Модель простого летального аппарата: исследование дальности полета

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЧУ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА «КЛАССИКА»

Южного административного округа города Москвы

Модель простого летального аппарата: исследование дальности полета

Исследовательская работа

Автор работы:

Захаров Максим,

11 класс

Руководитель:

Гилядов Соломон Рувинович,

Москва 2019

Оглавление

Введение

Глава 1. Краткая история летательных аппаратов

1.1 Летательные аппараты до изобретения двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

1.2 Самолеты на двигателях внутреннего сгорания (ДВС)

1.3 Самолеты на реактивных двигателях (РД)

Выводы

Глава 2. Исследование дальности полета модели летательного аппарата

2.1 Организация и описание методов исследования

2.2 Описание и анализ результатов исследования

Выводы

Заключение

Список источников информации

Приложения

Приложение 1. Графики по результатам эксперимента

Приложение 2. Фотографии модели летательного аппарата на резинмоторе



Введение

Данная работа посвящена исследованию дальности полета модели простого летательного аппарата.

Проблема исследования состоит в том, что при решении школьных физических задач, не учитываются некоторые силы (например, сила трения), а также физические данные, характеризующие окружающую среду (давление, температура и др.). В то же время получение реальных результатов при решении задач без учета этих данных невозможно. Как влияет переменная сила тяги на движение тела, брошенного горизонтально? Как зависит дальность полёта тела, брошенного горизонтально, от других характеристик тела, например массы? Эти и другие вопросы составили проблему исследования.

Актуальность исследования состоит в изучении переменной силы тяги, действующей на модель простого летательного аппарата. Социальная значимость работы заключается в демонстрации широкой общественности возможностей инженерии. Лично мне важно углубить знания по физике, так как с физикой я связываю будущую профессиональную деятельность.

Учебное исследование реализуется в области физики и математики.

Объектом исследования является дальность полета модели летательного аппарата.

Предмет исследования - влияние массы и силы тяги двигателя на дальность полета модели летального аппарата на резинмоторе.

Гипотеза исследования: чем меньше масса летательного аппарата на резинмоторе и больше начальная сила тяги, тем больше его дальность полета.

В работе поставлена следующая цель: доказать, что дальность полета летального аппарата на резинмоторе зависит от его массы и начального значения силы тяги мотора.

Для реализации поставленной цели выдвинуты следующие задачи:

· изучить краткую историю летательных аппаратов;

· сравнить различные летательные аппараты;

· обобщить полученные данные;

· собрать модель летательного аппарата на резинмоторе;

· испытать модель при различных условиях полета;

· провести измерение дальности полета модели простого летального аппарата на резинмоторе в зависимости от его массы и начального значения силы тяги двигателя;

· обработать полученные данные.

В исследовании были использованы следующие методы:

1. Анализ и синтез источников информации.

2. Сравнение различных летательных аппаратов.

3. Обобщение полученных данных.

4. Физическое моделирование модели летательного аппарата на резинмоторе.

5. Эксперимент - испытание созданной модели.

6. Математический метод обработки данных эксперимента.

Практическая значимость данной работы заключается в использовании ее результатов на уроках физики при решении задач на движение тел и изучении физических основ полетов самолетов.



Глава 1. Краткая история летательных аппаратов

1.1 Летательные аппараты до изобретения двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Анализ источников информации свидетельствует о том, что правильное объяснение феномена полета было дано уже в XVIII-XIX веках, но наука аэродинамика возникла только в первые десятилетия XX века [1].

В 1738 г. Бернулли в своем капитальном труде «Гидродинамика» вывел закон, справедливый для жидкостей и газов, а именно: с увеличением скорости потока давление его на стенки сосуда уменьшается [1]. Непосредственно действие закона Бернулли можно проиллюстрировать (см.: рис. 1) [1].

Рисунок 1. Возникновение подъемной силы [1].

По рисунку видно, что подъемная сила регулируется изменением угла атаки крыла (так называется угол между плоскостью крыла и потоком воздуха), при этом, чем больше угол атаки - тем больше подъемная сила [1].

Под летательным аппаратом (далее - ЛА) понимается общее название устройства (аппарата) для полётов в атмосфере или космическом пространстве [1].

В литературных источниках выделены следующие принципы полёта:

· аэростатический - архимедовой силой, равной силе тяжести вытесненной телом массы воздуха;

· аэродинамический - подъёмная сила создаётся через силовое взаимодействие движущегося сквозь воздушную среду летательного аппарата. Таким образом, сила тяжести преодолевается благодаря аэродинамической силе, как силе реакции на отбрасывание вниз части воздуха, обтекающего несущие поверхности летательного аппарата.

