Исследовательский проект «Почему самолеты летают»

Автор: Надежда Викторовна Болотова

Организация: МОУ СОШ №4

Населенный пункт: Забайкальский край, г. Петровск-Забайкальский

 

Содержание

1. Аннотация…………………………………………………………………..3

2. План исследований………………………………………………………...3-4

3. Научная статья……………………………………………………………..5-13

4. Приложение ……………………………………………………………….14-16

5. Список литературы………………………………………………………..17

 

Аннотация

 

Однажды, гуляя с друзьями возле дома, я увидел в небе самолет. Он летел достаточно низко, поэтому мы успели рассмотреть его большие крылья, которые поразили меня. И тут я подумал – «Почему самолеты летают?». Мне стало интересно разобраться в этом вопросе, и я решил прочитать о самолете и изучить его строение и механизм полета.

 

Цель работы: теоретически изучить принцип полета самолета, практически изготовить модель самолета класса «Миг-3».

 

Задачи:

1) Изучить историю авиации;

2) Узнать о строении и управлении самолета на примере «Миг-3»;

3) Спроектировать модель самолета «Миг-3».

В ходе исследований были использованы следующие методы:

1. Поисковый – анализ литературы, касающейся изучаемой темы.

2. Исследовательский – изучение материала о строении и полета самолета.

В результате исследований мне удалось выяснить, какие были первые изобретения и их создатели в области авиации. Разобрался и понял, как возникает подъемная сила крыла. Узнал, кто первый смог объяснить ее возникновение. Изучил строение и принципы полета самолета на примере советского истребителя. Я понял, почему самолет летает, моя гипотеза подтвердилась. Самолеты летают благодаря двигателям (которые приводят самолет в движение), крыльям (форме крыла) и подъемной силе крыла (которая образовывается из-за разности давлений при поступательном потоке воздуха во время движения самолета).

 

Гипотеза: самолет поднимают и держат в воздухе какие-то силы.

 

План исследования:

Самолет тяжелее воздуха. Современные лайнеры весят много тонн и могут взять еще много тонн полезного груза. Почему самолеты летают – вопрос, кажется детский, но не каждый взрослый человек может на него ответить. Поэтому я решил провести свое собственное исследование и ответить на этот вопрос.

 

 

Актуальность темы:

Значимость темы направлена на ознакомление истории возникновения авиации, появлении первых самолет и их создателей, накоплении теоретического материала по теме исследования.

 

Практическая значимость исследования заключается в том, что получен опыт в создании модели самолета и проведении сравнительного анализа полетов моделей самолетов.

Теоретическую основу работы составляют следующие издания:

1. Гальперштейн Л.Я. Транспорт: Научно-популярное издание для детей/ Оформл. серии И.П. Смирнова. – М.: ООО «Росмэн-Издат», 2001. – 31 с. – (Я открываю мир).

2. Гончаренко В.В. Как люди научились летать. – К.: «Веселка», 1998. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://n-t.ru/ri/gn/kl.htm

3. Малов В. Я познаю мир. Техника: Детская энциклопедия / В. Малов. – М.: АСТ, Астрель 2004г.

4. Первые самолеты в мире и России [электронный ресурс]. URL: https://aviawiki.com/samolet/pervyj-samolet-v-mire

4. "Почему самолёт летает?", Волцит П.М., АСТ, 2016г.

5. «Самолеты. Детская энциклопедия» Феданов Ю., Владис., 2016г.

6. http://avia-simply.ru/ugol-ataki-ad-sili/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Научная статья (описание работы)

 

Цель исследования: теоретически изучить принцип полета самолета, практически изготовить модель самолета класса «Миг-3».

 

Задачи:

1) Изучить историю авиации;

2) Узнать о строении и управлении самолета на примере «Миг-3»;

3) Спроектировать модель самолета «Миг-3».

 

Объект исследования: модель самолета «Миг-3».

 

Предмет исследования: условия, при которых самолет летает.

 

Почему самолеты летают

 

Тема моей исследовательской работы называется «Почему самолеты летают». Работая над этой темой, я в первую очередь выяснил, что вопрос полета волновал людей многие тысячелетия, веками люди изучали птиц, создавали на их манер летательные аппараты самых немыслимых форм.

