Научно-исследовательская работа ученицы 2 класса "Почему летают самолёты"

Муниципальное Бюджетное Общеобразовательное Учреждение

Основная общеобразовательная школа №19

Исследовательская работа

Тема: «Почему летают самолёты».

Выполнила: ученица 2 «В» класса

Абашкина Софья

Руководитель: Уласевич Т.А.

г. Ногинск

Оглавление

Введение

Летом мы живём в деревне с родителями, часто мы наблюдаем за семьями воронов, летающих высоко в небе. Мне очень нравится, как они красиво летают. Наблюдая за ними, я обращаю внимание, что над ними высоко в небе прилетают самолеты.

И тут у меня в голове возникла мысль – почему вороны машут крыльями, а самолеты нет?Задавшись этим вопросом я с родителями решила изучить эту тему. Что бы понять, как человек смог перенять дар птиц к полету.

Миф о Дедале и Крите.

Миф про Дедала (великий греческий скульптор) и Икара рассказывает: взлететь на крыльях из воска смельчаки решили не ради забавы, а для побега. Талантливый конструктор Дедал решился бежать с острова Крит, где он находился на службе у царя Миноса. Создав крылья из перьев и воска. Маленький сын попросил взять его с собой, обещая слушаться во всем. Но когда поднялись в небо, мальчик захотел взлететь ближе к солнцу, игнорируя предупреждения отца. Под лучами растаял воск, крылья распались, и Икар разбился о волны. Конечно, это лишь легенда, однако в древности именно полеты птиц вдохновляли многих энтузиастов на создание летательных аппаратов. Вначале копировали «технику природы», затем, оторвавшись от земли, осваивали законы парения.

В процессе размышления над вопросом возникла гипотеза: предположим, что самолёт может летать благодаря силе, которая удерживает самолёт его в воздухе, и она зависит от формы крыла и фюзеляжа. Физические явления лежат в основе полёта самолёта. Самолеты летают благодаря мощным двигателям.

Цель работы: проследить историю появления авиации. Выяснить каким образом крыло и двигатель влияют на процесс взлета и полёта самолёта. Исследовать некоторые физические явления, происходящие при полете самолёта, установить между ними.

Для достижения поставленных целей были выделены следующие задачи:

1. изучить литературу и интернет – источники по вопросу исследования.

2. Разобраться в вопросах движения тел в воздушном потоке.

3. Выяснить какие характеристики крыла оказывают влияние на взлет самолёта.

4. Выяснить почему самолёт летает.

Глава 1. Теоретические основы

1. История возникновения авиации.

Авиация (французского aviation, от латинского avis — птица) — собирательное понятие, которое обозначает всю совокупность летательных аппаратов тяжелее воздуха для перемещения в околоземном воздушном пространстве ,все достижения специализированных областей знаний (аэродинамики, механики полёта, аэронавигации и т. д.) и всю систему организаций и государственных учреждений, которые используют летательные аппараты тяжелее воздуха, а также — обладают аэродромами, специалистами и соответствующими средствами обеспечения полётов. Первые чертежи летательных аппаратов, похожих на птичьи крылья, нам оставил знаменитый художник и ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи.

Леонардо да Винчи был убежден, что "человек, преодолевающий сопротивление воздуха с помощью больших искусственных крыльев, может подняться в воздух".

Убежденный в своей правоте, он начал разрабатывать аппарат, приводимый в движение только силой мышц человека, и позволяющий ему парить в воздухе как птица. Существует множество рисунков такого "ornitotteri", придуманных Леонардо. Одни из них изображают лежащего человека, который собирается взлететь с помощью механизмов, присоединенных к крыльям; другие - движение вперед при помощи более совершенной системы винтов и шкива. Есть и рисунки человека, расположенного вертикально в летательном корабле, на педали которого он нажимал руками и ногами.

Его проектом явился аппарат с движущимися крыльями, который был назван орнитоптером, или птицелетом. В одной из пробных моделей этого летательного аппарата крылья были, как у летучей мыши.

Но технически эта идея не решалась. Попыток подняться в воздух по идеи великого учёного и художника было не мало. Увенчались они успехом только в 1882 году. Русский морской инженер Александр Федорович Можайский (9.03.18 25-20.03.1890) построил первый самолёт и совершил на нём полёт, он продолжался несколько секунд.

