Конспект урока по физике "Обтекание тел. Подъемная сила крыла самолета"

Cлайд 1

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Cлайд 6

Cлайд 7

Cлайд 8

Cлайд 9

Cлайд 10

Cлайд 11

Cлайд 12

Cлайд 13

Вопросы для повторения: Какие опыты поставили, чтобы показать роль сил поверхностного натяжения в дыхании? Почему постоянный синтез сурфоктантов помогает нам дышать, и что происходит, когда он прекращается? Почему аквалангисты должны дышать под водой сжатым воздухом? Почему при спуске на большие глубины водолазы не могут использовать сжатый воздух, а должны приготовлять специальные дыхательные смеси? Что такое кессонная болезнь и как её избежать?

Сила сопротивления воздушному потоку Сила сопротивления пропорциональна числу молекул воздуха, которых останавливает крыло, их массе и скорости F сопр поперечное (лобовое) сечение крыла в направлении движения где - плотность воздуха, V - скорость самолёта, а S - площадь его крыла угол атаки

Сила сопротивления изменение импульса воздуха Подъёмная сила воздушного потока mV0mV0 mV1mV1 Подъёмная сила пропорциональна числу молекул воздуха, которых поворачивает крыло, их массе и скорости где - плотность воздуха, V - скорость самолёта, а S - площадь его крыла

Зависимость скорости самолёта от его массы При неизменной мощности двигателя, чем больше масса самолёта, тем медленнее он летит При неизменной скорости и аэродинамических качествах, т.е. С под /С сопр = const, грузоподъёмность пропорциональна площади крыльев

Есть ли связь между посещаемостью и успеваемостью? посещаемость, % результаты зачёта Как количественно определить, тесно ли связано изменение двух величин?

Посещаемость, % результаты зачёта Как количественно определить, тесно ли связано изменение двух величин? Есть ли связь между посещаемостью и успеваемостью?

Вычисляем коэффициент корреляции (связи), CORR, между успеваемостью и посещаемостью посещаемость, % результаты зачёта средняя посещаемость АБ ВГ средняя успеваемость CORR(10 «Б») = 0

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

Основы аэродинамики. 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 · · = bср· ɭ [ м2 ] (1)

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.

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

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;

• 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.

Современный самолет – это сложнейшее сооружение, состоящее из сотен тысяч деталей, электронно-вычислительных устройств. Полетная масса самолетов достигает нескольких сотен тонн. Как же возникает подъемная сила, удерживающая самолет в воздухе?

Со стороны атмосферы на крылья и корпус самолета действуют огромные силы давления. К примеру, площадь нижней поверхности крыла современного пассажирского самолета Ил-62 равна 240 м 2 , а вместе с поверхностью стабилизаторов достигает 280 м 2 . Атмосферное давление равно 10 5 Па, поэтому на крылья воздух действует с силой 2,8×10 7 Н. Эта сила в 18 раз превышает вес самолета с пассажирами (полетный вес самолета Ил-62 равен 1,54×10 6 Н).

Для возникновения подъемной силы давление воздуха на нижнюю поверхность крыла должно быть больше, чем на верхнюю.

Такое перераспределение давления обычно происходит при обтекании крыла воздушным потоком. Рассчитаем избыточное давление, необходимое для того, чтобы возникла подъемная сила, равная силе тяжести, действующей на самолет Ил-62:

Это избыточное давление составляет примерно 0,05 от нормального атмосферного давления. Пример показывает, что для взлета самолета достаточно создать небольшое избыточное давление. Как же оно возникает?

Когда воздушный поток начинает обтекать крыло, то из-за действия сил трения у задней кромки крыла образуется вихрь, в котором воздух вращается против часовой стрелки, если крыло движется влево (рис. 2.3.). Но по законам механики при возникновении вращения против часовой стенки должно возникнуть вращение по часовой стрелке (это следует из закона сохранения момента импульса, который гласит, что в замкнутой системе тел полный (суммарный) импульс остается постоянным). Такое вращение воздуха и возникает вокруг крыла. На обтекающий крыло поток накладывается циркуляция воздуха вокруг крыла. В результате скорость воздушного потока над крылом оказывается больше, чем под крылом, так как над крылом скорость циркуляции имеет такое же направление, как и скорость набегающего на крыло потока, а под крылом эти скорости противоположны по направлению. Но согласно закону Бернулли давление должно быть больше там, где скорость меньше. Следовательно, под крылом давление больше, чем над ним. Из-за этого и возникает подъемная сила.

