XVI РЕГИОНАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЕЖИ И ШКОЛЬНИКОВ
«НАУКА. ТВОРЧЕСТВО. РАЗВИТИЕ»
Почему самолет летает?
Автор: ,
ученик 3 класса Б,
МБОУ «СОШ №14»
г. Новочебоксарска
Чувашской Республики
Руководитель: ,
учитель начальных классов
МБОУ «СОШ №14»
г. Новочебоксарска
Чувашской Республики
Новочебоксарск, 2013
Содержание
Введение………………………………………………………………. | 3 | |
1. | Подъемная сила……………...……………………………………...... | 4 |
2. | Угол атаки ……………………………………………………………. | 5 |
3. | Механизация крыла …………...……………………………………... | 7 |
Заключение …………………………………………………………... | 8 | |
Список использованной литературы ………………………………. | 9 | |
Приложение…………………………………………………………… | 10 |
Введение.
Вы когда-нибудь летали? Не на самолёте, не на вертолёте, не на воздушном шаре, а сами - как птица? Не приходилось? И мне не довелось. Впрочем, насколько я знаю, это не удалось никому.
Почему же человек не смог этого сделать, ведь кажется нужно лишь скопировать крылья птицы, прикрепить их к рукам и, подражая пернатым, взмыть в поднебесье. Но не тут-то было. Оказалось, что человеку не хватает сил, чтобы поднять себя в воздух на машущих крыльях.
Рассказами о таких попытках пестрят летописи всех народов, от древнекитайских и арабских (первое упоминание содержится в китайской хронике «Цаньханьшу», написанной ещё в I в. н. э.) до европейских и русских. Мастера в разных странах использовали для изготовления крыльев слюду, тонкие прутья, кожу, перья, но полететь так никому и не удалось (рис.1).
В 1505 году великий Леонардо да Винчи писал: «… когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях». Звучит это сложно, но, по сути, не просто верно, а гениально. Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость.
Но технически эта идея долго не решалась (рис. 2).
Попыток подняться в воздух по идее великого ученого и художника было немало. Увенчались они успехом только в 1882 году. Русский морской инженер Александр Федорович Можайский построил первый самолет и совершил на нем полет, он продолжался всего несколько секунд (рис. 3).
Братья Орвил и Уилбур Райт усовершенствовали модель. В их самолете пропеллер вращался бензиновым двигателем и позволял пролететь 50 метров за 12 секунд. В 1909 году братья Райт уже построили новый самолет, развивавший скорость 60 километров в час.
Цель исследования: провести исследование и ответить на вопрос, почему самолет летает.
Задачи: выяснить, как самолет летает под действием подъемной силы, как она зависит от формы крыла и угла атаки воздуха, как устроено крыло самолета.
Гипотеза: Самолет летает под действием подъемной силы, которая зависит от формы крыла и угла атаки воздуха. А подъем, маневры, посадка самолета осуществляется пилотом с помощью приспособлений, которые в совокупности называются механизацией крыла.
Предмет исследования: макет крыла самолета, подъемная сила, угол атаки, строение крыла самолета.
Методы: анализ научной литературы, эксперимент, опыт, наблюдение, обработка данных
1. Форма крыла и подъемная сила.
Как я уже упоминал выше, чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость.
Какая же сила поднимет в воздух? Она так и называется – подъемная сила.
Проведем опыт.
Тема опыта: действие подъемной силы, доказательство ее существования.
Цель опыта: определить опытным путем, что в природе при определенных условиях возникает подъемная сила.
Описание опыта.
Для опыта мы взяли:
- фен,
- лист бумаги.
Лист бумаги положили на плоскую поверхность (стол), край придерживаем одной рукой. Включили фен и направили струю воздуха на лист бумаги.
Результат опыта: лист бумаги вибрирует, пытается улететь в направлении движения воздуха. Свободный конец листа поднимается вверх, отрываясь от поверхности стола (рис. 5).
