Тема: « Воздушный змей»
Учебно-исследовательская работа
Научное направление: физика
СОДЕРЖАНИЕ:
Введение...............................................................................................................4
1.Теоретическая часть........................................................................................5
1.1.История создания воздушных змеев
1.2. Классификация и виды воздушных змеев
1.3.Конструкция воздушного змея
1.4. Почему летает воздушный змей
2.Практическая часть.......................................................................................20
2.1.Параметры змея
2.2.факторы и условия запуска
2.3 Как запустить "змея". Практические советы.
2.4. Меры предосторожности:
Заключение.........................................................................................................24
Библиографический список..............................................................................25
«Воздушный змей, эта игрушка для детей,
презираемая учеными,
может, однако, заставить глубоко
над собой задуматься»
Эйлер
Введение
Практически каждый человек когда-либо летал на самолете. Смотрели по телевизору как запускаются ракеты. Просмотр видео о воздушных змеях вдохновило нас на написание этой работы. Что может подсказать воздушный змей, сделанный из тетрадного листа, запущенный на катушке ниток и мотающий высоко над городом матерчатым хвостом?
Равнодушному мальчишке – ничего. Любознательному – многое. Это самый древний и самый простой летательный аппарат тяжелее воздуха.
Можно полагать, что он, появившись в разных древних странах, первоначально был просто детской игрушкой. Например, в Японии и других странах Азии до сих пор ребята любят устраивать массовые соревнования змеев. Но нам кажется что именно он положил начало к исследованию неба. Найденная информация стала в некотором роде большим открытием для нас. И сегодня мы постараемся представить вам ее наиболее интересно и увлекательно. Для написания работы были использованы материалы СМИ, данные сети Интернет, очерки, заметки.
Цель:
Выяснить, почему летает воздушный змей и что удерживает его в воздухе.
Задачи:
1)Рассмотрим историю воздушных змеев.
2)Рассмотрим виды воздушных змеев
3)Провести теоретическое исследование по вопросам аэродинамики и воздухоплавания.
4)Создать конструкцию воздушного змея.
1.Теоретическая часть
1.1.История создания воздушных змеев
Воздушный змей - первый летательный аппарат тяжелее воздуха, который изобрели люди.
Первые воздушные змеи появились несколько тысячелетий тому назад.
Родина воздушных змеев - Китай.
Изготавливались они из бамбука и шёлка. Им придавали форму бабочек, жуков, рыб, но самой излюбленной формой был дракон - сказочный крылатый огнедышащий змей, считавшийся в Китае символом власти и благополучия.
Из Китая, через Индокитай, воздушные змеи появились и в Японии. Возможно, они были принесены в страну Буддийскими миссионерами в давние времена, около 618 - 907 годов. В Японии воздушные змеи приобрели популярность. Стали появляться воздушные змеи в виде красочно раскрашенных полотен. Воздушные змеи служили как бы связующим звеном между человеком и богами. Воздушные змеи запускали для того, чтобы отпугнуть злые силы, защититься от несчастий, обеспечить хороший урожай и здоровье.
Согласно Европейским традициям, изобретение воздушных змеев приписывается греческому математику Archytas, который, около 400 года до н.э., сконструировал деревянную птицу, основываясь на исследования полетов птиц. Считается, что его воодушевил увиденный китайский воздушный змей – птица.
В 105 году н.э. римляне запускали украшенные тканевые флюгера как военные флаги. Обычно они были в форме животных с широкими ртами и поднимались на шестах, чтобы поймать ветер. Ниспадающий цилиндрический хвост флюгера из ткани, извивающейся как туловище дракона, придавал всадникам уверенности в себе и создавал угрожающий вид, который придавал страх врагу
Знаменитый физик, математик и астроном, член Российской Академии наук, современник гениального русского ученого Михаила Ломоносова Леонард Эйлер писал:
«Бумажный змей, детская игрушка, пренебрегаемая взрослыми, будет когда-нибудь предметом глубоких исследований».