Так произошло событие большого исторического значения — самолет с человеком на борту впервые в мире совершил взлет. Основная причина неудачи А.Ф. Можайского с технической точки зрения заключалась: во-первых, в отсутствии мощного и легкого двигателя; во-вторых, в те годы совершенно отсутствовала теория расчета - крыльев, воздушных винтов; в-третьих, отсутствие материалов и технологий, пригодных для строительства самолета.

Иногда и на блестящие умы находит затмение, иначе и не объяснить замечание выдающегося физика Дж. Томсона (18.12.1856-30.08.1940), высказанное им в 1895 году на одном из заседаний Королевского научного общества: «Летательные аппараты тяжелее воздуха летать не могут»? Неужели замечательный учёный, дожив до почтенного возраста, ослаб зрением и памятью? Ведь птицы-то летают! Впрочем, вполне возможно, что слова Томсона были неверно истолкованы, как это случилось позже с заявлением авторитетного астронома и математика Саймона Ньюкома (12.03.1835-11.07.1909) о том, что «никакие сочетания механизмов и известных форм энергии не могут заставить полететь любой аппарат тяжелее воздуха». Оказалось, что Ньюком имел в виду только уровень современных ему машин и механизмов, а вовсе не абсолютное отрицание возможности полёта.

К чести профессора Лэнгли, его аэропланы с паровыми двигателями летали вполне успешно. Недостаток мощности двигателя компенсировался стартовой катапультой, установленной на барже посреди реки Потомак. 5 мая 1896 года неуправляемый аппарат Лэнгли пролетел около километра и благополучно приводнился на реку, отчасти посрамив предсказания скептиков.

Самолёт — воздушное судно, предназначенное для полётов в атмосфере с помощью силовой установки, создающей тягу, и неподвижного, относительно других частей аппарата крыла, создающего подъёмную силу. Неподвижное крыло отличает самолёт от махолёта (орнитоптера) и вертолёта, а наличие двигателя — от планёра. От дирижабля и аэростата самолёт отличается тем, что использует аэродинамический, а не аэростатический способ создания подъёмной силы.

Слово «самолёт» применялось для обозначения летательных аппаратов ещё в 19 веке. Так, в 1857 году капитан 1-го ранга Н. М. Соковнин использовал это слово для обозначения управляемого аэростата.

1.2. Основные положения аэродинамики

В процессе изучения литературы было выяснено, что движение тела в воздухе подчинено определённым законам. Изучением этих законов занимается аэродинамика. Аэродинамика –наука, изучающая законы движения воздуха и силовое взаимодействие между телом и обтекающим его воздухом. Если мы рассматриваем движение самолета, вертолета, парашюта, птицы, кленового семечка, смерча, везде мы встречаемся с особенностью аэродинамического воздействия воздуха.

Рассмотрим основные положения аэродинамики:1. При движении потока воздуха по аэродинамической трубе или при обтекании различных тел, чем меньше площадь сечения или больше длина пути обтекания, тем выше скорость потока. То есть в узком месте движение ускоряется, в широком месте замедляется. 2.Там, где скорость потока больше, давление меньше и наоборот. В узком сечении трубы скорость больше, чем в широком, поэтому в сужающейся трубе газ движется ускоренно. Ускорение возможно только под действием силы. Эта сила создается разностью давлений. Следовательно, давление в широкой части трубы должно быть больше, чем в узкой.

Это положение описывается уравнением Бернулли.

р2 –с

где р1 , р2 –статические давления в сечениях 1 и 2

, - скоростные напоры в сечениях 1 и 2.

Работу уравнения Бернулли мы проверили экспериментально. Для этого взяли два листа бумаги, расположили их примерно на расстоянии 4-5 см друг от друга и подули со стороны образовавшегося туннеля.

Листы начали сближаться! (А мы-то думали, они отодвинутся друг от друга еще дальше).

Что же получается. Когда мы дуем, воздух движется и в туннеле и вне его. В туннеле он движется быстрее, так как площадь сечения меньше (используем положение 1). Раз скорость потока воздуха в туннеле больше, чем вне туннеля, значит давление воздуха на листы внутри туннеля меньше, чем вне. Поэтому листы сближаются. Итак, положение 2 работает!