Вывод: при движении воздуха плоский лист начинает подниматься. Если на плоскую пластину под небольшим углом действует набегающий поток воздуха, то возникают подъёмная сила и сила сопротивления. Сила сопротивления старается «сдуть» пластину назад, а подъёмная сила — поднять.
Итак, от взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт. Дело остается за малым: сделать подходящее крыло и суметь разогнать его до необходимой скорости.
Но возникает вопрос: какой формы должно быть крыло самолета?
Первые эксперименты проводили с крыльями плоской формы. Но наблюдательные люди давно заметили, что у птиц крылья не плоские.
В 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе собственной конструкции и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Нашлось и довольно простое объяснение этому факту.
Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя - выпуклая.
Существует такой закон, называется он закон Бернулли, суть которого в том что, чем больше скорость потока, тем меньше давление внутри этого потока. Существует также принцип неразрывности потока (в народе говорят, природа не любит пустоты). Согласно этому принципу, если две частички воздуха, летящие рядом, разошлись у носка профиля, одна полетела по верхней части, другая по нижней, то в хвосте профиля они так же должны обязательно оказаться рядом, иначе возникнет вакуум (коего природа не терпит, и всегда пытается ее заполнить) (рис. 6). Так как путь верхней частицы больше чем нижней, а время прохождения профиля частицами одинаково, то и скорость верхней частицы будет больше скорости нижней. Если все это применить ко всему потоку воздуха, то согласно закону Бернулли, давление на верхней поверхности профиля будет меньше, чем на нижней. Вот эта разница давлений и есть подъемная сила (рис. 7). Поэтому и поднимается лист в нашем опыте. Этим же пользуются и при строительстве самолетов, точнее, при конструировании их крыльев.
2. Угол атаки.
Итак, мы выяснили, что для поднятия самолета в воздух необходима подъемная сила. Кроме того, подъемная сила крыла зависит так же от угла атаки.
Что такое угол атаки? Это угол между мордой крыла «В» и направлением набегающего потока воздуха (рис. 8).
Соответственно, чем больше угол атаки, тем больше подъемная сила, но не до беспредела.
Различают два вида потока воздуха: ламинарный и турбулентный.
Ламинарный – это гладкий безвихревой поток. Именно такой поток и создает подъемную силу (рис. 9).
Турбулентный поток, говорит сам за себя – это вихревой поток. Такой поток не создает подъемной силы. Так вот, когда угол атаки достигает критических величин, ламинарный поток срывается с поверхности профиля (рис. 10) и подъемная сила резко падает. При неправильных действиях пилотов это может привести к сваливанию самолета.
Докажем это на опыте.
Тема опыта: изучение влияния угла атаки на подъемную силу.
Цель опыта: выяснить, как влияет угол атаки на подъемную силу.
Описание опыта.
Для проведения опыта потребовалось:
- картон,
- бумага,
- клей,
- нитки,
- английские булавки,
- фен.
Из картона и бумаги построили модель крыла самолета, зная примерно каким оно должно быть в разрезе (рис. 11). Из картона соорудили «взлетную» площадку, к которой с помощью ниток и английских булавок прикрепили модель крыла (рис. 12). Положили конструкцию на плоскую поверхность (стол).
Положили на стол фен, включили его и направили струю воздуха на модель крыла, то есть угол атаки потока воздуха около 0 градусов. Крыло отклонилось назад, поднялось над поверхностью стола и зависло в стабильном состоянии (рис. 13).
Немного увеличили угол атаки (приподняли основание фена над поверхностью). Крыло поднялось немного выше. Еще увеличили – крыло стало летать неустойчиво, сильно вибрировать (рис. 14).
При большем увеличении угла атаки крыло перевернулось (рис. 15, 16).
Результат опыта: при увеличении угла атаки от 0 градусов модель крыла вела себя следующим образом:
1) поднялась с поверхности стола;
2) стабильно планировала;
3) находилась в воздух, но в состоянии сильной вибрации;
4) перевернулась и упала на поверхность стола.
