Муніципальна науково - практична конференція «Крок у майбутнє»
Науково - дослідний проект на тему:
«Чому літають літаки».
Директор школи. Чіженькова Світлана Анатоліївна
Керівник роботи. Литвинова Наталія Вікторівна.
1.Ціль проекту 3
2.Задачі проекту 3
4.Проблемний питання 3
5.Актуальность теми 3-4
7.Под'ёмная сила 4-5
8.Под'ёмная сила крила 5-7
9.Расчётние формули 7
10.Сіловие установки 7-8
11.Жуковскій Микола Єгорович 8-9
12.Як льотчики управляють літаками 9-10
Людина полетить, спираючись не на силу своїх м'язів, а на силу свого розуму.
Мета проекту. знайти відповідь на питання: чому літають літаки.
1.Изучить теоретичний матеріал по темі «Теорія польоту».
2.Найті відповідь на питання: чому літають літаки.
3.Создать пізнавальний дидактичний матеріал до уроків фізики за темою «Аеродинаміка».
Гіпотеза. Якщо є крила, то будь-яке тіло полетить.
Проблемне питання: Чому літак, який важчий за повітря, літає?
Пошук відповіді на питання:
Підйомна сила крила як причина ширяння.
Силові установки.
Н.Є. Жуковський - батько російської авіації.
Актуальність теми. Тема не є елементом складної проблеми, але предмет дослідження може впливати на її рішення як фактор зовнішнього середовища. По-перше, на сьогоднішній день немає однозначної відповіді на питання: «Яким повинен бути ідеальний літак?». Конструктори знаходяться в постійному пошуку і працюють над створенням нових моделей літальних апаратів або вдосконаленням вже створених моделей літаків. По - друге, професія авіаконструктор не є популярною серед учнів, т. К. Впав інтерес до вивчення фізики через її труднощі і тому хороших конструкторів стає все менше і менше. А проблема - створення нових моделей залишається. По-третє, професія пілот була невиправдано забута і лише зараз починається відроджуватися, як зараз модно говорити через її «модності». Але щоб бути хорошим пілотом, не достатньо лише вміти керувати літаком, необхідні теоретичні знання в області математики, фізики та спеціальних дисциплін.
Ми вважаємо, що дана тема змусить багатьох хлопців переосмислити підхід до вивчення фізики, і вплине на вибір професії пов'язаної з авіацією більш усвідомлено. Тому даний предмет не можна не враховувати і необхідно досліджувати. А ще ми вибрали цю тему, так як хочемо своє майбутнє життя пов'язати з авіацією. Саме тому нам стало цікаво, а чому ж все таки літають літаки. Так зародилася ідея попрацювати над проектом по темі: чому літають літаки.
Людину завжди вабило небо, пізнати невідомість. Людство здавна шукало шляхи до незвіданого і використовувало різні можливості піднятися над землею. Так чому ж людина не змогла цього зробити, не зміг як птах полетіти над землею? Адже, здається, потрібно лише скопіювати крила птаха, прикріпити їх до рук і, наслідуючи пернатим, злетіти в піднебессі. Але не тут-то було. Виявилося, що людині не вистачає сил, щоб підняти себе в повітря на махають крилах. Розповідями про таких спробах рясніють літописі всіх народів, від давньокитайських і арабських (перша згадка міститься в китайській хроніці «Цаньханьшу», написаної ще в I ст. Н.е.) до європейських та російських. Майстри в різних країнах використовували для виготовлення крил слюду, тонкі прути, шкіру, пір'я, але полетіти так нікому і не вдалося.
Якщо у тіла є можливість створювати підйомну силу велику ваги цього тіла, то у тіла є можливість відриватися від землі.
Словосполучення «підйомна сила» знайоме практично будь-якій людині, але дивно те, що далеко не кожен може сказати, звідки ж вона все-таки береться, ця сама сила. А між тим пояснити її походження можна просто, буквально «на пальцях», не звертаючись до математичні нетрі.
Як відомо, головна несуча поверхня літака - це крило. Воно практично завжди має певний профіль, у якого нижня частина плоска, а верхня опукла. Повітряний потік, проходячи під нижньою частиною профілю, майже не змінює своєї структури і форми. Зате, проходячи над верхньою частиною, він звужується, адже для нього верхня поверхня профілю - це як увігнута стінка в трубі, по якій цей самий потік як би протікає.