Чтобы закрепить закон Бернулли провели опыт: включили фен для укладки волос и над потоками воздуха удерживали теннисный шарик. Движущийся воздуха мы использовали, чтобы удержать шарик.

Так мы поняли, как возникает подъёмная сила для летательного аппарата тяжелее воздуха.

1. Научное описание и объяснения явлений

Подъемная сила

Упрощённый вариант появления подъёмной силы крыла, которое располагается параллельно потоку воздуха. Конструкция крыла такова, что верхняя часть его профиля имеет выпуклую форму. Воздушный поток, обтекающий крыло, разделяется на два: верхний и нижний. Скорость нижнего потока остаётся практически неизменной. А вот скорость верхнего возрастает за счёт того, что он должен преодолеть больший путь за то же время. Чем выше скорость потока, тем ниже давление в нём. Следовательно, давление над крылом становится ниже. Из-за разницы этих давлений возникает подъёмная сила, которая толкает крыло вверх, а вместе с ним поднимается и самолёт.

И чем больше эта разница, тем больше и подъёмная сила. А почему подъёмная сила появляется, когда профиль крыла имеет вогнуто-выпуклую или двояковыпуклую симметричную форму? Профиль крыла самолёта располагается под углом к воздушному потоку. А поток воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью такого крыла, скашивается и приобретает движение вниз. Согласно закону сохранения импульса, на крыло будет действовать сила, направленная в противоположном направлении, то есть, вверх. На самом деле всё намного сложнее. Набегающий поток воздуха воздействует на крыло с силой, которая называется полной аэродинамической силой. А подъёмная сила – это одна из составляющих этой силы. Вторая составляющая – сила лобового сопротивления. Вектор полной аэродинамической силы – это сумма векторов подъёмной силы и силы лобового сопротивления. Вектор подъёмной силы направлен перпендикулярно вектору скорости набегающего воздушного потока. А вектор силы лобового сопротивления – параллельно. Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигателей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх. Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально. Двигатели самолёта создают тягу – силу, направление которой совпадает с направлением движения самолёта и противоположно направлению лобового сопротивления. Тяга толкает самолёт сквозь воздушную среду. При горизонтальном полёте с постоянной скоростью тяга и лобовое сопротивление уравновешены. Если увеличить тягу, самолёт начнёт ускоряться. Но и лобовое сопротивление увеличится тоже. И вскоре они снова уравновесятся. И самолёт будет лететь с постоянной, но большей скоростью. Если скорость уменьшается, то становится меньше и подъёмная сила, и самолёт начинает снижаться.

Всегда ли подъёмная сила поднимает тело? Мы решили поэкспериментировать. Взяли лист картона, ребром поставили его на ладонь и побежали. Когда лист относительно воздушного потока направлен вверх, он сам держится на ладони и даже поднимается.

Если же лист расположен параллельно потоку или вниз, лист опускается. Получается, действительно, угол атаки играет важную роль при работе подъемной силы.

Сила тяжести

Сила тяжести остается всегда одинаковой, на земле ли самолет или в воздухе, и поэтому приятно знать, что эта постоянная сила всегда с нами. Полет возможен только тогда, когда есть поступательная скорость. Поступательная скорость получается за счет энергии от сгорания горючего. Если мы отрываемся от земли и поднимаемся на некоторую высоту, мы уже имеем некоторый запас энергии (вес самолета), способный придать самолету поступательную скорость, когда мотор перестанет ее развивать. В случае остановки мотора на некоторой высоте над землей вес продолжает тянуть самолет вперед; самолет не падает, а начинает планировать, скользя вниз, будучи все время управляем. Чем выше самолет находится в воздухе, тем большее расстояние он может пролететь без мотора. Постоянно действующая сила тяжести становится чем- то вроде постоянной охраны обеспечивая самолет невидимой энергией, необходимой для движения вперед.