Также, я узнал о первых изобретениях и их создателях в области авиации. Разобрался и понял, как возникает подъемная сила крыла. Узнал, кто первый смог объяснить ее возникновение. Изучил строение и принципы полета самолета на примере советского истребителя. Я понял, почему самолет летает, моя гипотеза подтвердилась. Самолеты летают благодаря двигателям (которые приводят самолет в движение), крыльям (форме крыла) и подъемной силе крыла (которая образовывается из-за разности давлений при поступательном потоке воздуха во время движения самолета).

 

История возникновения авиации

 

История авиации насчитывает более двух тысяч лет, начиная с самых ранних форм авиации, такие как воздушные змеи и прыжки с вышки, сверхзвуковой и гиперзвуковой полет с помощью двигателя, тяжелее, чем воздух струи.

Так, в 1020 г. aнглийский монах Эйлмeр из Мaлмсбeри, вдохновленный греческим мифом об Икаре, сделал искусственные крылья и спрыгнул с башни местного аббатства. Пролетев небольшое расстояние, при приземлении монах сломал ноги и хотел, усовершенствовав конструкцию и добавив хвост, повторить полет, но аббат запретил ему это. Большинство же «изобретателей» заканчивали куда хуже — разбивались насмерть. И все же — какова история летательных аппаратов и когда появились первые удачные приспособления, позволявшие людям подняться в воздух?

Начинается история полетов в древнем Китае. Еще в 3-4 веках до н. э. китайцы изобрели воздушный змей. Изначально это приспособление использовалось для развлечения народа на всяких праздниках.

Конечно же, китайцев посетила и мысль, что большой воздушный змей может поднять в воздух и человека. Полет на воздушном змее был довольно рискованным, однако история сохранила свидетельства удачных полетов.

Дo пoявления сaмoлетoв и вертолетов самым простым способом совершить пoлет былo использование летательных аппаратов легче воздуха—воздушных шaрoв и дирижаблей. Что интересно, история здесь снова ведет нaс в Китaй. Вероятно, еще в III в. дo н. э. в Китae были изобретены воздушные фонарики. Этот фонарик — простая конструкция из рисoвoй бумаги с небольшой горелкой внутри.

Изобретателями воздушного шара считаются братья Монгольфье из Франции. Руководствовались они не совсем правильными идеями – им пришла в голову мысль сделать аналог облака и поместить его в мешок, чтобы оно могло поднять этот мешок в воздух. Тем не менее, их эксперименты привели к успеху. 4 июня 1783 года они устроили большую демонстрацию воздушного шара для жителей своего города Анноне. Вскоре о воздушном шаре узнали в Париже, и осенью того же года братья Монгольфье запускали свои шары уже в Версале. Впервые на воздушном шаре решили запустить пассажиров, которыми стали овца, утка и петух. Наконец, убедившись, что полет на воздушном шаре не навредит человеку, 19 октября 1783 года первый полет на воздушном шаре совершили люди.

В 1884 году французы Шарль Ренар и Артур Кребс смогли построить дирижабль, способный свободно перемещаться в любом направлении. Их дирижабль имел удлиненную форму и был оснащен электрическим двигателем, который работал на аккумуляторах.

Попытки поставить двигатель на планер и изобрести, таким образом, самолет, долгое время не приводили к особым успехам. Среди таких попыток был, например, самолет Можайского. Можайский, контр-адмирал российского флота, стал изобретать самолеты еще в 50-е годы 19 в. Начав с планеров, которые поднимали в воздух запряженные лошади. Можайский перешел к конструированию самолета с двигателем. К сожалению, паровые двигатели, которыми он пробовал оснастить самолет, были слишком тяжелыми, и удержать его в воздухе не могли, хотя и имеются свидетельства, что самолет Можайского был способен взлетать на короткое время.

 

Кто изобрел, испытал и построил первый в мире самолет

 

Несмотря на то, что разработка конструкции летательного аппарата велась многими учеными в середине 19 века, изобретение самолета приписывают братьям Райт, чей аэроплан совершил кратковременный полет в 1903 году.

