XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Загадочный винт вертолета:почему он летает?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Лапин Л.А. 1

---

1МБОУ ШР "Гимназия"

Полещук В.В. 1

---

1МБОУ ШР "Гимназия"

Работа в формате PDF

3.6 MB

Введение

Каждый из нас, наверное, смотрел в небо и замирал, видя вертолет. Он не похож на самолет: у него нет больших крыльев, он может неподвижно висеть в воздухе, как стрекоза, лететь боком или даже назад. Это кажется настоящим волшебством.

Меня всегда интересовал вопрос: как эта тяжелая машина, у которой вместо крыльев просто большая «мельница» наверху, поднимается в небо? Что за сила скрывается в его огромном вращающемся винте? Ведь если просто покрутить палкой в воздухе, мы не взлетим.

Я решил разгадать эту загадку и понять, почему же летает вертолет. Для этого мне предстоит:

Узнать, как устроен главный винт и из чего он состоит.

Понять, какие силы природы помогают ему подниматься.

Провести простые опыты, чтобы увидеть эти силы в действии.

Узнать, как пилот управляет этой удивительной машиной с помощью одного винта.

Я надеюсь, что мое исследование поможет не только мне, но и моим одноклассникам перестать удивляться и начать понимать удивительный мир авиации. Ведь за каждым чудом техники стоят интересные законы физики, которые может понять каждый любознательный человек.

Цель моей работы: выяснить и объяснить на доступных примерах, как несущий винт создает подъемную силу и тягу, которые позволяют вертолету летать.

Задачи:

• Изучить историю создания вертолета

• Разобраться в конструкции вертолета

• Изучить физические основы полета

• Провести опыты для понимания принципов его работы

Гипотеза: если вертолет может двигаться в любую сторону значит винт должен создавать не только вертикальную, но и горизонтальную силу

Тема исследования актуальна, потому что она вырастает из живого детского удивления, связана с реальными технологиями, которые спасают жизни, закладывает основы научного мировоззрения и учит меня самостоятельно добывать знания. Разгадав эту загадку, я не только получу ответ на свой вопрос, но и сделаю шаг вперед в понимании того, как устроен наш мир.

Я провел опрос среди учеников четвертых классов своей школы, знают ли они почему вертолет летает. Результаты получились интересными: всего 17% учеников неплохо понимают физические основы полета вертолета, большинство опрошенных – 47% имеют поверхностное представление, а 31% четвероклассников делают ошибочные предположения или верят в магию полета. Я решил изучить тему вертолетов, чтобы рассказать одноклассникам на неделе науки, то, о чем я узнал. Результаты опроса на диаграмме представлены в приложении 13 рис.16.

Используемые методы исследования:

- теоретический анализ информации (работа с источниками);

- практическое моделирование и эксперимент;

- сравнение, анализ, обобщение.

1. История создания и развития вертолета

1.1 Древняя мечта человека

Идея создания летательного аппарата, который мог бы подниматься в воздух и опускаться вертикально, висеть на месте и лететь в любую сторону, очень древняя. Еще в IV веке нашей эры в Китае появилась игрушка «бамбуковый дракон» — палочка с прикрепленным к ней винтом из перьев. Когда ее быстро раскручивали в ладонях и отпускали, она взлетала. Это был первый прототип винта вертолета.

В Европе великий художник и изобретатель Леонардо да Винчи в XV веке нарисовал чертеж «воздушного винта» (прил.1 рис. 1). Его аппарат, названный «архимедовым винтом», должен был ввинчиваться в воздух. У Леонардо не было двигателя, чтобы воплотить свою идею, но сама мысль была гениальной [4].

1.2 Первые опыты и модели

Модель винтокрылого устройства, способного двигаться по вертикали и даже нести небольшую нагрузку, создал в 1754 году Михайло Ломоносов и представил изобретение Академии Наук (прил. 1 рис.2). Для вращения двух параллельных винтов была использована часовая пружина. Российский ученый не был одержим идеей пилотируемого полета – он решал прикладную задачу по подъему метеозонда, и в итоге ее забросил.

