Конспект урока "Изучение зависимости аэродинамических качеств крыла от его формы" 10 класс

Данный исследовательский проект можно провести в виде урока элективного курса физики 10 классе.

Тема: Изучение зависимости аэродинамических качеств крыла от его формы. [Слайд 1]

Цели урока:

Образовательные:

 является исследование аэродинамических параметров трех видов крыла с одинаковым поперечным

сечением, но разной формы: прямоугольной, стреловидной и обратной стреловидностью при обтекании их

воздухом.

 повторение основных формул и понятий:

 закрепление и применение полученных знаний для решения экспериментальных задач по данной теме.

Развивающие:

 развитие умений проводить наблюдения, планировать и выполнять эксперименты, выдвигать гипотезы,

анализировать результаты экспериментов и делать соответствующие выводы;

 развитие умений быстро находить правильное решение.

Воспитательные:

 содействовать воспитанию интереса к предмету и как следствие позитивному отношению к учебе.

Тип урока: комбинированный

Ход урока

1. Организационный этап. Подготовка учащихся к уроку.

2. Актуализация темы. Слайды [2 ,3]

Ощущаем ли мы воздух вокруг себя? Если мы не шевелимся, то практически его не чувствуем. Когда же, к

примеру мы мчимся в автомобиле с открытыми окнами, то бьющий в лицо ветер напоминает пружинящую

струю жидкости. Значит воздух обладает упругостью и плотностью и может создавать давление. Нашему

далекому предку ничего не было известно об опытах, доказывающих существование атмосферного давления,

но он интуитивно понимал, что если очень сильно помахать руками то, глядишь удастся оттолкнуться от

воздуха, как птице. Мечта о полете сопровождала человека, сколько он себя помнит. Об этом говорит

известнейшая легенда об Икаре. Многие изобретатели пытались взлететь. В разных странах и в разные

времена были многочисленные попытки покорения воздушной стихии. Великий итальянский художник

Леонардо да Винчи набросал проект летательного аппарата, работающего только на мускульной силе

человека. [Слайд 4]

Однако природа не позволила человеку летать подобно птице. Но она наградила его разумом, который

помог изобрести аппарат тяжелее воздуха, способный оторваться от земли и поднимать не только себя, но и

человека с грузами.

Как же удалось ему создать такую машину? Что держит самолет в воздухе? Ответ очевиден – крылья. А что

держит крылья? Самолет устремляется вперед, разгоняется, возникает подъемная сила. При достаточной

скорости она оторвет наш летательный аппарат от земли и будет удерживать самолет во время полета.

Одна из основных проблем при конструировании новых самолётов — выбор оптимальной

формы крыла и его параметров (геометрических, аэродинамических, прочностных и т. п.).

Авиаконструкторам пришлось столкнуться с разными неожиданными эффектами, возникающими

при больших скоростях. Отсюда и необычные порой формы крыльев современных самолетов.

Крылья « отгибаются» назад, придавая им вид стрелы; или наоборот крылья приобретают форму

обратной стреловидности.

Объектом нашего урока мы выбрали раздел физики аэродинамика – это раздел

аэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и других газов и их силовое

взаимодействие с движущимися твердыми телами.

В соответствии с этим аэродинамика самолета изучает явления, происходящие в

результате взаимодействия самолета с воздушной средой.

Основной задачей аэродинамики является расчет сил, действующие на летательные аппараты и их

проектирование на основе этих расчетов.

Предметом исследования является аэродинамические свойства крыла, определение

величины подъемной силы крыла при определенной скорости движения воздушного потока

относительно крыла. Одна из основных причин влияющих на форму крыла является совершенно

иное поведение воздуха при больших скоростях.

Аэродинамика – наука экспериментальная. Формул, позволяющих абсолютно точно описать

процесс взаимодействия твердого тела с набегающим потоком воздуха, пока нет. Однако было

замечено, что тела, имеющие одинаковую форму (при разных линейных размерах), взаимодействуют

с воздушным потоком одинаково. Поэтому на уроке мы проведем исследования

аэродинамических параметров трех видов крыла с одинаковым поперечным сечением, но разной

формы: прямоугольной, стреловидной и обратной стреловидностью при обтекании их воздухом.