Не все согласны с тем, что братья Райт были первыми. Бразилец Альберто Сантос – Дюмонт сконструировал, собственноручно построил и сам же испытал первый в мире прототип дирижабля в 1901 году. Именно тогда было доказано, что управляемые полеты действительно возможны.

По еще одной версии, первенство в изобретении первого рабочего летательного аппарата следует присвоить российскому изобретателю А.Ф. Можайскому, чье имя навсегда останется в истории авиации. Таким образом, споры о том, кто изобрел, и кто создал, самолет ведутся до сих пор.

Братья Райт не стали первыми изобретателями самолета. Более того, первый неуправляемый полет человека также принадлежит не им. Тем не менее, братья Райт смогли доказать самое главное – то, что человек способен управлять летательным аппаратом.

Авторству братьев принадлежит идея о трех осевом вращении летательного аппарата, благодаря чему осуществлялось управление их самолетом и поддержание равновесия этой громоздкой конструкции.

В то время, когда все ученые ломали головы над возможностью установки более мощных двигателей для поднятия самолета в воздух, братья сосредоточились на вопросах возможности управления летательным аппаратом. Результатом стал ряд экспериментов с аэродинамической трубой, послуживших основой для разработки крыльев и пропеллеров аэроплана.

Первый планер с двигателем, построенный братьями, получил название «Флаер-1». Он был изготовлен из ели, так как этот материал отличается легкостью и надежностью. Устройство приводилось в движение бензиновым двигателем.

Первый успешный полет был совершен 17 декабря 1903 года. Самолет поднялся на несколько метров и пролетел около 40 метров за 12 секунд. Затем были повторные испытания, в результате которых длительность и высота полета увеличились.

 

 

Самолет и его управление на примере советского истребителя «МиГ-3»

 

Начиналось все с проекта высотного истребителя конструкторского бюро Поликарпова Н.Н. (1892 — 1944), который был разработан и впервые представлен под названием И-200, в декабре 1939 года. Машина разрабатывалась группой конструкторов А.Г. Бруновым, Я.И. Селецким, М.И. Гуревичем, В.А. Ромодиным, Н.З. Матюком, и др.

В последствии группа была преобразована в опытный конструкторский отдел, руководителем которого назначили А.И. Микояна (выдающегося советского авиаконструктора).

В кратчайшие сроки был сформирован коллектив из семидесяти сотрудников, создан макет, а уже в начале весны 1940 года первый образец истребителя был готов. Испытательный полет прошел 5 апреля 1940 года (летчик — испытатель Екатов А.Н.). В мае того же года самолет пустили в серийное производство.

У опытного образца истребителя немного снизились летные характеристики, но новый самолет все равно стал самым скоростным из советских истребителей на тот период, превысив скорость в 600 км/ч! На авиационном параде в августе 1940 года в Тушино граждане Советского Союза впервые увидели современный истребитель в небе под новым названием И-200.

После технических доработок по результатам испытаний, в декабре уже под обозначением МиГ-1, самолет пошел в серийное производство, а более прогрессивную модификацию назвали МиГ-3 (заглавные буквы обозначают фамилии создателей «Микоян» и «Гуревич»).

Конструктивно МиГ-3 — свободнонесущий моноплан с крылом в нижней половине фезюляжа самолета (низкоплан). Корпус спереди представлял собой раму, но не из шпангоутов, как это делается сейчас, а из труб обшитых дюралевыми листами. Корпус сзади из дерева.

МиГ-3 впервые для отечественного серийного истребителя был обеспечен оборудованием для подачи кислорода пилоту для полетов свыше 7 тысяч метров.

Боевая часть конструкции представлена пулеметом БС (конструкции Березина М.Е., синхронизированный с двигателем) калибром 12,7-мм и двумя 7,62-мм пулеметами ШКАС (конструкции Шпитального — Комарицкого, скорострельные), над двигателем.

Под крыльями могли быть установлены РС-82 до6 шт. А также могли подвешиваться две авиа — бомбы до 100 кг, либо пулемёты БС.

