"Зависимость продолжительности полёта бумажного самолёта от его формы". Интересные факты про бумажные самолетики Какие условия долгого планирования бумажного самолетика

1. Введение. Цель работы. Общие закономерности развития области знаний. Выбор объекта исследования. Mind map.
2. Элементарная физика полета планера (БС). Система уравнений сил.





9. Фотографии аэродинамической Обзор характеристик трубы, аэродинамические весы.
10. Результаты экспериментов.
12. Некоторые результаты по визуализации вихрей.
13. Связь параметров и конструктивных решений. Сравнение приведенных к прямоугольному крылу вариантов. Положение аэродинамического центра и цетра тяжести и характеристик моделей.
14. Энергетически эффективное планирование. Стабилизация полета. Тактика мирового рекорда для продолжительности полета.



18. Заключение.
19. Список литературы.

1. Введение. Цель работы. Общие закономерности развития области знаний. Выбор объекта исследований. Mind map.

Развитие современной физики, прежде всего в экспериментальной ее части, а особенно - в прикладных областях, происходит по ярко выраженной иерархической схеме. Это вызвано необходимостью в дополнительной концентрации ресурсов, необходимых для достижения результатов, начиная от материального обеспечения экспериментов, до распределения работ между специализированными научными институтами. Независимо, осуществляется ли это от лица государства, коммерческих структур или даже энтузиастов, но планирование развития области знаний, менеджмент научных исследований - это современная реальность.
Цель данной работы - это не только постановка локального эксперимента, но и попытка иллюстрации современной технологии научной организации на простейшем уровне.
Первые размышления, предшествующие собственно работе, обычно фиксируются в свободной форме, исторически это происходит на салфетках. Однако в современной науке подобная форма изложения называется mind mapping - дословно “схема мышления”. Она представляет собой схему, в которую в виде геометрических фигур вписывается все. что может относиться к рассматриваемому вопросу. Эти понятия соединяются стрелками, указывающие на логические связи. На первых порах такая схема может содержать совершенно различные и неравные понятия, которые сложно объединить в классический план. Однако такая пестрота позволяет найти место для случайных догадок и несистематизированной информации.
В качестве объекта исследований был выбран бумажный самолетик - вещь, знакомая каждому с детства. Предполагалось, что постановка ряда экспериментов и приложение понятий элементарной физики помогут объяснить особенности полета, а также, возможно, позволят сформулировать общие принципы конструирования.
Предварительный сбор информации показал, что область не так проста, как это казалось сначала. Большую помощь оказали исследования Кена Блэкберна, аэрокосмического инженера, обладателя четырех мировых рекордов (в том числе и действующего) на время планирования, которые он установил с самолетиками собственной конструкции.

Применительно к поставленной задаче mind map выглядит следующим образом:

Это базовая схема, представляющая предполагаемую структуру исследования.

2. Элементарная физика полета планера. Система уравнений для весов.

Планирование - частный случай снижения самолета без участия тяги, создаваемой двигателем. Для безмоторных летательных аппаратов - планеров, как частный случай - бумажных самолетиков, планирование является основным режимом полета.
Осуществляется планирование за счет уравновешивающих друг друга веса и аэродинамической силы, в свою очередь состоящей из подъемной силы и силы лобового сопротивления.
Векторная схема сил, действующих на самолет (планер) при полете выглядит следующим образом:

Условием прямолинейности планирования является равенство

Условие равномерности планирования - равенство

Таким образом для поддержания прямолинейного равномерного планирования требуется соблюдение обоих равенств, системы

Y=GcosA
Q=GsinA

3. Углубляясь в базовую теорию аэродинамики. Ламинарность и турбулентность. Число Рейнольдса.