И он не ошибся. Вот несколько фактов, доказывающих это:
В 1752 г. Б. Франклин провел эксперимент, в котором с помощью змея выявил электрическую природу молнии и в последствии благодаря полученным результатам изобрёл громоотвод
В XIX веке змеи также широко применялись для метеорологических наблюдений
В начале XX столетия воздушные змеи внесли свою лепту в создание радио. А.С. Попов использовал змеи для подъёма антенн на значительную высоту.
А.Ф. Можайский, прежде чем начать строительство своего самолёта, провёл серию испытаний с воздушными змеями, которые тянула упряжка лошадей. На основании результатов этих испытаний были выбраны размеры самолёта, которые должны были обеспечить ему достаточную подъемную силу.
Практические возможности воздушного змея привлекали внимание военных. В 1848 г. К.И. Константинов разработал систему спасения судов, терпящих бедствие вблизи берега, с помощью воздушных змеев. Во время первой мировой войны войска различных стран применяли змеи для подъема на высоту наблюдателей-корректировщиков артиллерийского огня, разведки вражеских позиций
И еще один интересный факт
В 1898 году русский воздухоплаватель С.А. Ульянин предложил интересный проект «змейкового поезда», чтобы поднимать в воздух наблюдателей и научную аппаратуру. Он придумал использовать для этих целей не один огромный змей, а целую связку их. Запущенные вместе, на одном тросе, они создавали не только необходимую подъемную силу, но и обеспечивали большую безопасность. Если один или даже два змея по какой-либо причине выходили из строя, то остальные – а их могло быть в «поезде» до семи и более штук – позволяли безопасно, как на парашюте, спустить на землю наблюдателей и научную аппаратуру.
Была даже сформирована специальная «змеиная команда»: Ульянин и многие другие наблюдатели не раз поднимались на высоту свыше двухсот метров.
Змейковые поезда применялись также на научных и военных судах, использовались для наблюдений и исследований в океанах и в Арктике. Они поднимали научные приборы на высоту до 4...5 километров. Был даже установлен своеобразный рекорд высоты подъема змеев – 9740 метров!
Благодаря применению змеев, был получен не только ценный научный материал, но и определенный опыт летания аппаратов тяжелее воздуха. И совсем не случайно создатель первого в мире аэроплана Александр Федорович Можайский начал свои эксперименты именно со змеев и привязных планеров.
Вот и выходит, что обыкновенный бумажный змей сыграл в развитии авиации немалую роль. Только он, как и аэростаты, оказался в полной зависимости от погоды. А это еще сильнее заставляло искать новые пути покорения воздуха.
1.2. Классификация и видывоздушных змеев
Плоский змей | Простейшая в изготовлении конструкция, чем объясняется её популярность. Состоит из трех скреплённых между собой планок ,приклеенных к листу плотной бумаги. Уздечка такого змея состоит из трех нитей, две из них прикрепляются к концам верхней планки, третья - к центру змея. Для обеспечения устойчивости следует слегка стянуть верхнюю планку нитью, придав ей форму дуги. Также плоскому змею обязательно нужен хвост. |
Коробчатый змей | Основой коробчатого змея является каркас из реек: 4 продольных лонжерона.. Крестовина состоит из пары реек. Лонжероны соединяются с крестовинами на расстоянии 105 мм от конца. Обтягивается змей микалетной бумагой или лавсановой плёнкой. |
Парафойл | Воздушный змей парафойлной конструкции - это особый класс воздушных змеев, форма которых поддерживается за счет набегающего потока воздуха, или проще говоря ветра. Данный тип воздушного змея не имеет жестких частей конструкции - реек, каркаса. Змеи данного типа изготавливаются из воздухонепроницаемой ткани. |
Воздушный змей-птица
Воздушный змей- птица прост по конструкции и летает отлично. Его крылья, стянутые тетивой, легко отражают даже самые сильные порывы ветра, могут слегка складываться, а как только ветер ослабнет, распрямляться. Кто строил змеев, знает, что чем легче модель, тем проще ее запустить, тем лучше она летает. Поэтому, если вам удастся подобрать для змея легкие материалы, считайте, что успех вам обеспечен. Каркас модели соберите из липовых, сосновых или бамбуковых палочек диаметром 9-10 мм.