· инерционный - силой инерции летящего тела за счёт начального запаса скорости или высоты, поэтому такой полет называют также пассивным;

· ракетодинамический - реактивной силой за счёт отбрасывания части массы летящего тела. В соответствии с законом сохранения импульса системы возникает движение при отделении от тела с какой-либо скоростью некоторой части его массы [1].

В истории авиации пионером считается Отто Лилиенталь [1]. Первый планер исследователя состоял из ивового каркаса, обтянутого материей (см.: рис. 2). В целом аппарат имел массу всего 20 кг. Лилиенталь подвешивался к нему, продев руки в два прикрепленных под крыльями ремня, и сбегал с холма навстречу ветру. Постепенно высота холмов и продолжительность полетов увеличивались. Большинство полетов происходили с холма высотой 30 м [1].

В период с 1891 по 1896 гг. Лилиенталь совершил более 2000 удачных скользящих полетов. В результате, он мог пролетать более 100 м, находясь в воздухе до 30 секунд [1]. Таким образом, Лилиенталь первый доказал возможность планирующего полета. Он же первым правильно подошел к изучению аэродинамических сил, воздействующих на крыло [1], а научное обоснование причин парения птиц, данное Лилиенталем и Н.Е. Жуковским, во многом определило развитие авиации [3]. Следует отметить, что открытий у исследователя было много. Так, Лилиенталь впервые разработал биплан. Чтобы увеличить площадь крыла он сделал надстройку из ещё одного крыла [3]. Однако первый в истории авиации технический проект самолета с паровым двигателем был создан в 1835 г. немецким механиком Ф. Маттисом [4]. Согласно проекту летальный аппарат Матисса должен был иметь плоское ромбовидное крыло [4].

Рисунок 2. Отто Лилиенталь готовится к полету [3].

В центре крыла размещалась паровая машина, впереди имелся отсек для летчика и пассажиров [4]. Если управление предполагалось осуществлять с помощью расположенных позади крыла рулей высоты и направления, предусматривался также специальный груз для балансировки в полете, то для взлета и посадки служило колесное шасси [4]. Интересно, что основной материал конструкции Маттиса - это дерево [4]. Для движения в воздухе должна была применяться установленная под фюзеляжем машущая поверхность, которая была снабжена клапанами, открывающимися при холостом ходе (вперед). Конструкция ЛА требовала специальной платформы для взлета с углублением посередине [4].

Ключевым моментом в развитии идеи самолета стало появление проекта У. Хенсона (Англия, 1842 г.). Значение этого предложения состояло, во-первых, в том, что это был первый принципиально верный технический проект самолета и, во-вторых, это был первый проект летательного аппарата с неподвижным крылом, получивший широкую известность [4]

Как испытатель, Хенсон был первым, кто предложил применить на самолете винтовой пропеллер [4].

Между тем, в ряде литературных источников отмечается, что первый в истории авиации полёт самолёта был осуществлён 17 декабря 1903 г. [8]. Этим самолетом был «Флайер-1», который продержался в воздухе 12 секунд и пролетел 36,58 метров (120 футов). Лётчиками были братья Райт из США.

К достижениям братьев Райт относится то, что на модернизированных моделях они впервые в мире 20 сентября 1904 г. выполнили полёт по кругу, а в 1905 г. - полёт по замкнутому маршруту длиной в 39 км [8]. ЛА братьев Райт представлял собой биплан типа «утка», когда пилот размещался на нижнем крыле, руль направления сзади, руль высоты спереди, при этом двухлонжеронные крылья были обшиты тонким небелёным муслином [8].

1.2 Самолеты на двигателях внутреннего сгорания (ДВС)

Анализ литературы показал, что поршневые двигатели появились на несколько десятилетий раньше, чем сама авиация. В то же время в авиации на сегодняшний день поршневые двигатели практически полностью вытеснены газотурбинными двигателями и используются исключительно в малоразмерных персональных либо спортивных самолетах [6].

В классификации ДВС по количеству тактов различают 3 типа двигателя - двухтактный, четырехтактный и шеститактный [6]. Наиболее широко используемым является четырехтактный двигатель, четыре его такта показаны на схеме (см.: рисунок 3) [6]. Кстати, двигатель «Флайера», самолета братьев Райт, был четырёхтактный, со стартовой мощностью 16 лошадиных сил и весил 80 кг [8].



