Исследовательская работа "Исследования дальности полета"

Бюджетное общеобразовательное учреждение города Омска

«Средняя общеобразовательная школа № 10»

Направление «Физика и техника»

Исследовательская работа

«Влияние формы крыла на дальность и длительность

полета бумажного самолета»

Омск - 2019

Оглавление:

Введение

Бумажный самолётик – это игрушка хорошо известная во всем мире. Несмотря на кажущуюся простоту данной поделки — это самолет в миниатюре со всеми его свойствами. Но чтобы построить хорошую летающую модель, нужно немало потрудиться. Главная проблема бумажных самолетов – это небольшая продолжительность полета. Одни из них пролетают через всю комнату, другие резко взмывают ввысь, а потом также стремительно падают вниз, а третьи сразу пикируют носом в пол. Меня заинтересовало, что же даёт возможность самолёту лететь дальше и дольше? Чтобы во всем разобраться я решил выполнить исследование и узнать, как модель самолета, форма крыльев и носа, влияет на дальность его полета.

 Актуальность работы: конструирование моделей бумажных самолетов помогает развить логическое техническое мышление, вызвать интерес у учащихся начальных классов  к миру авиации, приобщиться  к  практическим  навыкам    работы  с бумагой. А также применять полученные знания, умения и творческий опыт в создании собственного самолета.

Цель: на базе нескольких моделей самолетов выяснить как форма крыла и носа самолета влияет на длительность и дальность его полета.

Задачи:

• Изучить и проанализировать информацию по исследуемой теме;
• Разобраться в принципе работы бумажного самолета;
• Выбрать и сконструировать разные модели бумажных самолетов;
• Провести эксперимент на длительность и дальность полета выбранных моделей;
• Изучить дальность и время полета разных моделей бумажных самолетов.

Объект исследования: бумажный самолет

Методы исследования: теоретические и практические.

1. Теоретическая часть

1. История создания бумажного самолетика

Бумажный самолет является наиболее распространённой формой аэрогами, одной из ветвей оригами (японского искусства складывания бумаги). По-японски такой самолёт называется 紙飛行機 (ками хикоки; ками=бумага, хикоки=самолёт). По мнению ученых, использовать бумагу для создания игрушек начали примерно 2000 лет назад в Китае, где изготовление и запуск воздушных змеев были популярной формой времяпровождения.

Самое раннее упоминание о создании современных бумажных самолетиков следует признать 1909 год. В начале ХХ века, журналы, рассказывавшие о летательных аппаратах, использовали изображения бумажных самолетов для объяснения принципов аэродинамики. В 1930-х годах, английский художник и инженер Уоллис Ригби спроектировал свой первый бумажный самолет. Эта идея показалась интересной нескольким издательствам, которые начали с ним сотрудничать и публиковать его бумажные модели, которые довольно просто было собрать. Стоит отметить, что Ригби старался делать не просто интересные модели, но и летающие. 

Так же в начале 1930-х годов Джек Нортроп из Lockheed Corporation использовал несколько бумажных моделей самолетов и крыльев для тестирования. Это делалось перед созданием настоящих больших самолетов. Именно Джека Нортропа принято считать изобретателем бумажных самолетиков.

В 1989 году британец Энди Чиплинг основал Ассоциацию Бумажного Авиастроения. Именно он написал свод правил по запуску бумажных самолетов, которые используют специалисты книги рекордов Гиннеса и которые стали официальными установками мирового первенства. Спортивные состязания по запусканию самолетиков из бумаги проходят на мировом уровне. Рекорд дальности полета установил в 2012 г. Джо Айюб - 69 метров и 14 сантиметров. Рекорд времени, которое бумажный самолетик провел в воздухе (27,6 сек.) принадлежит Кену Блэкберну, аэрокосмическому инженеру, обладателю четырех предыдущих рекордов.

2. Принцип работы бумажного самолетика

Вся современная авиация, как настоящая, так бумажная, построена на основных законах аэродинамики. Аэродинамика (от греческих слов aer – воздух и dinamis – сила) – это наука о силах, возникающих при движении тел в воздухе. Воздух, благодаря своим физическим свойствам, сопротивляется продвижению в нем твердых тел. При этом, между телами и воздухом возникают силы взаимодействия, которые и изучаются аэродинамикой.

Бумажные самолеты отличаются от настоящих самолетов тем, что них отсутствует мотор. Поэтому их по-другому называют планерами. Планер (фр. planeur, от лат. planum — плоскость) — безмоторный летательный аппарат тяжелее воздуха, поддерживаемый в полёте за счёт аэродинамической подъёмной силы.