Можно приближенно оценить, от чего зависит перепад давлений вокруг крыла. Если самолет движется со скоростью относительно воздуха, то в системе координат, связанной с самолетом, крыло неподвижно, а на него набегает воздушный поток с такой же по модулю скоростью. Обозначим модуль скорости циркулирующего воздуха через u . Тогда модуль скорости воздуха над крылом будет равен v 1 = v + u , а под крылом v 2 = v – u . Запишем закон Бернулли:

p 1 + = p 2 + .

Dp = p 2 – p 1 = r( - ) = 2 rvu.

В нижних слоях атмосферы, где плотность воздуха больше, достаточная подъемная сила может возникнуть и при малых скоростях движения самолета . На больших высотах плотность воздуха уменьшается, но там могут быть развиты значительные скорости, и за счет этого будет возникать необходимая подъемная сила.

Скорость самолета Ил–62 равна 900 км/ч, а на тех высотах, где он летает, плотность воздуха порядка 1кг/м 3 . Поэтому при скорости циркуляции порядка 10 м/с возникает необходимый для полета перепад давлений:

Dp= Па = 5×10 3 Па.

Закон Бернулли дает возможность понять, почему возникает подъемная сила у крыла самолета. Скорость обтекания воздухом верхней кромки крыла больше, чем нижней. Поэтому давление воздуха на нижнюю кромку крыла больше, чем на верхнюю.