Тепер, щоб через цю «продавлені» трубу прогнати за певний час той же об'єм повітря, його потрібно рухати швидше, що і відбувається насправді. Залишилося згадати закон Бернуллі з улюбленого шкільного курсу фізики, який свідчить, що чим вище швидкість потоку, тим нижче його тиск. Таким чином, тиск над профілем (а значить і над всім крилом) нижче тиску під ним.
Виникає сила, яка намагається «видавити» крило, а значить і весь літальний апарат вгору. Це і є та сама вищезгадана підйомна сила. Як тільки вона стає більше ваги - ура! Ми в повітрі! Ми летимо! І, до речі, чим вище наша швидкість, тим більше підйомна сила. Якщо ж надалі підйомна сила і вага зрівняються по величині, то літак перейде в горизонтальний політ. А гарну швидкість нам додасть потужний авіаційний двигун або, точніше, сила тяги, яку він створює.
У 1505 році великий Леонардо да Вінчі писав: «... коли птах знаходиться в вітрі, вона може триматися в ньому без помахів крилами, бо ту ж роль, яку при нерухомому повітрі крило виконує щодо повітря, виконує рухомий повітря відносно крил при нерухомих крилах ». Звучить це складно, але по суті не просто вірно, а геніально. З цієї ідеї слід: щоб полетіти, не потрібно розмахувати крилами, потрібно змусити їх рухатися щодо повітря. А для цього крила потрібно просто повідомити горизонтальну швидкість. Від взаємодії крила з повітрям виникне підйомна сила, і, як тільки її величина виявиться більше величини ваги самого крила і всього, що з ним пов'язано, почнеться політ. Справа залишалася за малим: зробити відповідне крило і зуміти розігнати його до необхідної швидкості.
^ Підйомна сила крила.
Підйомна сила крила (позначимо її F) виникає завдяки тому, що поперечний переріз крила являє собою найчастіше несиметричний профіль з більш опуклою верхньою частиною. Крило літака або планера, переміщаючись, розсікає повітря. Одна частина цівок зустрічного потоку повітря піде під крилом, інша - над ним.
У крила верхня частина більш опукла, ніж нижня, отже, верхнім струмків доведеться пройти більший шлях, ніж нижнім. Однак кількість повітря, що набігає на крило і стікає з нього, однаково. Значить, верхні струмки, щоб не відставати від нижніх, повинні рухатися швидше. Тиск під крилом більше, ніж над крилом. Ця різниця тисків і створює аеродинамічну силу R, однією зі складових якої є підйомна сила F.
Підйомна сила крила тим більше, чим більше кут атаки, кривизна профілю. площа крила, щільність повітря і швидкість польоту , причому від швидкості підйомна сила залежить в квадраті. Кут атаки повинен бути менше критичного значення , при підвищенні якого підйомна сила падає.
Розвиваючи підйомну силу, крило завжди відчуває і лобове опір X спрямоване проти руху і, отже, гальмує його. Підйомна сила перпендикулярна набігаючого потоку.
Сила R називається повної аеродинамічної силою крила. Крапку програми аеродинамічної сили називають центром тиску крила (ЦД).
1.Формула для розрахунку підіймальної сили:
де F - підйомна сила крила,
CF - коефіцієнт підйомної сили,
S - площа крила.
2.Формула для розрахунку аеродинамічної сили:
CR - коефіцієнт аеродинамічної сили,
S - площа крила.
Підйомна сила літального апарату, врівноважуючи його вага, дає можливість здійснювати політ, лобове ж опір гальмує його рух. Лобове опір долається силою тяги, що розвивається силовою установкою.
Силова установка (авіаційний двигун) літаку потрібна для розвитку підйомної сили і для переміщення в просторі. Чим більше швидкість, тим більше підйомна сила. На сучасних літаках крила роблять стрілоподібної конструкції для того, щоб крило не руйнувалося в польоті від лобового опору.
поршневий
турбогвинтовий
реактивний.
Всі ці двигуни відрізняються по швидкісним і тяговим показниками. Реактивний двигун більш досконалий. Сучасні бойові літаки з таким типом двигунів перевершують швидкість звуку в кілька разів.
^ Жуковський Микола Єгорович.