Основные силы, определяющие полет бумажного самолета — это подъемная сила, сила тяжести, сила сопротивления воздуха. Подъемная сила — направленная вверх сила, возникающая при движении самолета в воздушной среде, сила тяжести — это сила, вызываемая гравитационным притяжением Земли, а сила сопротивления воздуха — это сила, препятствующая движению вперед (см. Приложение 1).

 Так как основополагающей силой является подъемная сила. Остановимся на ней подробнее. Настоящее крыло самолета имеет каплевидную форму, за счет этого воздушный поток разрезается надвое передней кромкой крыла, и часть его обтекает крыло вдоль верхней поверхности, а вторая часть — вдоль нижней. Чтобы двум потокам сомкнуться за задней кромкой крыла, не образуя вакуума, воздух, обтекающий верхнюю поверхность крыла, должен двигаться быстрее относительно самолета, чем воздух, обтекающий нижнюю поверхность, поскольку ему нужно преодолеть большее расстояние.

Низкое давление сверху втягивает крыло на себя, а более высокое снизу подталкивает его вверх. Крыло поднимается. И если подъемная сила превышает вес самолета, то и сам самолет зависает в воздухе.

У бумажных самолётов крылья плоские, но воздух, движущийся над крылом проходит немного больший путь (и движется быстрее). Подъёмную силу создаёт то же самое давление, что и у настоящих крыльев, но эта разница в давлении не столь велика.

У бумажных самолётов нет профильных крыльев, так как же они летают? Подъёмную силу создаёт угол атаки их плоских крыльев. Даже в случае плоских крыльев можно заметить, что воздух, движущийся над крылом, проходит немного больший путь (и движется быстрее). Подъёмную силу создаёт то же самое давление, что и у профильных крыльев, но, конечно, эта разница в давлении не столь велика.

Кроме того, бросая бумажный самолетик, мы создаем тягу. Тяга — это сила, которая обеспечивает движение самолетика в воздухе. Хорошие бумажные самолеты должны выдерживать короткий и быстрый бросок. После того как тяга перестает действовать, самолету, чтобы оставаться в воздухе, необходимо поддерживать баланс остающихся сил — сопротивления, подъемной силы и силы тяжести.

Кроме баланса основных сил, на дальность полёта бумажного самолетика влияет: вес самолета, форма крыла, ветер. В данном исследовании мы подробно рассмотрим второй фактор, а именно форму крыла. Так как все модели были выполнены из одинаковой бумаги, следовательно, вес у всех одинаковый, а сами испытания проводились в помещении.

Изучая литературу, я выяснил, что для бумажных самолетов действует правило: чем тоньше крыло, тем лучше. Плоские крылья имеют меньшее сопротивление, чем толстые или изогнутые. Форма крыльев у бумажных самолетов чаще всего бывает либо прямоугольной, либо треугольной. Предыдущий рекордсмен по продолжительности полета имел почти прямоугольную форму. У нынешнего рекордсмена в районе носа — форма треугольная, но его хвост прямоугольный.

Преимущество треугольной формы состоит в том, что слои бумаги можно перемещать к центру самолета, что сделает самолет крепче. Преимущество прямоугольной формы — в большей эффективности планера: он сможет пролететь значительно дальше.

Самолетам, запускаемым в помещении, полезно смещение центра тяжести к носу. Так как такие модели летают быстрее и стабильнее, а ещё их проще запускать.

2. Экспериментальная часть

Существует множество моделей бумажных самолетиков. В открытых источниках их насчитывается более 800 моделей. Все они по-разному летают, сохраняют высоту и приземляются. Для своего исследования я выбрал 5 наиболее популярных моделей (см. Приложение 2).

Модель №1. «Стрела». Самая распространенная и общеизвестная конструкция.

Модель №2. «Копье». Характерная модель с острым углом крыла и треугольным носом.

Модель №3. «Планер». Модель с виду неуклюжая. Но согласно источникам очень хорошо летает.

Модель №4. «Дельта». Модель с прямоугольными загнутыми крыльями.

Модель № 5. «Утка». Довольно популярная модель, которой маневренность и скорость придают «ушки» на носу.

Все модели были выполнены из офисной бумаги 80 гр/м2 формата А4. Масса каждого самолётика составила 5 гр.

Согласно изученной литературе, чтобы удачно запустить бумажный самолет, нужно соблюдать следующие правила:

- нужно запускать самолёт из-за головы, при этом смотреть вперед и немного вверх,

-  движение руки должно быть плавным, но сильным,

- лучшим углом запуска является угол примерно 45 градусов.