Почему летают птицы? Какие силы поднимают самолет? Почему планер парит в воздухе? Гипотеза: летательный аппарат взлетит, если создать необходимые условия Цель исследования: познакомиться с теорией полета; выявить условия, необходимые для полета летательного аппарата. Задачи исследования: Определить условия, необходимые для возникновения подъемной силы крыла; Выявить условия, обеспечивающие устойчивость летательного аппарата. Методы и способы исследования Анализ литературы по проблеме, Опытно- экспериментальная работа по выявлению условий для полета самолета (определение центра тяжести и дальности полёта, влияние положения центра тяжести, винта и формы крыла на дальность полёта). Анализ результатов экспериментальной работы Изучил Три принципа создания подъемной силы, закон Архимеда, закон Бернулли. Узнал Почему и как возникает подъемная сила? (угол атаки, центр давления крыла) Об устойчивости полета, центре тяжести, значении центровки модели для установки прямолинейного движения (смещение центра тяжести). Почему и как летает самолет. Режимы полета. 1. Три принципа создания подъемной силы Аэростатический Аэродинамический Реактивно-ракетный Закон Архимеда Аэростатический принцип cоздания подъемной силы можно объяснить, используя закон Архимеда, одинаково справедливый как для жидкой, так и для воздушной среды: «Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость или газ тело, равна весу жидкости или газа в объеме этого тела». Летательные аппараты, основанные на аэростатическом принципе, называются воздушными шарами или аэростатами. Закон Бернулли Аэродинамический принцип объясняется законом Бернулли. создания Если скорость обтекания воздухом верхней кромки крыла больше, чем нижней. То давление воздуха на нижнюю кромку больше, чем на верхнюю. р2+1/2ρѵ 22 =p1 +1/2 ρѵ 21, ∆р=р2-р1=1/2 ρ(ѵ21-ѵ22). Подъемная сила планеров, самолетов, вертолётов создается по аэродинамическому принципу. 2. Почему и как возникает подъемная сила Николай Егорович Жуковский Y- Подъемная сила крыла, R - аэродинамическая сила, Х - сила лобового сопротивления, ЦД - центр давления крыла 3. Как обеспечивается устойчивость полета Разновидности винтов и их применение Сход воздушных вихрей с концов лопастей воздушного винта. Реактивные двигатели турбореактивный турбовинтовой 4. Режимы полета самолета Y-Подъемная сила крыла, R- аэродинамическая сила, Х- сила лобового сопротивления, P-сила тяги винта Пусть самолет летит прямолинейно по горизонтальной траектории с некоторой постоянной воздушной сила R. Разложим эту силу на две -перпендикулярно направлению полета Y и по полету X. На самолет действует сила тяжести G. По величине силы Y и G должны быть равны, иначе самолет не будет лететь горизонтально. На самолет действует сила тяги винта Р, которая направлена по направлению движения самолета. Эта сила уравновешивает силу лобового сопротивления. Итак, при установившемся горизонтальном полете, подъемная сила крыла равна силе тяжести самолета, а тяга винта - лобовому сопротивлению. При отсутствии равенства этих сил движение называется криволинейным. P- сила тяги винта, Y-подъемная сила крыла, R- аэродинамическая сила, Х- сила лобового сопротивления, G,G1,G2-силы тяжестей. Рассмотрим теперь, какие силы действуют на самолет при установившемся подъеме. Подъемная сила У направлена перпендикулярно движению самолета, сила лобового сопротивления Х – прямо против движения, сила тяги Р- по движению и сила тяжести Gвертикально вниз. Y-Подъемная сила крыла, R- аэродинамическая сила, Х- сила лобового сопротивления G,G1,G2-силы тяжести. Планирование характеризуется непрерывной потерей высоты. Сила R должна уравновешивать силу G. Благодаря действию силы G 2 , уравновешивающей лобовое сопротивление Х, и возможное планирование самолета. Анализ результатов исследования Условия, необходимые для полёта изучены и проверены на моделях. Журнал исследований Основные показатели моделей Длина, см Время, с Скорость, м/с Модель 180 0,56 3,21 Пенопластовый планер 180 0,94 1,91 Пенопластовая резиномоторка 180 0,59 3,05 Бумажный планер 180 0,63 2,85 Планер «Колибри» 180 0,90 2,00 Резиномоторка Характеристики моих моделей модель + Резиномоторка Наличие винта, форма крыльев, размеры крыла, нервюры на стабилизаторе, съёмность всех деталей Небольшие размеры – меньше лобовое сопротивление Винт «Ушки» (устойчивость в полете) Прочный Вес резиномотора Винт-сопротивление в планировании Прочность, лёгкость, наличие винта - Планер «Колибри» Пенопластовая резиномоторка Планер пенопластовый Электролёт - Грузик – большой вес, нет нервюр на стабилизаторе,не съёмность деталей Хрупкость,вес резиномотора,распорная мачта (лобовое сопротивление) Грузик – большой вес Зависимость величины крутящего момента резиномотора от длины и поперечного сечения жгута длина, см сечение жгута, см² крутящий момент, кг/см 30 0,24* 0,100 40 0,40 0,215 45 0,56 0,356 50 0,64 0,433 55 0,80* 0,800 Подъемная сила крыла моделей Модель Подъемная сила крыла моделей Резиномоторка 0,21 Н Планер «Колибри» 0,48 Н Пенопластовый планер 0,21 Н Пенопластовая резиномоторка. 0,07 Н ИТОГИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 1.В каждом классе своя модель сильна; 2.Нельзя сравнивать разные классы моделей между собой. 3.Можно сравнивать: резиномоторки с одинаковым весом резиномотора; кордовые с одинаковым объемом двигателя; планера одинакового размера. Выводы по работе: Таким образом, изучив материал о теории полета, принципах и причинах возникновения подъемной силы, я сделал вывод о том, что для того, чтобы летательный аппарат полетел, необходимы следующие условия: Правильная центровка крыла; Достаточная сила тяги винта; Правильное расположение центра тяжести летательного аппарата; В процессе исследования моя гипотеза о необходимости определенных условий для полета летательного аппарата оказалась верной. Библиография 1. 2. 3. 4. 5. 6. Ермаков А.М. Простейшие авиамодели. Москва, Просвещение, 1984г. Гаевский О.К. Авиамоделирование. Москва, Просвещение, 1964г. Дузь П.Д. История воздухоплавания и авиации в СССР. Москва, Просвещение, 1960г. Интернет-сайты Анощенко Н.Д. Воздухоплаватели. Москва, Просвещение, 2004 г. Детская энциклопедия. Техника. Москва, Аванта +, 2007 г.