Полет бумажного самолетика

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Полет бумажного самолетика

Новых В.А. 1
1МАОУ СОШ №94 города Тюмени
Зуйкова Г.В. 1
1МАОУ СОШ №94 города Тюмени
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Самолеты интересуют меня с самого раннего детства. Я очень люблю летать и просто бывать в аэропорту. В будущем хочу заниматься авиаконструированием – совершенствовать существующие модели и создавать новые.

Мой папа очень умный и всегда развернуто отвечает на мои вопросы. Поэтому, когда я однажды спросил, как держится в воздухе самолет, он взял лист бумаги, сложил самолетик и стал рассказывать об аэродинамической силе. Тогда я подумал, что было бы здорово на основе бумажного самолетика рассмотреть влияние различных параметров конструкции на дальность и характер полета.

На мой взгляд, работа является актуальной. Ведь она поможет не только мне лучше понять аэродинамику и влияние конструктивных особенностей самолета на характер полета, но и может стать основой для дидактического материала для уроков физики.

Цель проекта: тестирование летных свойств бумажных самолетиков.

Задачи:

  • изучить основные физические законы, действующие на самолет в полете;

  • собрать коллекцию моделей бумажных самолетов;

  • сконструировать оборудование для запуска бумажного самолетика;

  • провести испытания разных моделей самолетов;

  • провести испытания самолетика с изменением разных характеристик;

  • определить основные параметры, влияющие на дальность полета.

Гипотеза:

  1. Предположим, что разные конструкции бумажных самолетиков будут иметь разные летные характеристики.

  2. Возможно, что дальность полета будет зависеть от материала, из которого сделан самолетик, ширины крыльев и угла запуска.

  3. Допустим, что на дальность полета влияет положение центра тяжести самолетика.

Объект исследования: бумажные самолеты разных конструкций

Предмет исследования: лётные характеристики моделей бумажных самолётов.

Методы исследования:

  • поиск информации в книжных изданиях, на Интернет-ресурсах;

  • анализ найденной информации;

  • проведение экспериментов и сравнение результатов;

  • анализ полученной информации и формулирование выводов;

Материалом для написания работы послужили книги А.Н. Томилина и В.А. Обуховича по истории авиации, учебник В.В. Бирюк и др. по аэродинамике и самолетостроению и другие книжные издания.

Ожидаемые результаты:

В ходе работы над проектом мы не только узнаем основы аэродинамики, соберем коллекцию бумажных самолетиков, но и протестируем их летные качества. А также установим зависит ли дальность полета самолетика от плотности использованной бумаги, размера самолетика и угла запуска. И как влияет на полет положение центра тяжести модели.

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОЗДУХОПЛАВАНИЯ ОТ ИКАРА

ДО САМОЛЕТА

Небо всегда манило человека. Люди наблюдали за полетом птиц и мечтали тоже подняться в воздух. Герой древнегреческой мифологии Дедал сделал крылья для себя и сына Икара из перьев и воска и поднялся в небо. Герои сказок летают на ковре самолете, ступе, метле, санях, используют зонт или волшебные туфли.

Из книги Валерия Обуховича «История воздухоплавания» я узнал, что самый первый летательный аппарат на Земле – воздушный змей. Упоминания о нем встречается в источниках третьего века до нашей эры.Его придумали в Китае. Воздушный змей представлял собой лёгкую конструкцию из дерева и бумаги, которая поднималась в воздух за счёт силы ветра. [3:15]. (см. Приложение II, фото 1)

В Европе первые попытки создания летательного аппарата были предприняты в Средние века. В XIII веке английский монах Роджер Бэкон предложил идею создания летательной машины, которая сама могла бы подниматься в воздух. Эта идея так и не была реализована, но она стала основой для будущих исследований в области воздухоплавания.

В XVIII веке французский физик Жак Шарль провел серию экспериментов с воздушными шарами, наполненными водородом. В 1783 году братья Монгольфье продемонстрировали свой воздушный шар, наполненный горячим воздухом, перед королём Франции Людовиком XVI. Этот шар стал первым успешным летательным аппаратом легче воздуха. В России первые полёты на воздушном шаре совершил француз Андре-Жак Гарнерен — 20 июня и 18 июля 1803 года в Петербурге и 20 сентября 1803 года в Москве. [11:6].

В XIX веке воздухоплавание начало развиваться более активно. Были созданы новые типы воздушных шаров — аэростаты и дирижабли. Аэростаты использовались для научных исследований атмосферы, а дирижабли — для перевозки грузов и пассажиров.