Поэтому первой признанной действующей моделью геликоптера стало изобретение Клода Лонуа и Франсуа Бьенвеню. Они в 1784 году представили Академии Наук Франции конструкцию с парой противостоящих пропеллеров. Миниатюрный аппарат с лопастями из перьев приводила в действие тетива лука, он легко взлетал и ненадолго зависал (прил.2 рис.3). Создать действующую модель больших размеров не удалось, но идея использовать винты, вращающиеся в разных направлениях, осталась [4].

1.3 Развитие инженерной мысли

История создания вертолета – это история развития инженерной мысли. В 19 веке изобретатели пытались реализовать различные технические решения, среди которых одноосное расположение винтов, параллельное размещение четного количества винтов, дополнительные боковые пропеллеры на крыльях для управления.

Но геликоптеры той эпохи не могли поднять человека в небо – слишком громоздкими и тяжелыми были паровые двигатели. И оставался не решенным вопрос управляемости.

Дело сдвинулось с мертвой точки, когда появился легкий и мощный бензиновый мотор, и сформировалась серьезная теоретическая база в области аэронавтики.  Русский гидрометеоролог Михаил Александрович Рыкачев (прил.2 рис.4) еще в 1871 году определил, что подъемная мощность винта зависит как от скорости вращения, так и от положения лопастей относительно оси.  Позже это наблюдение помогло Борису Николаевичу Юрьеву, ученому из России, талантливому инженеру-авиатору, создать автомат перекоса (прил.3 рис.5) [3].

Стоит отметить, что кольцевой автомат перекоса, изобретенный Б.Н. Юрьевым еще в 1911 году, и аналогичные системы другой конструкции и сегодня используются для управления несущим винтом вертолетов.

1.4 Хронология испытаний первых полноразмерных машин

1905 год. Авиаинженер Морис Леже на испытаниях в Монако на несколько секунд поднимает в воздух двухвинтовой геликоптер с внешним электродвигателем – силовой агрегат лежал на земле, он соединялся с аппаратом длинным гибким валом (прил. 4 рис.6).

1907 год, 24 августа. Авиастроители из Франции Луи и Жак Бреге поднимают на высоту 50 сантиметров неуправляемый беспилотный геликоптер «на привязи», полет продлился около минуты (прил.5 рис.7).  

1907 год, 13 ноября. Француз Поль Корню на аппарате с боковыми плоскостями поднимается на полметра в воздух, зависает на 20 секунд (прил.6 рис.8). Это стало первым пилотируемым полетом. По мнению ряда историков, это и есть дата изобретения геликоптера.  

1922 год. Георгий Александрович Ботезат, русский авиаконструктор, эмигрировавший в США, проводит успешные испытания четырехвинтового вертолета – управляемый аппарат перемещается по вертикали и горизонтали на высоте 5 метров (прил.6 рис.9).  

С 1924 года по всему свету стартовала негласная «гонка» создателей винтокрылых машин – изобретатели из Франции, Аргентины, Италии, Германии, СССР и других стран испытывали разнообразные конструкции геликоптеров, ставили рекорды по продолжительности, дальности и высоте полета. В Советском Союзе аппарат получил название «вертолет» - симбиоз «вертится» и «летает». Термин ввел в оборот Николай Ильич Камов – создатель знаменитой серии винтокрылых машин «КА» [4].

1.5 «Отец» вертолетостроения

Отвечая на вопрос, кто изобрел первый вертолет в мире, многие уверенно называют имя Игоря Сикорского. Российский пионер авиации начал работу над проектами винтокрылых машин еще в 1910 году, в Киеве. Позже он эмигрировал в Соединенные Штаты, где создал собственную компанию и разработал геликоптер, предопределивший развитие технической мысли на десятилетия вперед [4]. 

Это была модель VS-300 Sikorsky – прототип современных одновинтовых машин (рис.10). Вертолет Сикорского был оснащен аппаратом перекоса и хвостовым винтом. Он выгодно отличался от всех предшественников управляемостью и безопасностью – мог зависать в воздухе, перемещаться вверх и вниз, вперед и назад. Официально год изобретения вертолета – 1940-й, хотя стендовые испытания и первые полеты «на привязи» начались осенью 1939 года. Первый свободный полет, пусть и со страховочными тросами (за них машину придерживали, боясь опрокидывания) состоялся 13 мая 1940 года. А уже следующей весной мир облетела новость – Игорь Иванович на VS-300 установил мировой рекорд по продолжительности нахождения в воздухе – непрерывный полет продлился 1 час 32 минуты 40 секунд. 