Наблюдения и опыты которые мы проведем помогут нам лучше понять некоторые новые

стороны физических явлений, которые наблюдаются при полете самолета.

Первые теоретические исследования и важные результаты были проведены на рубеже XIX—XX

веков русскими учёными Н.Е. Жуковским, С. Чаплыгиным. [Слайд 5]

3. Объяснение темы.

Основы аэродинамики. Основные понятия. [Слайд 6]

Чтобы однозначно понимать друг друга рассмотрим следующие основные понятия.

Аэродинамическая труба - установка, создающая поток воздуха для экспериментального изучения

обтекания тел потоками воздуха. Опыты в аэродинамической трубе проводят на основе принципа

обратимости движения – движение тела в воздухе можно заменить движением газа относительно

неподвижного тела.

Крыло самолета - важнейшая часть самолета, источник подъемной силы, делающей возможным

полет самолета. У разных самолетов неодинаковые крылья, которые отличаются размерами, формой,

положением относительно фюзеляжа.

Размах крыла - это расстояние между концами крыла по прямой линии.

Площадь крыла S – это площадь ограниченная контурами крыла. Площадь стреловидного крыла

вычисляют как площади двух трапеций.

S = 2 ·















= b

ср

· ɭ [ м

] (1)

Полная аэродинамическая сила – это сила R, с

которой набегающий воздушный поток воздействует

на твердое тело. Разложив эту силу на вертикальную

и горизонтальную F

компоненты (рис.1), мы

получим подъемную силу крыла и силу его лобового

сопротивления соответственно.

Cy - Коэффициент подъемной силы.

Cx – Коэффициент лобового сопротивления.



- Плотность воздуха.

- Скорость тела относительно воздуха (воздушная скорость).

S - Эффективная площадь крыла.

Рис.2.

Рис.1.

В природе не существует самостоятельно действующих подъемной силы и силы лобового

сопротивления. Они являются составными частями полной аэродинамической силы.

Аэродинамическое качество крыла – это отношение подъемной силы к силе лобового

сопротивления при данном угле атаки

(2)

Чем больше аэродинамическое качество крыла, тем оно совершеннее.

Плотность воздуха - является главной причиной возникновения подъемной силы крыла.

Существует простая зависимость, чем воздух плотнее, тем при прочих равных условиях больше

подъемная сила.

3.1. Проведение эксперимента. [Слайд 7]

Для повышения наглядности демонстраций и количественного анализа

проводимых экспериментов нами будет использован измерительный прибор -

определения численного значения подъемной силы крыла. На рисунке показан

внешний вид нашего прибора.

Измерительный прибор состоит из металлической рамы на которой

укреплена стрелка с неравноплечевым рычагом. Направляя воздушный

поток на модель крыла происходит нарушении равновесия рычага

стрелка двигается по шкале указывая на величину угла отклонения

крыла от горизонтали.

3.1. Модели крыла изготовлены из пенопласта размером

140 ͯ 50 мм. Крылья современных самолетов по форме

могут быть: а) прямоугольные, б) треугольные,

в) стреловидные, г) трапециевидные, д) обратной

стреловидности.

3.3. Модель для измерения величины подъемной силы крыла включает в себя следующие

основные блоки

- аэродинамическую трубу;

- измерительный прибор;

-неподвижную платформу на которой с помощью специального металлического кронштейна

закреплены вышеперечисленные устройства.

3.4. Описание эксперимента. [Слайд8,9]

К =F

Рассмотрим примеры обтекания воздухом трех тел

с одинаковым поперечным сечением, но разной

формы. Величина и направление действия

аэродинамической силы зависят от формы

обтекаемого тела и его ориентации в потоке.

- Если установить пластину вдоль потока (угол атаки нуль), то обтекание будет симметричным. В

этом случае поток воздуха пластиной не отклоняется и подъемная сила Y равна нулю.