Первые самолёты появились в начале ХХ века. Самолёты были более эффективнее и безопаснее, чем дирижабли, и быстро стали основным средством передвижения по воздуху. Первый удачный полёт на самолёте совершили братья Райт 17 декабря 1903 года в США. [9:60]. (см. Приложение II, фото 2)

    1. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛЕТА БУМАЖНОГО САМОЛЕТИКА

Наблюдая за окружающими предметами, я уже понял, что подброшенное тело стремится упасть обратно на Землю. Но полет бумажного самолетика отличается от полета камня, и я решил выяснить, почему так происходит.

Из учебника «Аэродинамика и самолетостроение» я узнал, что на самолет в полете действует не только сила земного притяжения, направленная вниз, но и аэродинамическая сила, которую в свою очередь можно разложить на подъёмную силу и силу сопротивления воздуха (рисунок). [5:45]. (См. Приложение II, рис.1)

Подъемная сила появляется благодаря особой форме крыльев. У крыла одна часть более выпуклая, чем другая, следовательно, воздуху с одной стороны приходится проходить больший путь, чем с другой. Однако количество воздуха, набегающего на крыло и стекающего с него, одинаковое. Значит, в полете самолетика создаётся разность скоростей потоков воздуха, которая создаёт разность давлений и, соответственно, подъемную силу. [4:105]

Подъемная сила, поддерживающая самолетик в воздухе, существует только пока самолетик движется. Как только переданная при запуске скорость снижается, подъемная сила уступает силе притяжения, самолетик падает.

При движении самолетик прокладывает себе дорогу в воздушной среде, заставляя воздух перед собой разбегаться в разные стороны. В результате возникает сила сопротивления воздуха, стремящаяся остановить самолетик. Чем выше скорость, тем выше сила сопротивления воздуха.

    1. ИСТОРИЯ БУМАЖНОГО САМОЛЕТИКА

Предположительно, первыми, кто придумал и научился делать фигурки из бумаги, были жители Древнего Китая. Именно там в 105 году нашей эры была изобретена бумага. На протяжении долгого времени этот вид искусства был частью религиозных обрядов, а после стал доступен только людям из высших сословий, и это считалось одной из черт хорошего воспитания. Бумага была очень дорогой и недоступной простым людям. Также в древнем Китае существовала традиция создания и запускания воздушных змеев.

Большой вклад в развитие и популяризацию умения складывать фигурки из бумаги — оригами — внесла Япония.

Братья Райт для своих тестов и изучения аэродинамики использовали небольшие летательные модели. Самолетики из бумаги они тестировали в самодельной аэродинамической трубе.

Современный бумажный самолётик (см. Приложение II, фото 3) был изобретён в 1930 году Джеком Нортропом — сооснователем авиастроительной компании Lockheed Corporation. Знакомый с японским искусством оригами, известный инженер крайне заинтересовался возможностью создания по такой схеме модели самолёта. Бумажные самолетики использовали для изучения аэродинамики и для тестов перед конструированием настоящих и больших воздушных судов.

Сейчас складыванием самолетиков из бумаги увлечены сотни тысяч человек в разных странах мира. Развлечение превращается в спорт. Проводятся турниры и чемпионаты по запуску бумажных самолетиков. Оцениваются дальность полета, скорость полета, воздушная акробатика.

    1. ВЫВОД

В теоретической части своей работы мы познакомились с краткой историей воздухоплаванья и историей появления бумажного самолетика. Узнали о физических основах полета бумажного самолетика. Оказывается, на самолет в полете действуют сила тяжкости, аэродинамическая сила, сила сопротивления воздуха и подъемная сила.

  1. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    1. СБОР ИНФОРМАЦИИ О РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЯХ САМОЛЕТИКОВ, ИХ КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ ЛЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Знакомясь с историей бумажного авиаконструирования, обратил внимание, что моделей самолетиков значительно больше, чем я знал. Для сбора информации о различных моделях я решил не только воспользоваться сетью интернет и литературой [6:20]. (см. Приложение II, фото 4), но и провести конкурс среди одноклассников на самый быстрый бумажный самолетик. Мероприятие помогло привлечь одноклассников к моему хобби и объединить ребят общим интересом.

По результатам конкурса и сбора информации в сети интернет и литературе была составлена коллекция моделей бумажных самолетиков для дальнейших летных экспериментов. Все модели сложены из листа формата А4 без использования клея, ножниц и других вспомогательных инструментов.

Фотографии коллекции представлены в Приложении II, фото 8. Описание сборки моделей приведены в Приложении I. Таблица 1.