Эксперимент проводился в спортивном зале нашей школы. Для проведения эксперимента понадобилось следующее:

1. модели самолетиков;
2. измерительная рулетка;
3. секундомер;
4. ручка;
5. бланки с таблицами для фиксирования результатов.

Для более точных результатов каждую модель запускали по 3 раза. Рост запускающего самолеты составляет 145 см. Данные собирали последующим параметрам: дальности, длительности и особенностям полета. За дальность полета принято расстояние (по прямой) от начальной точки (точки запуска) до точки соприкосновения с полом. Длительность полета определялась по секундомеру от момента запуска до соприкосновения с полом. Среднюю скорость самолетов высчитывали исходя из данных полученных с помощью эксперимента. Результаты фиксировали в таблицы (см. Приложение 3). Кроме того, в таблице добавлена графа «особенности полета» для более точного анализа полета.

На основании полученных данных были построены диаграммы сравнения по исследуемым параметрам: дальности, длительности, скорости полета (см. Приложение 4).

Для диаграммы №1 и №2 взяты соответственно максимальные значения дальности и длительности полета каждой модели. Диаграмма №3 основана на вычисленных значениях средней скорости полета каждой из моделей.

Выводы

 В данной исследовательской работе был изучен вопрос о влиянии формы крыла на дальность и длительность полета бумажного самолета. Были проведены эксперименты по запуску разных моделей. На основании полученных данных построены диаграммы сравнения. Результаты показали, что наибольшей дальностью полета обладает модель №3 – 12,4 м. Самый длительный полет показала модель №2 – 3,3 сек. А наиболее быстрой оказалась модель №1 – 4,27 м/с.

Анализируя конструкции моделей - победителей и траекторию их полета можно сделать следующие выводы:

1. Модель №1. Стрела оказалась наиболее скоростной и преодолела расстояние за наиболее короткое время. Так как траектория полета данной модели по прямой. Предположительно, если изменить высоту запуска увеличится и дальность полета самолета.
2. Модель №2. Копьё имеет треугольные крылья и острый нос. Траектория полета (по дуге или по кругу) не позволила данной модели преодолеть большое расстояние, зато показала наиболее длительный полет.
3. Модель № 3. Планер является самой хорошо сбалансированной моделью. Она имеет большой размах крыльев, а центр тяжести смещен к носу. Траектория полета плавная и волнообразная, что позволило самолету пролететь рекордно большое расстояние (в рамках нашего исследования). Кроме того, данная модель показала отличные результаты и по двум другим параметрам (длительность полета 3,1 сек., средняя скорость 3,96 м/с).

Кроме, вышеуказанных достоинств моделей – победителей они оказались и самыми простыми в сборке.

Заключение

В ходе исследовательской работы я изучил историю возникновения бумажных самолетов, разобрался в принципах его работы, выбрал и сконструировал 5 моделей. Полученные в ходе эксперимента результаты позволили выбрать наиболее удачные модели. Самой лучшей из них оказалась модель № 3 с прямоугольными крыльями и смещенным центром тяжести к носу.

Итак, поставленная цель достигнута, задачи выполнены. Исследование показало, что запуск бумажных самолетов не только детская игра, но и хорошее наглядное пособие для изучения законов аэродинамики. 

Список используемой литературы

1. Кузнецова О. С. «Бумажные самолётики» азбука самоделок, 2004.
2. «Самолёты. Узнай мир», Кацаф А. М., 2015.
3. «Энциклопедия самолётов. Всё о самолётах», Шпыркова Е., Качкаева В., изд. Проф-Пресс, 2014.
4.  «Бумажные самолетики». – М.: // Новости космонавтики. – 2008.
5. Википедия [Электронный ресурс] – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Бумажные самолётики.
6. Сборник научно-познавательных статей, заметок и публикаций [Электронный ресурс] - URL:   http://nauka.relis.ru/34/0204/34204036.htm.
7. Модели бумажных самолетиков [Электронный ресурс] – URL:  http://www.tavika.ru/2012/04/21.html

Приложение 1

Основные силы, определяющие полет самолета

Приложение 2

Модель № 1. Стрела

Модель №2. Копьё.

Модель №3. Планер

Модель № 4. Дельта.

Модель № 5. Утка

Приложение 3

Таблица №1

Модель №1. Стрела.

Таблица №2

Модель №2. Копьё.

Таблица №3

Модель №3. Планер.

Таблица №4

Модель №4. Дельта.

Таблица №5

Модель №5. Утка.

Приложение 4

Диаграмма №1

Диаграмма №2

Диаграмма №3