На схеме (см.: рис. 3) представлено устройство цилиндра четырехтактного двигателя воздушного охлаждения [6]: 1 - впускной патрубок (подача топливно-воздушной смеси в цилиндр); 2 - стенка цилиндра; 3 - поршень (возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов); 4, 5 - шатун и коленвал (преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент); 6 - свеча зажигания; 7 - выхлопной патрубок (вывод отработанных газов); 8 - впускной и выпускной клапаны («открывают» цилиндр для входа смеси (впускной) и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр [6].

Рисунок 3. Четырехтактный бензиновый двигатель воздушного охлаждения.

Рабочий цикл двигателя [6].

Если в автомобилях воздушное охлаждение практически не используется, то в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень и очень широко используются [6]. К преимуществам такого типа двигателя перед другими относятся следующие особенности: меньшая масса; большая удельная мощность; более простая и более надежная конструкция [6].

Рисунок 4. Внешний вид поршневого авиационного двигателя [6].

летательный двигатель модель самолет

Кроме этого, из-за большой силы набегающего потока во время полета, эффективность охлаждения обычно достаточна для нормальной работы двигателя [6].

1.3 Самолеты на реактивных двигателях (РД)

По определению, реактивный двигатель (РД) - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела [7]. В ходе работы двигателя газы с большой скоростью истекают из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении [7].

Как указывается в специальной литературе, реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, по этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов [7]. Особенности реактивных двигателей [7]:

1. Сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды.

2. Сила тяги реактивного двигателя не зависит от скорости движения ракеты.

3. Полезная мощность реактивного двигателя пропорциональна скорости ракеты.

4. При скорости ракеты, большей, чем половина скорости истечения газов двигателя, полезная мощность реактивного двигателя становится больше полной мощности (парадокс силы тяги реактивного двигателя) [7].

В СССР первый реактивный самолет выпустили в 1941 году [5]. Отличительной чертой этого самолета было то, что сопло двигателя выполняло функцию защиты самолета излишнего нагрева [5]. Конструктивно - это был деревянный планер, к которому были прикреплены жидкостно-реактивные двигатели [5].

Когда началась Великая Отечественная война, все модели были переброшены на Урал, где начались экспериментальные вылеты и испытания. Окончательно доработать советскую модель реактивного самолета удалось только в 1945 году [5].

Рисунок 5. Первый советский реактивный самолёт Як-15.

В массовый выпуск запустили сразу две модели - Як-15 и МиГ-9, а в 1948 году на смену этим самолетам пришел усовершенствованный МиГ-15 [5].

Следует отметить, что самый известный сверхзвуковой реактивный пассажирский самолет, наряду с английским Concorde, - советский ТУ-144 [5].

Выводы

1. Летательный аппарат (ЛА) - общее название устройства (аппарата) для полётов в атмосфере или космическом пространстве.

2. В 1738 г. Бернулли открыл закон: с увеличением скорости потока давление его на стенки сосуда уменьшается.

3. Одним из пионеров авиации считается Отто Лилиенталь, который первым доказал возможность планирующего полета и правильно подошел к изучению аэродинамических сил, воздействующих на крыло. Исследователь привел научное обоснование причин парения птиц, впервые разработал биплан.

4. Существуют четыре основных принципа полета: аэростатический, аэродинамический, инерционный ракетодинамический.

5. Первый в истории авиации технический проект самолета с паровым двигателем был создан в том же 1835 г. механиком из Нюрнберга Ф. Маттисом.

6. Английский инженер, Хенсон, первым предложил применить на самолете две инновации на то время: неподвижное крыло и винтовой пропеллер.

7. Первым самолётом, который смог самостоятельно совершить устойчивый управляемый горизонтальный полёт, стал «Флайер-1», построенный братьями Орвилом и Уилбуром Райт в США. Первый полёт самолёта в истории был осуществлён 17 декабря 1903 года.

8. Несмотря на технический прогресс, и в настоящее время в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень широко используются. Это происходит благодаря преимуществам перед двигателями жидкостного охлаждения (меньшая масса, большая удельная мощность; простая и более надежная конструкция; др.).

9. Теоретическое исследование позволило выявить особенности реактивных двигателей:

· сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды и скорости движения ракеты;

· полезная мощность реактивного двигателя пропорциональна скорости ракеты;

· при скорости ракеты, большей, чем половина скорости истечения газов двигателя, полезная мощность реактивного двигателя становится больше полной мощности.



Глава 2. Исследование дальности полета модели летательного аппарата

2.1 Организация и описание методов исследования

В практической части работы была разработана следующая схема эксперимента:

· подготовка эксперимента.