1.6 Заключение

История создания вертолета — это история упорства и ума многих изобретателей разных стран и эпох. От древней игрушки до сложной машины прошли сотни лет. Первый управляемый полет вертолета совершил Игорь Сикорский в 1939 году. С тех пор вертолеты стали незаменимыми помощниками: они тушат пожары, спасают людей, работают в строительстве и, конечно, служат в армии.

2. Конструктивные особенности вертолета

Вертолет — это удивительная машина, которая умеет делать то, что не может обычный самолет: висеть в воздухе на одном месте, лететь боком или даже хвостом вперед. Всё это возможно благодаря его уникальной конструкции.

Если самолету для полета нужны крылья и быстрый разбег по полосе, то вертолету достаточно больших вращающихся лопастей, которые называют несущим винтом. Представьте себе обычный вентилятор: когда лопасти крутятся, они гонят воздух вниз, и вы чувствуете ветер. У вертолета лопасти делают то же самое, но с огромной силой. Они отталкиваются от воздуха и, по закону физики, воздух «отталкивает» лопасти (а вместе с ними и весь вертолет) вверх. Чем быстрее вращение, тем сильнее эта подъемная сила.

2.1. Основные элементы вертолета и их назначение

Разберем вертолет, как конструктор, и узнаем, зачем нужна каждая деталь (рис.11).

Несущий винт (главный пропеллер) - самая важная часть. Он похож на огромный вентилятор на крыше вертолета. Его лопасти имеют специальную изогнутую форму – аэродинамический профиль, как у крыла самолета, но длинное и узкое. Когда винт вращается, воздух обтекает лопасть сверху быстрее, чем снизу, создавая подъемную силу.

Раньше лопасти были деревянными и матерчатыми, а сейчас их делают из сверхпрочных композитных материалов, таких как, стекловолокно или углепластик, чтобы они были и легкими, и прочными.

 Лопасти могут менять свой угол наклона (это называется шаг винта). Пилот, управляя ручкой «шаг-газ», может увеличить угол — вертолет взлетит вверх, или уменьшить его — вертолет начнет снижаться.

Хвостовая балка и рулевой винт. А теперь главная загадка: если несущий винт крутится в одну сторону, то по закону физики сам корпус вертолета будет крутиться в другую. Чтобы этого не происходило и вертолет летел ровно, нужен рулевой винт. Он работает как маленький пропеллер на хвосте. Он толкает хвост в нужную сторону и не дает вертолету крутиться вокруг своей оси. Изменяя силу тяги этого винта, пилот может поворачивать нос вертолета влево или вправо.

Фюзеляж (корпус) - «тело» вертолета, где находится кабина для пилота и пассажиров, а также отсеки для груза. Форма фюзеляжа выполняется такой, чтобы воздух легко его обтекал при полете.

Шасси – «ноги» вертолета. Бывают колесными (как у самолета) или полозковыми (как у санок). Полозки удобны для посадки на неровную поверхность или снег.

Двигатель - сердце вертолета. Оно заставляет вращаться лопасти. Современные вертолеты чаще используют газотурбинные двигатели (турбины), которые работают на авиационном топливе. Они мощные и относительно легкие [2].

2.2. Элементы управления

Управляет вертолетом пилот с помощью трех основных органов:

Ручка «шаг-газ» (в левой руке): поднимает и опускает вертолет.

Ручка управления (в правой руке): наклоняет вертолет вперед, назад или вбок. Она меняет угол наклона лопастей в определенной части круга их вращения, и вертолет летит в нужную сторону!

Педали (ноги): управляют рулевым винтом на хвосте, поворачивая нос вертолета.

2.3 Заключение

Таким образом, вертолет — это сложная, но продуманная конструкция. Его уникальные способности (висеть, взлетать вертикально) обеспечиваются несущим винтом, а устойчивость в полете — парой главный винт + рулевой винт. Все части работают вместе, подчиняясь командам пилота и законам физики, что позволяет этой удивительной машине выполнять самые сложные задачи.

3 Физические основы полета

Вертолет подчиняется тем же законам природы, что и мяч, брошенный вверх, или бумажный самолетик. Эти законы называются законами физики. Разберемся, какие силы помогают вертолету летать и как они им управляют.