Скрепляйте их прочными нитками и клеем (см. рис.). Для обтяжки подойдут тонкая ткань, полиэтиленовая или лавсановая пленка. Выкройка несущей поверхности приведена на рисунке. Концы крыльев змея стяните леской, а для леера, уздечки и хвоста используйте прочную нить. Запускайте модель на высоту 80-100 м, там ветер наиболее стабильный. Если воздушный змей начнет терять высоту, натяните леер и сделайте несколько быстрых шагов навстречу ветру. Если же, наоборот, модель потянула вас, ослабьте леер и начинайте двигаться по ветру, пока полет змея не стабилизируется.
Рис 1. Воздушный змей-птица
Плоский змей
У змея квадратной формы все стороны его корпуса, естественно, равны. У змея в виде прямоугольника меньшая сторона корпуса должна составлять ? длинны большей его стороны. У змея в виде равнобедренного треугольника, длина его корпуса должна быть примерно в полтора раза больше его ширины (основания этого треугольника). У змеев в виде вытянутых пяти- или шестиугольников боковые стороны по длине должны быть равны ширине корпуса. Длину же корпуса делают в полтора раза больше его ширины. Рис.2. соотношение размеров.
Рис 2. Соотношение размеров
Корпус плоского воздушного змея состоит из легкого деревянного каркаса и обшивки. Материалы для изготовления каркаса: ивовая лаза (прутки), стебли камыша, тонкие рейки из бамбука, дранка из сосны, березы, липы, а лучше всего оконные штапики.
Приняв размеры корпуса змея, по этим размерам вырезают обшивку и на нее наклеивают рейки корпуса. В начале наклеивают рейки по краям обшивки, а затем на перекрещивающиеся рейки. Клей применяют самый разный: столярный, казеиновый, БФ и др. Концы реек должны выступать за края обшивки на 3…4 см. По всем углам корпуса перекрещивающиеся рейки нужно обвязать нитками. Сборка корпуса рис.3.
Рис.3. Сборка корпуса
Когда корпус высохнет, по рейке АВ нужно его прогнуть, оставляя обшивку на внешней стороне, и зафиксировать этот прогиб с помощью нитки, натянутой между концами прогнутой рейки рис.4.
Рис.4
На стягивающую нитку можно установить трещотку. Во время полета змея под воздействием воздушных потоков, трещотка будет быстро вращаться на закрепленной нитке и трещать. По размерам трещотка должна быть изготовлена так, чтобы, вращаясь, она не задевала корпус змея рис.5.
Рис.5
К углам корпуса в местах пересечения реек (точки А и В) привязывается нитка такой длинны, чтобы середина нитки при натяжении достигла центр корпуса змея в точке О. Так мы получим верхние стропки. рис.6.
Рис.6
Затем в точке О корпуса прокалывают два отверстия (по обе стороны листа пересечения центральных реек), в отверстия продевается нитка и прочно завязывается вокруг реек. Длина этой нижней стропки равна расстоянию на корпусе от точки О до середины рейки АВ. Привязав нижнюю стропку по середине верхней, получим путы. В точке соединения стропок привязывается шнур для запуска. Путы к корпусу змея крепятся со стороны обшивки, чтобы воздушные потоки при полете змея прижимали обшивку к приклеенным рейкам корпуса.
Изготовление хвоста.
Хвост состоит из собственно хвоста и его подхвостка, для которых потребуется тесьма или полоска хлопчатобумажной ткани шириной 1,5…2 см. Подхвосток привязывается нитками к нижним углам корпуса змея (в точках С и D). К подхвостку в его середине привязывается, а лучше пришивается хвост (размеры рис.7.) Половины подхвостка СМ и DM должны быть равны, иначе змей в полете будет крутиться.