Из опыта тестовых запусков самолетиков обратил внимание, что для наилучшего полета разные модели надо запускать по-разному. Некоторые модели надо кидать резко, некоторые плавно класть на воздух. Также отличается траектория и характер полета. Я решил провести испытания каждой модели и составить сводную таблицу результатов.

Эксперимент 1

Цель: замеры летных характеристик и описание траектории полета каждой модели.

Каждую модель самолетика я запускал пять раз для подтверждения результата. (см. Приложение II, фото 9) Итоги приведены в таблице 2 в приложении I.

Вывод: на дальность и характер полета самолетика влияет его форма и площадь поверхности крыльев. Остроносые летят более стремительно и их надо запускать под углом вверх и довольно резко. Плоские модели с большой поверхностью крыльев летят медленно и плавно, но также далеко. Для достижения максимальной дальности их лучше запускать плавно и почти горизонтально. Хуже всего летят модели, при складывании которых возникает несколько слоев бумаги в одной части самолета (чаще всего на носу). Такие модели сразу устремляются вниз и летят недалеко.

    1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПУСКОВОЙ УСТАНОВКИ («ЗАПУСКАЛКИ»)

Планируя провести ряд экспериментов с бумажными самолетиками, я понимал, что все дети будут запускать самолетик с разной силой и под разным углом, с разной высоты, что значительно повлияет на результаты экспериментов. Один человек также не сможет повторять запуск многократно с одним усилием и под одним углом.

Чтобы исключить случайность при запуске самолетика, я решил собрать пусковую установку («запускалку»), которая будет пускать самолетик с постоянным ускорением под заданным углом. Таким образом, при проведении экспериментов на результат будут влиять только параметры самолетика и изменяемые параметры.

«Запускалку» я собрал из конструктора Lego Wedo, используя колеса, моторы, шестеренки. (см. Приложение II, фото 10) Конструкция позволяет изменять угол запуска при постоянной скорости пуска. (см. Приложение II, фото 11, 12) Чтобы подтвердить необходимость использования «запускалки» провел испытания.

Эксперимент 2

Цель: обоснование необходимости использования «запускалки».

В рамках эксперимента попросил одноклассников запускать самолетик. Я замерял расстояние полета. Также попросил одного мальчика запустить самолетик 15 раз подряд. И в завершении я запускал самолетик при помощи «запускалки». Результаты испытания приведены в Приложении I на диаграммах

1, 2, 3.

Вывод: результаты эксперимента показали, что при запуске самолетика разными людьми или даже одним человеком разброс результатов от максимального до минимального велик. Это показывает большое влияние случайности в эксперименте и обосновывает необходимость использования «запускалки».

    1. ТЕСТИРОВАНИЕ ЛЕТНЫХ СВОЙСТВ САМОЛЕТИКОВ

Для всех экспериментов используется «запускалка», установленная на горизонтальной поверхности на высоте 80 см от уровня пола. Эксперименты проводятся в закрытом помещении без сквозняков.

Во-первых, я решил выяснить, самолетики из бумаги какой плотности лучше летают.

Эксперимент 3

Цель: выявить, влияет ли плотность бумаги на летные характеристики самолетика.

Для эксперимента я взял газетную бумагу плотностью 30 г/м3, бумагу для принтера плотностью 80 г/м3 и бумагу для черчения плотностью 100 г/м3 и сложил самолетики одинаковой конструкции. (см. Приложение II, фото 13) Далее, провел эксперимент оценивая дальность полета модели. Результаты приведены на диаграмме 4 в приложении I.

Вывод: эксперимент показал, что наилучшими летными характеристиками обладает самолетик из офисной бумаги плотностью 80 г/м3. Поэтому дальнейшие эксперименты проведем, используя офисную бумагу.

Далее решил проверить летные характеристики моделей из моей коллекции.

Эксперимент 4

Цель: выяснить, самолетик какой модели пролетит большее расстояние.

Для эксперимента я провел по 5 запусков самолетика каждой модели.

Средние результаты испытаний приведены в виде таблиц и диаграммы 5 в приложении I.

Вывод: Наилучшими летными характеристиками обладают модели под номерами 1, 2, 3, 10, 12. (см. Приложение II, фото 14) Лидером стала модель под номером 1.

Обратил внимание, что наилучшие результаты показали модели с острым носом и широкими крыльями. Решил проверить, влияет ли ширина крыла на дальность полета.

Эксперимент 5

Цель: выявить, влияет ли ширина крыла на длительность полета самолетика.

Для эксперимента взял модель с самой простой конструкцией, изменял ширину крыла и проводил замеры. Результаты представлены в виде диаграммы 6 в приложении I.