3.1. Четыре главные силы

На любой летающий предмет действуют четыре силы. Изучив их, не трудно понять весь секрет полета (прил.9, рис.12).

Подъемная сила(направлена вверх) - самая главная сила для полета. Именно она побеждает земное притяжение и поднимает вертолет в небо. Её создают быстровращающиеся лопасти несущего винта.

Сила тяжести (направлена вниз) - сила, с которой Земля притягивает к себе все предметы. Она всегда тянет вертолет вниз.

Сила тяги (направлена вперед/назад/вбок) - сила, которая двигает вертолет в нужном направлении: вперед, назад или в сторону. У вертолета её тоже создает несущий винт.

Сила сопротивления воздуха (сила, которая мешает). Воздух — это не пустота. Когда вертолет летит, воздух мешает ему, «тормозит» его. Чем быстрее полет, тем сильнее это сопротивление [3].

3.2. Как создается подъемная сила

Лопасть несущего винта — это не просто доска. Она имеет специальную изогнутую форму — профиль.

Когда лопасть быстро вращается, она разрезает воздух.

Верхняя поверхность лопасти более выпуклая. Воздуху приходится проделывать над ней более длинный путь, и он бежит быстрее.

Нижняя поверхность более плоская. Воздух здесь движется медленнее.

Секрет в скорости! По закону физики (закону Бернулли) там, где воздух движется быстрее, его давление становится меньше. А где медленнее — давление больше [3].

Получается, что снизу на лопасть давит сильнее, чем сверху. Эта разница в давлении и создает подъемную силу, которая «подталкивает» лопасть, а с ней и весь вертолет, вверх.

3.3. Управление силами

Пилот вертолета управляет этими силами с помощью рычагов и педалей.

Чтобы взлететь: Пилот увеличивает угол атаки лопастей (шаг винта) и добавляет мощность двигателю. Подъемная сила становится больше силы тяжести - вертолет взлетает.

Чтобы висеть на месте (зависнуть): Пилот настраивает управление так, чтобы подъемная сила была в точности равна силе тяжести. Силы уравновешиваются, и вертолет «висит» в воздухе, как будто его подвесили на невидимой нитке.

Чтобы полететь вперед: с помощью ручки управления пилот слегка наклоняет весь диск несущего винта вперед. Часть подъемной силы превращается в силу тяги, которая тянет вертолет вперед. Теперь у него есть и скорость, и высота [2].

Чтобы не крутиться: благодаря рулевому винту на хвосте создается боковая сила, которая противодействует вращению корпуса. Нажимая на педали, пилот управляет этой силой и поворачивает нос вертолета.

3.4 Заключение

Полёт вертолета возможен потому, что вращающиеся лопасти специальной формы создают подъемную силу, которая побеждает земное притяжение. А профессиональный пилот, зная законы физики, управляет этой силой и другими силами (тяги, сопротивления), заставляя огромную и сложную машину выполнять свои команды: висеть, лететь в любую сторону и мягко садиться.

4. Экспериментальная часть

Для наглядного понимания принципов работы вертолета я провел ряд экспериментов.

Эксперимент №1 «Вертолет-семянка» (прил.10 рис.13)

Цель: увидеть, что загнутые лопасти бумажной модели придают вращение при падении и замедляют его.

Описание: я вырезал из бумаги полоску длиной 15 см и шириной 3 см, разрезал ее вдоль на три части, но не до конца. Получилась заготовка похожая на букву «Т», но с тремя концами. Два внешних конца я загнул в противоположные стороны, к оставшемуся среднему концу я прикрепил скрепку для веса. Готовую модель я запустил с высоты стоя на возвышении.

Результат: без загнутых лопастей бумажка просто упадет вниз. С загнутыми лопастями она начнет быстро вращаться и плавно спустится на землю.

Вывод: воздух давит на наклонные плоскости лопастей, заставляя их вращаться. Вращение «раскручивает» воздух вокруг вертолета и замедляет его падение, как маленький парашют.

Эксперимент №2 «Вертолет с грузом» (прил.9, рис.12)

Цель: узнать, как влияет вес груза на скорость вращения лопастей и быстроту падения бумажной модели

Описание: я сделал модель вертолета из бумаги по схеме из интернета, к нижнему концу модели я прикрепил сначала 1 скрепку, затем 2 и затем 3.