Рис.7 Хвост
1.3.Конструкция воздушного змея
Основные конструктивные элементы воздушного змея:
натянутая на жёсткий каркас или мягкая, без каркаса, поддерживающая (аэродинамическая) поверхность из материи или бумаги;
наматываемый на лебёдку или катушку леер (пеньковая верёвка, стальной трос, прочная нить);
уздечка для крепления к воздушному змею леера и органы устойчивости (хвост).
Продольная устойчивость обеспечивается хвостом или формой аэродинамической поверхности.
Рис.8. Конструкция змея
1- каркас
2-полотно (парус)
3-соеденительные детали
4-уздечка (привязка)
5-нить(леер)
6-хвост
7- катушка
1.4. Почему летает воздушный змей
Наука, изучающая закономерности движения воздуха, также характеристики тел, движущихся в воздухе – АЭРОДИНАМИКА. Аэродинамика изучает силы, возникающие в паре движущееся тело - воздух. Аэростаты поднимаются в воздух, согласно закону Архимеда: они взлетают благодаря подъемной силе используемого газа, плотность которого меньше плотности атмосферного воздуха. Чаще всего в современном воздухоплавании используют теплый воздух и гелий.
Воздухоплавание
До начала 20-х годов XX века этот термин обозначал передвижение по воздуху вообще.
Во многих языках, в частности в английском и французском, словом «аэронавтика» называют процесс освоения воздушного пространства при помощи летательных аппаратов всех типов. Иногда в этом же значении слово «аэронавтика» используется и в русском языке
Все воздухоплавательные средства можно разделить на две группы
Воздушные шары Воздушные шары бывают трех основных видов: газовыми, тепловыми (они же термальные) и комбинированными. Самые первые воздушные шары были тепловыми. Горячий воздух в шар загонялся с помощью жаровен. Подобные летательные средства часто называют монгольфьерами, по фамилии французских изобретателей братьев Монгольфье. | Дирижабли В современном воздухоплавании также используются и газовые аэростаты. Их часто именуют шарльерами в честь их изобретателя – профессора Жака Александра Шарля. Раньше в качестве газа использовался аммиак, водород и даже каменноугольный газ, теперь шары заправляют в основном гелием. Этим же газом частично заправляют и комбинированные аэростаты.. Дирижабли, как и воздушные шары, бывают газовыми (гелиевыми и водородными) и тепловыми. К газовым управляемым аэростатам принадлежали знаменитые «цепеллины», которые выпускали в Германии с начала XX века |
Сначала определимся с тем, что же поднимает и удерживает змея в воздухе. Воздушный змей, как и самолет, является летательным аппаратом тяжелее воздуха. Основная причина, почему все эти аппараты поднимаются и держатся в воздухе - это движение воздуха по отношению к ним. Разница лишь в том, что самолет движется поступательно и сам создает тот встречный набегающий поток воздуха, который его поддерживает, а змей подвергается действию движущегося воздуха - ветра - в неподвижном состоянии по отношению к земле.
Какие силы поднимают змея в воздух?
Сила сопротивления - создаётся движением воздуха, который обтекает змея.
Подъёмная сила это часть сопротивления, которая превращается в силу, направленную в вверх.
Движущая сила - сообщается змею леером, действующим как мотор.
Сила притяжения – это вес змея, она приложена в точке, которую называют центром.
Змей полетит, если линии действия всех этих сил пересекутся в центре тяжести. Иначе полёт змея будет нестабильным.
Для того, чтобы змей держался в воздухе, подъёмная сила должна быть равна силе тяжести змея с леером. Если же подъёмная сила меньше, то змей опускается на землю. Это может происходить из-за неравномерности ветра, изменения (уменьшение) его силы и направления. Чтобы выдержать эти требования, поверхность змея должна быть наклонена по отношению к ветру под правильным углом.
Для того чтобы воздух мог поднять змея, он должен быть расположен под некоторым углом к потоку воздуха. Угол, образованный плоскостью змея и направлением потока воздуха, называется углом атаки.