· конструирование простой модели летательного аппарата на резинмоторе;

· изучение модели летательного аппарата на резинмоторе;

· проведение измерений с использованием данной модели;

· обработка данных эксперимента с использованием статических методов;

· определение перспективы исследования.

Исследование проводится в ОЧУ СОШ «Классика». Для проведения исследования выбраны методы:

1. Физическое моделирование.

2. Эксперимент.

3. Наблюдение.

4. Мысленное моделирование.

5. Математический метод обработки данных эксперимента.

В ходе подготовки эксперимента мы изучили следующие понятия: модель, моделирование, наблюдение и эксперимент.

Эксперимент - это метод исследования некоторого явления в управляемых условиях. Отличается от наблюдения активным взаимодействием с изучаемым объектом [11].

Под моделью понимается объект или описание объекта, системы для замещения (при определенных условиях предложениях, гипотезах) одной системы (т.е. оригинала) другой системы для изучения оригинала или воспроизведения его каких-либо свойств [9].

Под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей [9].

Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью объектов заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект [9].

Для реализации поставленных задач определен следующий план:

1. Подготовка деталей для сборки модели.

2. Сборка модели летательного аппарата на резинмоторе по схеме.

3. Проведение испытаний модели при разных начальных значениях силы тяги.

4. Наблюдение за движением модели.

5. Обработка полученных данных.

6. Анализ результатов наблюдения.

7. Написание первичных выводов (наиболее значимых результатов исследования).

8. Апробация результатов исследования - проверка рекомендаций на базе исследования.

9. Написание окончательных выводов.

В результате первичной обработки и анализа результатов исследования разработаны:

1. Таблицы с данными проведенного эксперимента.

2. Графики зависимости дальности полета от массы и переменной силы тяги двигателя.

В процессе апробации модели ЛА выявлена оптимальная схема распределения массы тела по фюзеляжу (корпусу) летательного аппарата.



2.2 Описание и анализ результатов исследования

В рамках подготовки физического эксперимента была собрана модель простого летательного аппарата (См.: приложение 2).

Мы использовали модель летательного аппарата на основе резинмотора [10]. Резинмотор представляет собой скрученный эластичный жгут из одной или нескольких резиновых нитей: один конец жгута закрепляется неподвижно на модели, другой крепится к движителю (пропеллеру, колесу) [10]. Всего было проведено 50 запусков. Модели на резинмоторе сообщалась начальная скорость для горизонтального полета с высоты 80 см.

Масса модели m = 0,03 кг = 30 г. Вес P = 0,3 Н. В ходе осуществленного эксперимента были получены следующие результаты (См.: таблицы 1-3).

Таблица 1

Опыт 1. Сила тяги F= 3,2 Н.

№	Число оборотов	Масса модели, кг	Дальность полета, м
1.	70	0,03	5,80
2.	70	0,038	3,10
3.	70	0,047	2,05
4.	70	0,055	1,55
5.	70	0,063	1,15
6.	70	0,072	1,00
7.	70	0,08	0,90

Таблица 2

Опыт 2. Сила тяги F= 3,7 Н.

№	Число оборотов	Масса модели, кг	Дальность полета, м
1	100	0,03	12,30
2	100	0,038	11,85
3	100	0,047	11,00
4	100	0,055	9,45
5	100	0,063	7,95
6	100	0,072	7,00
7	100	0,08	6,50

Таблица 3

Опыт 3. Сила тяги F= 4,1 Н.

№	Число оборотов	Масса груза, кг	Дальность полета, м
1	130	0,03	16,60
2	130	0,038	14,45
3	130	0,047	12,50
4	130	0,055	11,30
5	130	0,063	9,45
6	130	0,072	7,9
7	130	0,08	7,05

В результате проведённого исследования можно сделать следующие выводы:

1) При начальной силе тяги 3,2 Н дальность полёта модели уменьшается с увеличением её массы.

2) При увеличении начальной силы тяги до 3,7 Н и до 4,1 Н полученные результаты согласуются с данными первого эксперимента.

3) При увеличении начальной силы тяги начальная скорость модели увеличивается, что, в свою очередь, приводит к увеличению дальности полёта.

Выводы

В ходе подготовки работы мы изучили литературу о движении тела, брошенного горизонтально. Трудность была в том, что на экспериментальную модель наряду с силой тяжести действовали также переменная сила тяги и сила сопротивления воздуха, другие параметры среды.