Основными недостатками была слабая маневренность на средних и малых высотах, высокая посадочная скорость, не достаточно мощное вооружение (только пулеметы, хотя на более поздних моделях было и пушечное вооружение), клинивший на высоких скоростях «фонарь» кабины (на какие ухищрения приходилось идти в критических ситуациях, чтобы выпрыгнуть с парашютом).

 

Элементы управления самолетом

 

Все самолеты (гражданские и военные) имеют общие органы управления, среди которых выделяют:

  • штурвал;
  • педали;
  • рычаги;
  • различные приборы и индикаторы.

Главным органом управления в любом самолете считается штурвал. Посредством штурвала осуществляется управление судном по оси крена и тангажа.

Посредством поворота штурвала в стороны осуществляется регулирование крена. Тяга на себя и от себя позволяет управлять тангажом. Повороты ручки управления самолетом воздействуют на крыльевые элероны. Тяга на себя и от себя позволяет регулировать рули высоты и элевоны. В итоге при повороте штурвала влево или вправо судно начинает крениться. Притягивание ручки управления самолетом на себя — задирает нос летательного аппарата, а отталкивание приводит к пикированию.

Чтобы управлять истребителем для начала нужно изучить функции и виды штурвалов. На штурвальном органе управления могут находиться дополнительные переключатели, ответственные за радиосвязь или включение специализированных режимов.

Педали в летательных аппаратах используются для воздействия на руль контроля. В кабине находится две педали. От нажатия на них зависит поворот самолета вправо и влево без крена (так называемое рысканье). Пилот должен тонко чувствовать работу педалей, чтобы правильно регулировать положение судна.

Главными рычагами на воздушном судне считаются рычаги управления двигателем (РУД). Посредством воздействия на рычаг изменяется тяга двигателя. Увеличение тяги приводит к ускорению аппарата, уменьшение — к замедлению.

Приборы отображают параметры полета. Неполадка приборов представляет серьезную опасность, поэтому при обслуживании судна обращают внимание на работу отдельных датчиков. Среди приборов самолета выделяют:

  • высотомер;
  • индикатор воздушной скорости;
  • термометр;
  • авиагоризонт;
  • тахометр;
  • вариометр;
  • курсовые приборы.

На приборной доске отображается множество различных показателей. При виде самолетных приборов в первый раз человек сталкивается с большими сложностями. Чтобы управлять судном, необходимо знать расположение и назначение каждого прибора.

 

Подъемная сила крыла и взлет

 

В развитии аэродинамики у нас в стране выдающуюся роль сыграл профессор Николай Егорович Жуковский (1847—1921).

Заслуга Жуковского состоит в том, что он первый объяснил образование подъемной силы крыла и сформулировал теорему для вычисления этой силы. Им была решена и другая проблема теории полета — объяснена сила тяги воздушного винта. Жуковский не только открыл законы, лежащие в основе теории полета, но и подготовил почву для бурного развития авиации в нашей стране.

В основанных Жуковским лабораториях и в созданных при них кружках выросла целая плеяда ученых, исследователей и конструкторов, обогативших своими трудами и открытиями не только русскую, но и мировую науку.

Основным приспособлением, служащим для изучения законов движения тел в воздухе, является аэродинамическая труба. Простейшая аэродинамическая труба представляет собой профилированный канал. (рис. 12). В одном конце трубы установлен мощный вентилятор, приводимый во вращение электродвигателем. Когда вентилятор начинает работать, в канале трубы образуется воздушный поток. В зависимости от диаметров канала трубы и воздушного винта и мощности двигателя вентилятора можно получить различные скорости воздушного потока вплоть до сверхзвуковых. Современные аэродинамические трубы достигают гигантских размеров. В их каналах можно помещать для исследования не только модели, но и реальные самолеты.

Описанное уравнением Бернулли явление позволяет объяснить возникновение аэродинамических сил, а главное подъемной силы крыла. В литературе это уравнение иногда называют законом Бернулли.