Рис.9. Угол атаки
Поток воздуха создает общее давление на змея с силой R, направленной перпендикулярно плоскости воздушного змея. Для простоты рассматриваем плоский воздушный змей прямоугольной формы. При обтекании змея впереди него образуется зона воздуха с повышенным давлением, а сзади струйки воздуха не успевают смыкаться, и там возникает зона с пониженным давлением, заполненная вихрями.
Турбулентные завихрения
(зона турбулентности)
Полная аэродинамическая сила
Встречный воздушный поток
Рис. 10. Силы, действующие на воздушного змея
Полная аэродинамическая сила R состоит из двух сил - лобового сопротивления Q, действующего по направлению движения воздуха, и подъемной силы P, действующей вертикально вверх, поднимающей и удерживающей змей в воздухе.
Центр давления
Рис.11. Определение подъемной силы
Для того чтобы змей держался в воздухе, подъемная сила должна быть равна массе змея вместе с леером. Если подъемная сила меньше массы змея, тот падает на землю. Таким образом, для нормального полета змея подъемная сила не должна быть меньше его массы.
Рис.12.Полет змея
Закон Бернулли – Давление в жидкости, текущей по горизонтальной трубе переменного сечения, больше в тех сечениях потока, в которых скорость ее движения меньше, и наоборот, давление меньше в тех сечениях, в которых скорость больше.
Рис 13.Закон Бернулли
h – высота столба жидкости
v – cкорость движения жидкости
Величину подъемной силы можно вычислить по формуле:
V – скорости ветра,
S – площади змея,
ρ- плотность воздуха (в среднем равна 1,29кг/м3),
c – коэффициент подъемной силы (равен 0,32).
Рассчитаем скорость ветра, необходимую для полета воздушного змея:
2.Практическая часть
2.1.Параметры змея
Табл.1
Масса m,г. | площадь S,м2 | Скорость ветра V, м/с | Подъемная сила P,H | Угол атаки α° |
300 | 0,22 | 5,8 | 0,3 | 10-15° |
2.2.факторы и условия запуска
Выбор места для запуска воздушного змея.
Идеальным местом является открытое пространство без деревьев, каких-либо построек, близких водоёмов, проводов или других помех.
Скорость ветра
1 – 3 м/с: Только самые легкие воздушные змеи будут летать.
3 – 6 м/с: Хороший ветер для новичков.
6 – 8 м/с: Превосходные условия для полета воздушного змея.
Для определения скорости ветра применяют особые приборы — ветромеры.
Запуск воздушного змея.
Необходимо чтобы ветер всегда дул в спину тому, кто держит веревку, и в лицо помощнику.
2.3 Как запустить "змея". Практические советы.
Вариант 1.
Сильный ветер у земли, воздушный змей взлетает на вытянутой руке. В этом случае остается только разматывать веревку. При наличии ветра змей быстро поднимается вверх.
Рис.14. Запуск змея, вариант 1
Вариант 2
Ветер у земли недостаточен для подъема змея, но на высоте он есть, о чем свидетельствуют раскачивающиеся верхушки деревьев и несущиеся по небу облака. Тогда нам надо поднять змея на ту высоту, где есть ветер. Для этого существует простой способ.
Если Вы запускаете змей в одиночку, встаньте спиной к ветру и поставьте змея на землю "лицом" к себе, т.е. плоскость змея будет расположена перпендикулярно к направлению ветра. Удерживая змей в этом положении, постепенно раскручивайте леер и отходите назад. Отойдя на 15-20 м, рывком потяните змей на себя и пробегите небольшое расстояние. Змей поднимется на определенную высоту, где его подхватит ветер. Бывает, что змей удается запустить с третьей, а то и с пятой попытки. Но если ветер наверху есть, змей может летать там несколько часов.
Если Вы запускаете змей вдвоем, разница только в том, что змей взлетает из рук вашего помощника, а не с земли. Ваш помощник держит змея над головой за поперечные перекладины или за концы продольных. Точно так же вы отходите на то же расстояние, разматывая нить, и рывком дергаете змея на себя.