Основоположником сучасної гідро- і аеромеханіки, «батьком російської авіації» є великий російський учений Н. Е.Жуковскій. Він народився в родині інженера шляхів сполучення. У 1858 вступив в 4-у московську чоловічу класичну гімназію і в 1864 закінчив її. У цьому ж році вступив до Московського університету на фізико-математичний факультет, який закінчив в 1868 році за спеціальністю «прикладна математика». У 1882 році Жуковському було присуджено вчений ступінь доктора прикладної математики.
З початку 20 століття основна увага Жуковського було направлено на розробку питань аеродинаміки і авіації. У 1904 році під його керівництвом в селищі Кучино, під Москвою, був побудований перший в Європі аеродинамічний інститут. Величезну роботу провів Жуковський з підготовки авіаційних кадрів - конструкторів літаків і пілотів. Одним з найбільш яскравих вогнищ зароджувалася вітчизняної авіаційної науки став гурток повітроплавання, організований Н.Є. Жуковським при Московському технічному училищі. Саме тут починали свій творчий шлях стали всесвітньо відомими авіаційні конструктори і вчені: О.С. Туполєв. В.П. Ветчінскін, Б.Н.Юрьев, Б.С.Стечкін, А.А. Архангельський і багато інших.
^ Як льотчики управляють літаком.
Щоб піднятися вгору, потрібно злегка опустити хвіст, тоді зросте кут атаки крила, літак почне набирати висоту. Для цього пілот повинен потягнути штурвал (ручку керування) на себе. Кермо висоти на стабілізаторі відхиляється вгору, його підйомна сила зменшується і хвіст опускається. При цьому кут атаки крила збільшується і його підйомна сила зростає. Щоб спікірувати, пілот нахиляє штурвал вперед. Кермо висоти відхиляється вниз, літак задирає хвіст і починає зниження.
Нахилити машину вправо або вліво можна за допомогою елеронів. Вони розташовані на кінцевих частинах крил. Нахил ручки управління (або поворот штурвала) до правого борту змушує правий елерон піднятися, а лівий - опуститися. Відповідно підйомна сила на лівому крилі зростає, а на правому падає, і літак нахиляється вправо. І навпаки для правого крила.
Кермом напрямку керують за допомогою педалей. Для цього ліву педаль штовхають вперед - літак повертає ліворуч, штовхаєте праву - направо. Але робить це машина «ліниво». А ось щоб літак швидко розвернувся, потрібно зробити кілька рухів. Наприклад, щоб повернути вліво, потрібно накренити машину вліво (повернути штурвал або нахилити ручку управління) і в той же час натиснути на ліву педаль і взяти штурвал на себе.
Як все просто. Ну, тоді чому льотчиків вчать літати кілька років?
Це питання ми поставили інструкторові нашого Краснокутського льотного училища. І ось що він нам відповів: «Та тому, що просто все тільки на папері. Ось ви дали літаку крен, взяли ручку на себе, а літак раптом почав з'їжджати убік, як на слизькій гірці. Чому? Що робити? Або в горизонтальному польоті ви вирішили піднятися вище, взяли штурвал на себе, а літак раптом, замість того щоб забиратися на висоту, клюнув носом і по спіралі полетів вниз, як кажуть, увійшов в «штопор». Пілотові в польоті потрібно стежити за роботою двигунів, за напрямком і висотою, за погодою і пасажирами, за власним курсом і курсами інших літаків і безліччю інших важливих параметрів. Пілот повинен знати теорію польоту, розташування і порядок роботи органів управління, повинен бути уважним і сміливим, здоровим, а найголовніше - любити літати ».
^ Відповідь на запитання отримана: літак піднімається в повітря тому, що на нього діють дві сили:
- підйомна сила крила. забезпечує більш високий тиск на нижню частину крила, ніж на верхню;
- сила двигуна або силової установки. забезпечує набір висоти і подальше переміщення літака в повітрі.
Так само нами був підібраний матеріал для завдань і на підставі його створено пізнавальний дидактичний матеріал до уроків фізики за темою «Аеродинаміка» (див. Додаток). Цей матеріал є в друкованому варіанті та електронному вигляді (CD - диск).
З дитинства літаки були нашою мрією, тепер це наша мета, і ми будемо йти до неї будь-якими шляхами, незважаючи на те, що професія пілотесси дуже небезпечна і важка!
1. Єрмаков А. М. «Найпростіші авіамоделі», 1989
3. Вікіпедія під ред. Введенського Б. А. т.16