuta-do-mashiny/?ysclid=m7oehy93gu238517278

3. Цеханский С.П. Энциклопедия техника для мальчиков/ С.П Цеханский — Москва: АСТ+, 2018. — 159 с.

Как сделать парашют [Электронный ресурс] // URL: https://dzen.ru/a/Z02ctgr2el0bl_QO?sid=-2961118170034264437

4. Галилео/ Парашют [Видео] // YouTube. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=yOZU8o-6gMk 

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9