Рис.15. Запуск змея, вариант 2
Рис.16. Запуск змея, вариант 2
Чтобы помочь змею подняться в воздух и найти более стабильные ветры, потяните за леер на себя и отпустите. Повторяйте операцию до достижения желаемой высоты. Если змей слишком сильно тянет, отпустите леер или выдвиньте вперед катушку. При стихании ветра змей надо быстро подтянуть к себе. С накоплением опыта вы поймете, что таким образом вы управляете полётом змея. Такое управление можно назвать управлением по силе ветра.
Необходимо отметить, что иногда змеи трудно запустить, они приобретают устойчивость на определенной высоте. В самом деле, на земле и где-то до 50 м высоты можно наблюдать неравномерность ветра. Это возникает из-за неровностей поверхности земли, присутствия деревьев и домов. Поэтому надо выбирать большие открытые участки, чтобы по возможности избежать последствия этих помех. Хорошо запускать змей на холмах или возвышенностях, используя восходящие потоки воздуха.
2.4. Меры предосторожности:
•Никогда не запускайте воздушных змеев около линий электропередач.
Электропровода очень опасны для жизни. Электричество, проходящее через ваше тело в землю, может привести к смертельному исходу. Держитесь подальше от проводов.
•Никогда не запускайте воздушных змеев во время грозы.
Воздушный змей, запущенный во время грозы может привлечь к себе молнию и стать молниеотводом. Вряд ли вы сможете это пережить.
•Никогда не запускайте воздушных змеев рядом с людьми или животными.
Это может напугать как людей, так и животных. Они могут подумать, что любители воздушных змеев безответственные люди. Мы все знаем, что очень интересно наблюдать за собаками, когда они гоняются за вашим воздушным змеем, но рано или поздно ветер станет слабее и собака поймает ваш воздушный змей. Запускайте воздушный змей высоко в небе пока люди и животные не покинут пространство.
•Никогда не запускайте воздушных змеев около аэропортов.
Во многих странах по всему миру, запрещено запускать воздушных змеев около аэропортов. В Северной Америке запрещен запуск воздушных змеев ближе, чем 6-10км до аэропортов.
•Носите солнцезащитные очки в солнечные дни.
Долгое воздействие солнечных лучей может нанести ущерб незащищенным глазам. Всегда носите солнцезащитные очки, когда запускаете в солнечный день, даже если вы не стоите лицом к солнцу. Также не забудьте нанести крем от загара, чтобы защитить вашу кожу.
•Никогда не запускайте воздушных змеев над или около шоссе.
Заключение
Основная причина, почему все летательные аппараты поднимаются и держатся в воздухе - это движение воздуха по отношению к ним. Поток воздуха создает общее давление на змея с силой, называемой подъёмной силой. Подъемная сила позволяет уравновесить силу тяжести, действующую на змея, и тем самым подъёмная сила обеспечивает возможность полета тяжелых летательных аппаратов в воздухе.
Стремление людей к звездам положили начало великим открытиям: воздушные змеи, дирижабли – это лишь ступени к исследованиям далеких планет. Ведь самолёт – тот же змей, только движущая сила нашей руки заменена в нём движущей силой пропеллера или реактивного двигателя. И если бы много лет назад кто-то в Китае не решил сделать бумажного дракона, то вряд ли бы сейчас у нас была возможность преодолевать тысячи километров за час…
Но из мифов мы знаем, что первым кто устремился к звездам – был Икар…
Библиографический список:
Журнал «Физика в школе» № 6 1996 г.;
Г. Руджий «Как сделать и запустить воздушного змея», Москва, 2004 г.;
Э. Смиронов «Как конструировать и построить летающую модель», Москва,1993 г.;
«Энциклопедия для детей» под р. М. Д. Аксенова, Москва: Аванта+, 2000 г.
WEB – ресурсы:
http://www.kiteman.ru/?lang=ru&page=2 – воздушные змеи
http://sharikoff.net/?p=103#more-103 – воздушные змеи
2