Сопротивление X минимально, но не нуль. Оно будет создаваться силами трения молекул воздуха о

поверхность пластины. Полная аэродинамическая сила R минимальна и совпадает с силой

сопротивления X.

- Начнем понемногу отклонять пластину. Из-за скашивания потока сразу же появляется подъемная

сила Y (Рис.6). Сопротивление X немного увеличивается из-за увеличения поперечного сечения

пластины по отношению к потоку.

По мере постепенного увеличения угла атаки и увеличения скоса потока подъемная сила

увеличивается. Очевидно, что сопротивление тоже растет. Здесь необходимо отметить, что на

малых углах атаки подъемная сила растет значительно быстрее, чем лобовое сопротивление.

[Слайд 10]

Опыт 1.

Составим векторное уравнение сил

действующих на крыло R + F

= 0.

В проекции на ось ОY это уравнение примет

вид

· Sinα– mg = 0 или R

· Sinα = mg



α

(3)

В проекции на ось Ох это уравнение примет вид

· Соsα – mg = 0 или R

·Соsα = mg R



α

(4)

Прямоугольное крыло. Масса крыла m ≈ 0,01 кг, угол отклонения крыла α = 13

, g ≈ 9,8 Н/кг.

Площадь крыла S=ɭ· d; S = 0,1· 0,027 = 0,0027 м

Подъемная сила крыла R

кгНкг





= 0,438 Н

Лобовое сопротивление R

=

кгНкг





= 0,101 Н

Аэродинамическое качество крыла К = 0,438/0,101 = 4,34

Стреловидное крыло. Масса крыла m ≈ 0,01 кг, угол отклонения крыла α = 20

, g ≈ 9,8 Н/кг

Площадь крыла S = (b

+ b

)·



; S = (0,04 + 0,013) ·





Подъемная сила крыла R

кгНкг





=0,287 Н

Лобовое сопротивление R

кгНкг





=0,104 Н

Аэродинамическое качество крыла К = 0,287/0,104 = 2,76

Крыло с обратной стреловидностью. Масса крыла m ≈ 0,01 кг, угол отклонения крыла α = 15

g ≈ 9,8 Н/кг

Площадь крыла S = (b

+ b

)·



; S = (0,04 + 0,013) ·





= 0,00265 м

Подъемная сила крыла R

кгНкг





= 0,380 Н

Лобовое сопротивление R

кгНкг





=0,102 Н

Аэродинамическое качество крыла К = 0,171/0,119 = 3,73

Опыт 2.С целью получения более точных результатов эксперимент будет проведен несколько раз.

Проделывая опыт повторно мы увеличили силу воздушного потока. При этом получили следующие

результаты.

Прямоугольное крыло. Масса крыла m = 0,01 кг, угол отклонения крыла α = 20

, g ≈9,8 Н/кг.

Подъемная сила крыла R

кгНкг





= 0,287 Н

Лобовое сопротивление R

кгНкг





= 0,104 Н

Аэродинамическое качество крыла К = 0,287/0,104 = 2,76

Стреловидное крыло. Масса крыла m = 0,01 кг, угол отклонения крыла α = 24

, g ≈9,8 Н/кг

Подъемная сила крыла R

кгНкг





= 0,241 Н

Лобовое сопротивление R

кгНкг





= 0,107 Н

Аэродинамическое качество крыла К = 0,241/0,107 = 2,25

Крыло с обратной стреловидностью. Масса крыла m = 0,01 кг, угол отклонения крыла α = 34

g ≈9,8 Н/кг

Подъемная сила крыла R

кгНкг





= 0,175 Н

Лобовое сопротивление R

кгНкг





= 0,118 Н

Аэродинамическое качество крыла К = 0,175/0,118 = 1,48

- По мере увеличения угла атаки воздушному потоку становится все труднее обтекать пластину.