Рассмотрим природу возникновения подъемной силы. Опыты, проведенные в аэродинамических лабораториях, позволили установить, что при набегании на тело воздушного потока частицы воздуха обтекают тело. Картину обтекания тела воздухом легко наблюдать, если поместить тело в аэродинамической трубе, в подкрашенном потоке воздуха, кроме того, ее можно сфотографировать. Полученный снимок называют спектром обтекания.

Упрощенная схема спектра обтекания плоской пластинки, поставленной под углом 90° к направлению потока, изображена на рис.14

Из рисунка видно, что в этом случае никакой подъемной силы не возникает. Воздух впереди пластинки создает подпор, плотность его струек повышается, а сзади пластинки воздух оказывается разреженным. Повышенное давление воздуха впереди пластинки и разрежение позади нее приводят к тому, что струйки воздуха с силой устремляются в разреженное пространство, закручиваются и образуют сзади пластинки завихрения, которые мы и видим на спектре.

На рис. 15 дано схематическое изображение спектра обтекания пластинки, поставленной под острым углом к потоку. Под пластинкой давление повышается, а над ней вследствие срыва струй получается разрежение воздуха, т. е. давление понижается. Благодаря образующейся разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, т. е. назад и вверх. Отклонения аэродинамической силы от вертикали зависит от угла, под которым пластинка поставлена к потоку. Этот угол получил название угла атаки. (его принято обозначать греческой буквой α — альфа).

От каких же причин зависит сопротивление воздуха? Этих причин несколько. На рис. 18 изображена картина обтекания круглой пластинки. Если к этой пластинке спереди сделать конусообразную приставку, которая заполнила бы всю ту область перед пластинкой, где давление было повышено, то спереди давление значительно снизится. И хотя срыв струй и понижение давления позади составного тела будут такими же, как и за пластинкой, все же разность давлений и лобовое сопротивление значительно уменьшатся.

Чтобы избежать срыва струй, следует сделать еще и кормовую конусообразную приставку, заполнив ею всю область пониженного давления за пластиной.

Одновременное использование носовой и кормовой приставок определенной формы позволяет резко снизить лобовое сопротивление по сравнению с лобовым сопротивлением пластинки (примерно в 20—25 раз). Таким образом, можно получить тело наиболее выгодной аэродинамической формы. В этом случае поток плавно разделяется передней частью тела, обтекает его и плавно стекает с кормовой части. Тела подобной формы называет удобообтекаемыми. Они и получили наибольшее распространение в авиации.

Таким образом, как и подъемная сила, сила лобового сопротивления зависит от угла атаки, формы профиля, плотности воздуха, площади сечения и квадрата скорости, хотя эти зависимости и имеют свои особенности.

 

Практическая часть

 

Самолет, модель которого я собрал

 

Для изучения конструкции самолета я сконструировал модель Миг-3. Для этого мне потребовался набор для сборки такой модели. Этот набор мы приобрели за 300 р. в магазине «Детский мир».

Чтобы собрать данную модель, мне понадобилось 5 дней. Детали были мелкой работы, что создавало некоторые затруднения.

Модель изготовлена из пластика и достаточно точно передала строение советского истребителя Миг-3.

 

Заключение.

В результате выполнения исследования, я нашел ответ на свой вопрос «Почему самолеты летают?». Получил навыки исследовательской деятельности, умение работать с различными источниками информации.

Я понял, что вопрос полета волновал людей многие тысячелетия, веками люди изучали птиц, создавали на их манер летательные аппараты самых немыслимых форм.

Также, я узнал о первых изобретениях и их создателях в области авиации. Разобрался и понял, как возникает подъемная сила крыла. Узнал, кто первый смог объяснить ее возникновение. Изучил строение и принципы полета самолета на примере советского истребителя. Я понял, почему самолет летает, моя гипотеза подтвердилась. Самолеты летают благодаря двигателям (которые приводят самолет в движение), крыльям (форме крыла) и подъемной силе крыла (которая образовывается из-за разности давлений при поступательном потоке воздуха во время движения самолета).

 

Полный текст статьи см. в приложении.


Приложения:
  1. file0.docx.. 826,3 КБ
Опубликовано: 11.04.2021