Вывод: эксперимент показал, что ширина крыла влияет на дальность полета. Дальше всех улетел самолетик с шириной крыла 5 см. (см. Приложение II, фото 15) Результат объясняется соотношением подъемной силы и силы сопротивления воздуха. Оптимальным оказался такой размер крыла, который уже обеспечивает достаточную подъемную силу, но при этом не слишком сильно тормозит самолет.

Во время игры обратил внимание, что самолетик пущенный выше или ниже летит по-разному. Решил проверить как влияет угол пуска самолетика на дальность его полета

Эксперимент 6

Цель: экспериментальным путем найти лучший угол запуска самолетика.

Для эксперимента проводил запуск самолетика с двух уровней высоты, меняя угол запуска от 0 до 60 градусов. (см. Приложение II, фото 16, 17, 18) Результаты замеров приведены на диаграмме 7, 8 в приложении I. Результаты показывают, что наилучший угол для запуска самолетика 30 градусов как при пуске с высоты 80 см, так и при пуске с высоты 120 см. Также эксперимент показал, что при нулевом угле запуска скорость самолетика самая высокая. Вывод: оптимальный угол для запуска самолетика 30 градусов вне зависимости

от высоты запуска.

Во время изучения физики полета бумажного самолетика узнал, что силы, действующие на самолетик, прилагаются к центру масс. Также в книге И. Остенко «Простейшие летающие модели» прочитал, как можно сбалансировать полет самолетика. При сборке самолетиков обратил внимание на то, что у разных моделей в разных частях самолета получаются два, три и более слоя бумаги. Это без сомнения меняет центр тяжести и влияет на характер и дальность полета модели. [7:4].

Для проверки своего предположения я провел испытания стандартной модели самолетика с изменением центра тяжести.

Эксперимент 7

Цель: узнать, как влияет изменение центра масс самолетика на дальность его полета.

Для эксперимента взял груз весом 2 грамма при весе самолетика в 5 граммов и фиксировал его внутрь корпуса самолета в 5 разных положениях. (см. Приложение II, фото 19) После чего делал запуски. Результаты приведены в приложении I на диаграмме 9.

Вывод: дальше всего самолетик полетел при смещении центра тяжести в сторону хвоста самолета. Однако этот вывод можно отнести только к данному самолетику, поскольку у каждой модели свое исходное положение центра масс.

    1. ВЫВОД

В ходе проведения экспериментов с бумажными самолетиками был составлен сравнительный анализ летных характеристик разных моделей. Мы выяснили, что на дальность и характер полета самолетика влияет его форма и площадь поверхности крыльев. Самолетики разных конструкций летают по-разному. На дальность полета влияют плотность бумаги, из которой изготовлен самолетик, угол запуска и положение центра тяжести. По результатам проведенных испытаний и учитывая накопленный теоретический и практический опыт можно сделать следующие выводы:

  • лучше складывать самолетик из офисной бумаги плотностью 80 г/м3;

  • хороший полет обеспечивают широкие крылья и острый нос;

  • запускать самолетик под углом 30о;

  • дальше всего самолетик полетит при небольшом смещении центра тяжести в сторону хвоста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В моей исследовательской работе, посвященной теме «Полет бумажного самолетика», в первой главе мы изучили основы физики полета бумажного самолетика, узнали историю его появления. Познакомились с историей воздухоплаванья.

Во второй главе мы описали собранную коллекцию моделей бумажных самолетиков, проверили их летные характеристики. С использованием «запускалки» протестировали параметры, влияющие на дальность полета самолетика.

Гипотеза нашего исследования заключалась в том, что разные конструкции бумажных самолетиков будут иметь разные летные характеристики. И наши эксперименты это подтвердили. Мы также предположили, что дальность полета будет зависеть от материала, из которого сделан самолетик, ширины крыльев, угла запуска. А также что на дальность полета влияет положение центра тяжести самолетика. Наши эксперименты по запуску самолетиков с изменением различных параметров подтвердили выдвинутую гипотезу.

Цель работы: тестирование летных свойств бумажных самолетиков. Все задачи, поставленные для достижения этой цели, были решены.