Вывод: в зависимости от угла атаки изменяется и подъемная сила. При постепенном увеличении угла атаки ламинарный поток воздуха, поднявший и удерживающий модель крыла в воздухе, сменяется турбулентным потоком (модель начинает сильно вибрировать) и затем срывается с корпуса крыла, то есть не обтекает его сверху, в результате чего подъемная сила не создается и крыло опрокидывается под действием потока воздуха, силы сопротивления.
Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше — сопротивление будет небольшим, но и подъёмная сила маленькой. Если развернуться круче к потоку - сопротивление окажется так велико, что крыло превратится скорее в парус. Отношение величины подъёмной силы к величине силы сопротивления называется аэродинамическим качеством. Это один из самых важных критериев, относящихся к летательному аппарату. Оно и понятно, ведь чем выше аэродинамическое качество, тем меньше энергии тратит летательный аппарат на преодоление сопротивления воздуха.
У каждого профиля есть свой критический угол атаки. Профили крыла очень многообразны. Выбор профиля зависит от назначения самолета. Если самолет не скоростной, то профили, как правило, имеют большую относительную толщину. Крыло с таким профилем имеет хорошие несущие свойства на небольших скоростях. Если самолет скоростной, то относительная толщина профиля меньше, это уменьшает лобовое сопротивление самолета, а хорошие несущие свойства достигаются большой скоростью полета и мощной механизацией крыла. На современных самолетах крыло имеет различные профили по размаху. Это называется аэродинамической круткой крыла.
3. Механизация крыла.
Итак, чтобы поднять самолет в воздух, нужна подъемная сила, которая зависит от формы крыла и угла атаки. Но во время полета самолету необходим большой диапазон летных скоростей. Взлет и посадка тем безопасней, чем меньше будут скорости взлета и посадки. При полете на высоте самолет разгоняется до максимальных эксплуатационных скоростей. Так вот, для снижения скорости взлета и посадки и существует так называемая механизация крыла. В нее входят предкрылки, закрылки, посадочные щитки, спойлеры (рис. 17).
Основным элементом механизации крыла являются закрылки – это установленные в задней части крыла специальные отклоняющиеся поверхности (рис. 18). Основное их назначение – уменьшение скорости полета с обеспечением приемлемой подъемной силы.
Другой элемент механизации крыла – предкрылки - отклоняющиеся вниз поверхности, но уже на носке крыла (в передней части профиля) (рис. 19). Они нужны для того же, что и закрылки.
Спойлеры служат наоборот, для гашения подъемной силы. Расположены в верхней части профиля крыла (рис. 20). Отклоняясь вверх спойлеры организуют срыв потока на крыле, тем самым резко уменьшая подъемную силу. Их применяют при выполнении крена или после посадки для торможения самолета и более устойчивого сцепления колес с полосой.
Элероны расположены на концевых частях крыльев (рис. 17), с их помощью самолет поворачивает: наклон ручки управления (или поворот штурвала) к правому борту заставляет правый элерон подняться, а левый – опуститься. Соответственно подъемная сила на левом крыле возрастает, а на правом падает, и самолет наклоняется вправо. И наоборот.
Заключение.
В настоящем проекте я постарался ответить на вопрос: «Почему самолет летает?».
Я выяснил, что самолет летает под действием подъемной силы, которая зависит от формы крыла и угла атаки воздуха. А подъем, маневры, посадка самолета осуществляется пилотом с помощью приспособлений, которые в совокупности называются механизацией крыла.
В будущем я планирую более подробно изучить вопросы пилотирования самолета с учетом выясненных и проверенных на опытах в рамках данного проекта законов природы на сконструированной самостоятельно модели самолета.
Список литературы.
1. Почему самолет летает? / ЧЕРНЫШЕВ, директор ЦАГИ. - Журнал «Наука и жизнь», № 11, 2008 г.
2. http://*****
3. http://*****/Samoliot. html.
4. http://www. *****/articles/avia.