Для осуществления эксперимента мы собрали 2 модели самолетов на резинмоторе. Масса модели - 30 г. Начальную силу тяги измеряли при помощи динамометра, при этом погрешность измерений нами не учитывалась.

Эксперимент был поставлен с целью проверки выдвинутой гипотезы.

Мы исследовали зависимость дальности полета от массы модели и начальной силы тяги. При этом значение силы тяги достигалось скручиванием резинового жгута.

Было проведено 3 испытания по 7 запусков модели: при начальной силе тяге 3,2 Н (70 оборотов пропеллера модели); 3,7 Н (100 оборотов); 4,1 Н (130 оборотов).

Следует отметить, что в целом результаты опытов согласуются с формулой зависимости дальности полета от начальной скорости. В то же время наблюдается искажение зависимости дальности полета от начальной скорости в конечной части траектории полета.

Анализ показал, что причиной данного результата может быть уменьшающаяся сила тяги двигателя.



Заключение

Данное исследование посвящено изучению дальности полета модели простого летального аппарата.

В ходе теоретического исследования, проведенного в первой главе, было выявлено, что летательный аппарат - общее название устройства (аппарата) для полётов в атмосфере или космическом пространстве. Одним из пионеров авиации считается Отто Лилиенталь, который первым доказал возможность планирующего полета и правильно подошел к изучению аэродинамических сил, воздействующих на крыло.

Было выявлено, что английский инженер, Хенсон, первым предложил применить на самолете две инновации на то время: неподвижное крыло и винтовой пропеллер. В то же время первым самолётом, который смог самостоятельно совершить устойчивый управляемый горизонтальный полёт, стал «Флайер-1», построенный братьями Орвилом и Уилбуром Райт в США. Первый полёт самолёта в истории был осуществлён 17 декабря 1903 года.

Особенности реактивных двигателей обеспечили их применение реактивной авиации и условиях безвоздушного пространства.

Для проверки гипотезы в практической части данного исследования проведены 3 испытания по 7 запусков модели: при начальной силе тяге 3,2 Н (70 оборотов двигателя); при начальной силе тяге 3,7 Н (100 оборотов); при начальной силе тяге 4,1 Н (130 оборотов).

В целом результаты эксперимента коррелируются с характеристиками движения тела, брошенного горизонтально.

В то же время наблюдается искажение пропорциональности зависимости дальности полета от начальной скорости в конечной части траектории полета. Анализ показал, что причиной данного результата может быть изменяющаяся сила тяги.

Таким образом, выдвинутая в начале нашего исследования цель - достигнута, а гипотеза подтверждена: чем меньше масса летательного аппарата на резинмоторе и больше начальная сила тяги, тем больше ее дальность полета.

Практическая значимость работы определяется тем, что результаты осуществленного исследования используются на уроках физики при решении задач и изучении физических основ полетов летальных аппаратов.

Перспектива исследования состоит в определении начальной скорости и сравнении результатов эксперимента с результатами теоретических задач, в которых сила трения и другие физические параметры не учитываются. Данное исследование будет продолжено мною при обучении в одном из технических университетов г. Москвы.



Список источников информации

1. История изобретений [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://istoriz.ru/aeroplan-istoriya-izobreteniya.html

2. Летательный аппарат [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82

3. Лилиенталь, Отто [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C,_%D0%9E%D1%82%D1%82%D0%BE

4. Первые проекты самолетов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.airwar.ru/other/sobolev/htmls/t1g2.html#s1_24_2

5. Первые реактивные самолеты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.syl.ru/article/299573/pervyie-reaktivnyie-samoletyi

6. Поршневой двигатель самолета [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://avia.pro/blog/porshnevoy-dvigatel-samoleta

7. Реактивный двигатель [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://wiki2.org/ru/Реактивный_двигатель

8. Первые самолёты. Флайер и Фарман [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://timemislead.com/tehnicheskie-dostizheniya/pervyie-samoletyi-flayer-i-farman

9. Модель и моделирование [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bourabai.ru/library/cm.pdf

10. Резинмотор [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%80

11. Эксперимент [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/4638

Приложения

Приложение 1

График 1

График зависимости дальности полета модели от массы при силе тяги двигателя 3,2 Н



График 2

График зависимости дальности полета модели от массы при силе тяги двигателя 3.7 Н

График 3

График зависимости дальности полета модели от массы при силе тяги двигателя 4.1 Н



График 4

Интегрированный график зависимости дальности полета модели от ее массы при различных значениях переменной силы тяги двигателя



Приложение 2

Фотографии модели простого летательного аппарата на резинмоторе



Размещено на Allbest.ru

...