Конструкторы самолетов стремятся, чтобы крыло самолета при малом лобовом сопротивлении имело большую подъемную силу. В этом случае для продвижения самолета требуется меньшая мощность двигателя. Характеристикой качества профиля служит отношение подъемной силы F₁к силе лобового сопротивления F_c. Это отношение называют аэродинамическим качеством:

В аэродинамических расчетах обычно используют не значения подъемной силы и силы лобового сопротивления, а их коэффициенты С_x и C_y. Их находят опытным путем, продувая модели крыльев в аэродинамической трубе, и с помощью аэродинамических весов измеряют подъемную силу. Итак, в данной главе мы рассмотрели теоретические положения движения тела в воздушном потоке и выяснили, какие характеристики крыла могут повлиять на взлет самолета. Далее нам необходимо опытным путем подтвердить полученную информацию.

Глава 2. Экспериментальное исследование взаимосвязи формы крыла и аэродинамической силы

2.1. Изучение действия силы сопротивления на тела различной формы

В предыдущей главе мы выяснили, что для взлета самолета необходимо действие аэродинамической силы, которая раскладывается на две: силу лобового сопротивления и подъемную силу. Кроме того, в предыдущей главе были поставлены задачи для эксперимента. Задача 1 –выяснить, какая форма крыла имеет меньшее сопротивление. Для решения данной задачи отвлечемся от самолета и рассмотрим, какое сопротивление встречают при движении предметы разной формы. В качестве среды движения предметов возьмем воду –более плотную, чем воздух. В такой среде тела будут двигаться медленнее и нам будет удобнее за ними наблюдать. Для эксперимента использовались следующие фигуры, вылепленные из пластилина: капля, куб, конус.

Перед испытанием фигуры взвешивались для соблюдения одинаковой массы.

Турнир1. Капля носиком вверх и капля носиком вниз –кто быстрее.

Получили, что капля носиком вверх достигает дна быстрее, чем капля носиком вниз. Почему? Потому, что капля носиком вниз во время движения переворачивается в положение носиком вверх и тратит на это время. Почему капля переворачивается? Струи воды, как и воздуха, встречая на пути какое-либо тело, расступаются и огибают тело мягко, если тело обтекаемой формы и образуют завихрения среды, если тело труднообтекаемой формы.

В данном опыте мы как раз и наблюдаем действия завихрений на каплю носиком вниз, которые переворачивают каплю.

Турнир2.

Капля и куб –кто быстрее. Здесь удалось даже заснять момент падения и можно видеть, что кубик чуть-чуть отстает. Кубику помешали выиграть создаваемые им завихрения

Турнир 3.

Капля и конус. И опять выигрывает капля, благодаря своей хорошо обтекаемой поверхности.

Итак, капля –полный победитель! А мы делаем вывод, что для уменьшения силы сопротивления необходима конструкция обтекаемой формы. Рассматривая крылья самолетов, можно увидеть, что они утолщены спереди и заужены сзади, т.е. чем-то отдаленно напоминают каплю.

Опыт.

Простейшую модель летательного аппарата с реактивным двигателем можно сделать из того же воздушного шарика. Достаточно просто надуть его, а потом отпустить: струя воздуха, вырываясь из "горлышка шарика", создает реактивную силу и заставит шарик летать.

Заключение

В ходе работы было выяснено, что движение тел в воздухе подчинено законам аэродинамики: 1) чем меньше площадь сечения или площадь обтекания, тем выше скорость потока; 2) там, где скорость потока больше, давление меньше и наоборот. Было рассмотрено, что при движении в воздушном потоке на тело действуют две силы: сила сопротивления и подъемная сила, которые складываются в аэродинамическую силу. Было изучено влияние формы тела на сопротивление при движении в воде и установлено, что меньшим сопротивлением обладает тело формы капля. Для изучения подъемной силы был изготовлен стенд и два вида крыла: симметричной формы и несимметричной формы. Благодаря гидравлической системе на стенде стало возможным менять угол атаки, а благодаря весам –измерять появляющуюся подъемную силу. В результате испытаний было установлено, что большая подъемная сила при прочих равных условиях возникает для крыла несимметричной формы. Таким образом, все поставленные в исследовании задачи были решены, цель достигнута. Гипотеза, что на взлет самолета влияет не только скорость, но и форма крыла –подтверждена.

11