Каждый вариант я запускал с одинаковой высоты стоя на возвышении и наблюдал за падением и вращением.

Результат: я увидел, что, в первом случае с одной скрепкой вертолет вращался и падал медленнее, чем с двумя и с тремя.

Вывод: чем больше вес груза, тем быстрее вращаются лопасти и тем быстрее модель падает.

Эксперимент №3 «Площадь лопастей»

Цель: понять, как длина лопастей влияет на скорость падения

Описание: я изготовил из бумаги три варианта модели бумажного вертолета по схеме из предыдущего опыта, с разной длинной лопастей. Каждый вариант я запустил с одинаковой высоты и засек время падения (приложение 12 рис.15).

Результат: я увидел, что модель с более длинными лопастями снижается медленнее.

Вывод: лопасти большей площади создают большее сопротивление и лучше замедляют падение.

Эксперимент №4

Цель: понять, как влияет положение лопастей винта на полет вертолета.

Описание: я взял модель вертолета, состоящую из пластиковой палочки и винта с двумя лопастями. Я запустил модель в полет раскрутив палочку между ладоней (Приложение 11 рис.14):

- сначала держа вертикально винтом вверх,

- затем вертикально винтом вниз,

- и затем держа палочку под наклоном.

Результат: в первом случае модель летела вертикально вверх, во втором случае модель летела вверх, но не так высоко, как в первом, в третьем случае модель двигалась вверх и вперед.

Вывод: я сделал вывод, что при вертикальном запуске создается только подъемная сила, а при наклоне лопастей винта кроме подъемной возникает сила тяги, за счет чего вертолет движется вперед.

Заключение

В начале исследования я выдвинул гипотезу: если вертолет может двигаться в любую сторону значит винт должен создавать не только вертикальную, но и горизонтальную силу.

В процессе работы моя гипотеза подтвердилась с помощью опытов, которые я провел.

Так же я выяснил, что секрет кроется в особой форме лопастей — они изогнуты и работают как крыло. При быстром вращении воздух обтекает их так, что сверху давление становится низким, а снизу — высоким. Именно эта разница давлений и создаёт мощную подъёмную силу, которая отрывает вертолёт от земли и удерживает его в воздухе. Рулевой винт на хвосте нужен, чтобы вертолёт не крутился вокруг своей оси.

Чтобы прийти к этому выводу, я изучил книги и статьи в интернете, а также провёл опыты с бумажным вертолётиком. Эти эксперименты наглядно показали мне, как воздух взаимодействует с поверхностью и создаёт силу.

Вертолёт летает благодаря тому, что его главный винт с особыми лопастями создаёт подъёмную силу, преодолевающую силу земного притяжения. Это умное изобретение человека, которое подчиняется законам физики.

Библиографический список

1. Фарндон Д. «Разберемся как летательные аппараты устроены» / Д. Фарндон. — М.: Хоббитека, 2016. — 32 с.

2. «Большая энциклопедия техники». — М.: Росмэн, 2018. — 160 с.

3. Маколи Д. «Как всё устроено. Иллюстрированная энциклопедия устройств и механизмов». — М.: Манн, Иванов и Фербер, 2016. — 400 с.

4. Полет мечты: история изобретения первого вертолета https://territoriapoleta.ru/stati/o-vozdukhoplavanii/polet-mechty-istoriya-izobreteniya-pervogo-vertoleta/ (дата обращения: 12.01.26)

5. Простой вертолетик из полоски бумаги [Видео] // . Дзен— https://yandex.ru/video/preview/13208316904361206969 (дата обращения: 15.01.26)

6. Первые вертолеты в мире: Кто и когда и когда их придумал, история создания. https://poletomania.ru/stati/o-vozdukhoplavanii/pervye-vertolety-v-mire-kto-i-kogda-ikh-pridumal-istoriya-sozdaniya/ (дата обращения: 15.01.26)

7. Игрушка вертолетик для детей из бумаги [Видео] // VK Video. — https://yandex.ru/video/preview/1594037553411758333 (дата обращения: 10.01.26)

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Приложение №12

Приложение №13