Подъемная сила хотя и продолжает увеличиваться, но медленнее, чем раньше. А вот сопротивление

растет все быстрее и быстрее, постепенно обгоняя рост подъемной силы. В результате полная

аэродинамическая сила R начинает отклоняется назад. Картина резко меняется. [Слайд 11,12]

Воздушные струйки оказываются не в состоянии

плавно обтекать верхнюю поверхность

пластины. За пластиной образуется мощный

вихрь. Подъемная сила резко падает, а

сопротивление увеличивается. Это явление в

аэродинамике называют СРЫВ ПОТОКА.

«Сорванное» крыло перестает быть крылом. Оно перестает лететь и начинает падать.

В нашем опыте уже при угле отклонения крыла α = 60

и более происходит срыв крыла оно не

летит, g ≈9,8 Н/кг

Подъемная сила крыла R







= 0,113 Н

Лобовое сопротивление R







= 0,196 Н

Аэродинамическое качество крыла К = 0,113/0,196 = 0,58

3.5. Анализ полученных результатов. [Слайд 13]

При анализе эксперимента и полученных результатов мы отталкиваемся от тезиса что, чем

больше аэродинамическое качество крыла, тем оно лучше. Было проведено несколько

экспериментов, при этом меняли силу воздушного потока. В наших опытах мы показали

достоинства и недостатки каждого вида крыла.

В первом случае нашего эксперимента наилучшими крыльями оказались крыло прямоугольной

формы и крыло обратной стреловидности. Основным достоинством прямого крыла является его

высокий коэффициент подъемной силы К = 4,34. Для стреловидного крыла коэффициент

подъемной силы равен К = 2,76 и соответственно крыло обратной стреловидности имеет

коэффициент подъемной силы равен К = 3,73. Поэтому у нас получилось, что наилучшим крылом

оказалось крыло прямоугольной формы и крыло обратной стреловидности. Повторяя опыт при

большей силы воздушного потока аэродинамические качества прямого крыла и крыла обратной

стреловидности уменьшились К = 2,76 и К = 1,48 довольно резко, а вот аэродинамическое

качество стреловидного крыла изменилось незначительно К =2,25.

При анализе полученных результатов делаем вывод, что при небольших скоростях

использование прямого крыла в конструкции самолета предпочтительней. Недостатком,

предопределяющим непригодность такого крыла при увеличении скорости потока, является резкое

увеличение коэффициента лобового сопротивления.

Анализируя результаты полученные для стреловидного крыла мы замечаем, что с увеличением

скорости воздушного потока лобовое сопротивление крыла увеличивается довольно медленно

сохраняя при этом коэффициент подъемной силы почти неизменным.

Конечно, в реальном полете подъёмная сила крыла зависит и от его площади, профиля, а также от

угла атаки, скорости и плотности потока и от целого ряда других факторов. Поэтому одна из

основных проблем при конструировании новых самолётов — выбор оптимальной формы крыла и его

параметров (геометрических, аэродинамических, прочностных и т. п.).

Эффективность, безопасность, надежность полетов определяет положение нашей страны на

мировом авиационном рынке. Знания протекающих явлений, принципа работы, расчет

аэродинамических качеств крыла позволяют строить надежные самолеты.

Литература [Слайд 15]

1. П.С. Кудрявцев. И.Я. Конфедератов. История физики и техники. Учебное пособие для студентов

педагогических институтов. Государственное учебно - педагогическое издательство

Министерства просвещения РСФСР. Москва 1960 г.

2. Физика. Я познаю мир. Детская энциклопедия. Москва. АСТ. 2000 г.

3. В.Б. Байдаков, А.С. Клумов. Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов. Москва.

«Машиностроение»,1979г.

4. Большая советская энциклопедия. 13. Издание третье. Москва.« Советская энциклопедия» ,1978

г.

5. Большая советская энциклопедия. 29. Издание третье. Москва. « Советская энциклопедия» ,1978

г.

Скачать материал

Конспект урока "Изучение зависимости аэродинамических качеств крыла от его формы" 10 класс

Физика - еще материалы к урокам:

Предметы

Похожие материалы