В дальнейшем планирую продолжить эксперименты с бумажным самолетиком, на основе накопленного опыта и результатов экспериментов сложить наилучшую модель самолетика для закрытого помещения. Летом планирую провести испытания моей коллекции моделей на открытом воздухе. Ведь при наличии потоков воздуха, самолетики будут летать иначе. Также для дальнейшего изучения аэродинамики я планирую собрать аэродинамическую трубу и провести испытания самолетиков в ней.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Авиация / Пер. с англ. И.В. Кудишина. - М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2010. - 64 с. - (Удивительный мир)

  2. А.Н. Томилин. История авиации. – М.: ЗАО «ОЛМА Медиа Групп», 2010. – 480с. – (Серия «Детская военная энциклопедия»)

  3. В.А. Обухович. История воздухоплавания. Время, события, люди. / Обухович Валерий. – Минск : Харвест, 2018. – 496 с.

  4. В.А. Попов. Основы авиационной техники. – Москва, 1947

  5. В.В. Бирюк и др. Аэродинамика и самолетостроение: учеб. пособие / [В.В. Бирюк и др.]. – Самара: Изд-во Самарского университета, 2018 – 180 с.: ил.

  6. В.В. Выгонов. Технология. Летающие модели, с прил. На электронном носителе. 1-4 классы / В.В. Выгонов. – М.: Издательство «Экзамен», 2014. – 95 с.

  7. И.Остенко. Простейшие летающие модели. Москва: Издательство ДЕТГИЗ, 1948

  8. Л. Пучков. «Изобретения XX века» Самолеты. Перевод с английского. Тула: издательство «Махаон», 1998. – 48 с.

  9. Маккаллоу Д. Братья Райт. Люди, которые научили мир летать / Дэвид Маккаллоу ; Пер. с англ. — М.: Альпина нон-фикшн, 2017 — 338 с.

  10. Накамура Кандзи. Почему самолёты летают / пер. с  япон. А.Б.  Клион ского. – М.: ДМК Пресс, 2020. – 132 с.: ил.

  11. Ю.О. Дружинин, А.Ю. Емелин, М.И. Павлушенко, Д.А. Соболев. Страницы истории отечественного воздухоплавания / Ю.О. Дружинин [и др.]. – М.: Русское авиац. о-во (РУСАВИА), 2013. – 512 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ I

Таблица 1. Схемы сборки моделей самолетиков

Схема сборки

Схема сборки

Схема сборки

1

 

2

 

3

 

4

 

5

 

6

 

7

 

8

 

9

 

10

 

11

 

12

 

Таблица 2. Летные характеристики моделей бумажных самолетов

Номер модели

Внешний вид

Оптимальный способ запуска

Дальность полета

Время полета

Характер полета, траектория

1

 

Резко, под 30о

6.4

1.8

Прямолинейно

2

 

Резко, под 30о

5.5

1.1

Прямолинейно

3

 

Резко, под 15о

4.1

2.3

Резко вверх и вниз

4

 

Плавно, под 15о

2.9

2.3

По дуге вверх и вниз

5

 

Плавно, горизонтально

6.2

2.8

Очень плавно по прямой

6

 

Плавно, под 15о

3.5

1.9

Плавно по прямой, бочка

7

 

Очень резко, вверх

2.3

1.2

Прямолинейно и резко вниз

8

 

Резко, под 30о

2.8

1.9

По кругу

9

 

Плавно, горизонтально

4.9

3.2

Плавно прямолинейно, машет крыльями

10

 

Резко, под 15о

3.5

1.6

Плавно вверх и резко вниз

11

 

Очень резко, вниз

2.5

3.1

Делает мертвую петлю

12

 

Резко, под 30о

4.9

1.2

Стремительно вниз

Диаграмма 1

Диаграмма 2

Диаграмма 3

Диаграмма 4

Диаграмма 5

Диаграмма 6

Диаграмма 7

Диаграмма 8

Диаграмма 9

ПРИЛОЖЕНИЕ II

ИЛЛЮСТРАЦИИ

Фото 1. В центре семейного чтения имени А.С. Пушкина. Изучение теории

Фото 2. Первый полет братьев Райт

Рисунок 1. Силы, действующие на самолетик в полете

Фото 3. Современный вид бумажного самолетика

Фото 4. За сборкой моделей

Фото 8. Собранная коллекция моделей бумажных самолетиков

Фото 9. Тестирование летных характеристик моделей самолетиков собранной коллекции

Фото 10. Конструирование пусковой установки из конструктора Lego Wedo

Фото 11. Пусковая установка Фото 12. Пусковая установка в действии

Фото 13. Бумажные самолетики из бумаги разной плотности

Фото 14. Модели – лидеры летных испытаний

Фото 15. Модели с разной шириной крыльев

Фото 16. Положение пусковой установки с разными углами запуска

Фото17.Запуск с высоты Фото18.Запуск с высоты Фото19.Эксперимент 80 см 120 см со смещением центра тяжести самолетика

Просмотров работы: 18