Презентация "Изучение зависимости аэродинамических качеств крыла от его формы" 10 класс

Скалистовская общеобразовательная школа I –III ступени

Элективный курс физики в 10 классе Исследовательский проект на тему

«Изучение зависимости аэродинамических качеств крыла от его формы».

г. Бахчисарай.

Научный руководитель:

учитель физики Джемилев Ремзи Недимович

Работу выполнил : Ерофеев Сергей

ученик 10 класса

(Скалистовская общеобразовательная

школа I - III ступеней

Бахчисарайского районного совета

Автономной Республики Крым)

Актуализация темы.

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 исследования является раздел физики аэродинамика – это раздел аэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и других газов и их силовое взаимодействие с движущимися твердыми телами.

Предметом исследования является 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 будем проводить 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.

Актуальность нашей темы заключается в популяризации авиации, авиационной техники.

История исследования.

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. 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.

Первые теоретические исследования и важные результаты были проведены на рубеже XIX—XX веков русскими учёными Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным.

Николай Егорович Жуковский (1847 -1921) - русский ученый, основоположник современной аэродинамики. Построил в начале века аэродинамическую трубу, разработал теорию крыла самолета. В 1890 г. Жуковским бала опубликована его первая работа в области авиации « К теории летания».

Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869 - 1942) советский ученный в области теоретической механики, один из основоположников современной гидроаэродинамики. В своей работе «О газовых струях», дал теорию полетов с высокими скоростями, послужившую теоретической основой современной высокоскоростной авиации.

«Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов он в 72 раза слабее птицы…. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.»

Н.Е. Жуковский

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 · · = bср· ɭ [ м2 ] (1)

·

Рис.2.

Полная аэродинамическая сила – это сила R, с которой набегающий

воздушный поток воздействует на твердое тело. Разложив эту силу на вертикальную Fy и горизонтальную Fx компоненты (рис.1), мы получим подъемную силу крыла и силу его лобового сопротивления соответственно.

Описание эксперимента.

Для повышения наглядности демонстраций и количественного анализа проводимых экспериментов мы будем использовать измерительный прибор - определения численного значения подъемной силы крыла. 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.

Модели крыла изготовлены из пенопласта размером 140 ͯ 50 мм . Крылья современных самолетов по форме могут быть прямоугольные , стреловидные , обратной стреловидности

Модель для измерения величины подъемной силы крыла включает в себя следующие основные блоки (рис.4.) :

- аэродинамическую трубу;

- измерительный прибор;

-неподвижную платформу на которой закреплены вышеперечисленные устройства.

Рис.4

Проведение эксперимента.

Модель работает следующим образом:

Для опыта модель крыла крепят к рычагу и устанавливают на расстоянии 20-25 см от аэродинамической трубы. Направляют воздушный поток на модель крыла и наблюдают, как оно поднимается вверх. Меняем форму крыла. Снова приводим рычаг в равновесие, чтобы модель заняла исходное положение, и определяют величину подъемной силы, при той же скорости воздушного потока.

- 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.

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.

Прямоугольное крыло.

• Масса крыла m ≈ 0,01 кг;
• угол отклонения крыла α = 130, g ≈ 9,8 Н/кг.

- Площадь крыла S = 0,1· 0,027 = 0,0027 м2

Подъемная сила крыла Rу = = 0,438 Н

Лобовое сопротивление Rх = = 0,101 Н

Аэродинамическое качество крыла

К = Fу/Fх =0,438/0,101 = 4,34

 Чем больше аэродинамическое качество крыла, тем оно совершеннее.

• 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.

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 = 600 и более происходит срыв крыла оно не летит, g ≈9,8 Н/кг

Подъемная сила крыла Ry = = 0,113 Н

Лобовое сопротивление Rх = = 0,196 Н

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

Стреловидное крыло.

Масса крыла m ≈ 0,01 кг;

угол отклонения крыла α = 200, g ≈ 9,8 Н/кг

Площадь крыла S = 0,028 м2

Подъемная сила крыла Rу = = 0,287 Н

Лобовое сопротивление R х = = 0,104 Н

Аэродинамическое качество крыла

К = Fу/Fх = 0,287/0,104 = 2,76

Крыло с обратной стреловидностью.

Масса крыла m ≈ 0,01 кг;

угол отклонения крыла α = 150, g ≈ 9,8 Н/кг

Площадь крыла S = 0,00265 м2

Подъемная сила крыла Rу = = 0,380 Н

Лобовое сопротивление Rх = =0,102 Н

Аэродинамическое качество крыла

К = Fу/Fх = 0,171/0,119 = 3,73

Анализ эксперимента

При анализе эксперимента и полученных результатов мы отталкивались от тезиса что, чем больше аэродинамическое качество крыла, тем оно лучше.

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.

Повторили свой опыт при большей силы воздушного потока: при этом 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.

Анализируя результаты полученные для стреловидного крыла мы заметили, что с увеличением скорости воздушного потока лобовое сопротивление крыла увеличивается довольно медленно сохраняя при этом коэффициент подъемной силы почти неизменным.

В данной работе мы с вами изучали зависимость подъемной силы крыла только от его формы в плане. 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.

Чтобы эксперимент был чистым надо придерживаться следующих условий

• поток воздуха удерживали постоянным;
• ось крыла и ось аэродинамической трубы совпадали.
• расстояние от конца трубы до места крепления крыла всегда было одинаковым;

Рекомендую почитать

• 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.
• Физика. Я познаю мир. Детская энциклопедия. Москва. АСТ. 2000 г.
• В.Б. Байдаков, А.С. Клумов. Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов. Москва. «Машиностроение»,1979г.
• Большая советская энциклопедия. 13. Издание третье. Москва.« Советская энциклопедия» ,1978 г.