Более детальное представление о полете дает современная аэродинамическая теория, базирующаяся на описании поведения разных видов потоков воздуха, в зависимости от характера взаимодействия молекул. Различают два основных вида потоков - ламинарный, когда частицы движутся по плавным и параллельным кривым, и турбулентный, когда они перемешиваются. Как правило, не существует ситуаций с идеально ламинарным или чисто турбулентным потоком, взаимодействие и тех и других и создает реальную картину работы крыла.
Если мы рассматриваем конкретный объект с конечными характеристиками - массой, геометрическими размерами, то свойства обтекания потоком на уровне молекулярного взаимодействия характеризуются числом Рейнольдса, которое дает относительное значение и обозначает отношение импульсов силы к вязкости жидкости. Чем больше число, тем меньше влияния вязкости.

Re= VLρ/η=VL/ν

V (скорость)
L (характеристика размера)
ν (коэф (плотность/ вязкость)) = 0,000014 м^2/с для воздуха при обычной температуре.

Для бумажного самолетика число Рейнольдса составляет около 37000.

Так как число Рейнольдса гораздо меньше, чем у настоящих самолетов, это значит, что вязкость воздуха играет куда более значительную роль, в результате чего возрастает сопротивление и уменьшается подъемная сила.

4. Как работают обычное и плоское крыло.

Плоское крыло с точки зрения элементарной физики представляет собой пластину, расположенную под углом к движущемуся потоку воздуха. Воздух “отбрасывается” под углом вниз, создавая противоположно направленную силу. Это и есть полная аэродинамическая сила, которая может быть представлена в виде двух сил - подъемной и лобового сопротивления. Такое взаимодействие легко объясняется на основе третьего закона Ньютона. Классический пример плоского крыла-отражателя - воздушный змей.

Поведение обычной (плоско-выпуклой) аэродинамической поверхности объясняется классической аэродинамикой как появление подъемной силы за счет разницы скоростей фрагментов потока и, соответственно, разницы давлений снизу и сверху крыла.

Плоское бумажное крыло в потоке создает вихревую зону сверху, которая является подобием выгнутого профиля. Он менее устойчив и эффективен, чем жесткая оболочка, но механизм работы тот же.

Рисунок взят из источника (См. список литературы). На нем видно формирование аэродинамического профиля за счет турбулентности на верхней поверхности крыла. Существует и понятие переходного слоя, в котором турбулентный поток переходит в ламинарный за счет взаимодействия слоев воздуха. Над крылом бумажного самолетика он составляет до 1 сантиметра.

5. Обзор трех конструкций самолетов

Для эксперимента были выбраны три разные конструкции бумажных самолетов, обладающих разными характеристиками.

Модель №1. Самая распространенная и общеизвестная конструкция. Как правило, большинство представляет себе именно ее, когда слышит выражение “бумажный самолет”.

Модель №2. “Стрела”, или “Копье”. Характерная модель с острым углом крыла и предполагаемой высокой скоростью.

Модель №3. Модель с крылом большого удлинения. Особенная конструкция, собирается по широкой стороне листа. Предполагается, что она обладает хорошими аэродинамическими данными из-за крыла большого удлинения.

Все самолеты собирались из одинаковых листов бумаги с удельным весом 80 грамм/м^2 формата А4. Масса каждого самолета - 5 грамм.

6. Наборы характеристик, почему они.

Для получения характерных параметров для каждой конструкции нужно собственно определить эти параметры. Масса всех самолетов одинакова - 5 грамм. Можно достаточно просто измерить скорость планирования для каждой конструкции и угол. Отношение разницы высот и соответствующей дальности даст нам аэродинамическое качество, по сути, тот же угол планирования.
Представляет интерес измерение подъемной силы и силы сопротивления на разных углах атаки крыла, характер их изменений на пограничных режимах. Это позволит охарактеризовать конструкции на основе численных параметров.
Отдельно можно проанализировать геометрические параметры бумажных самолетов - положение аэродинамического центра и центра тяжести для разных форм крыла.
Визуализацией потоков можно достичь наглядного изображения процессов происходящих в пограничных слоях воздуха вблизи аэродинамических поверхностей.

7. Предварительные эксперименты (камера). Полученные значения для скорости и аэродинамического качества.

Для определения базовых параметров был проделан простейший эксперимент - полет бумажного самолетика фиксировался видеокамерой на фоне стены с нанесенной метрической разметкой. Поскольку известен межкадровый интервал для видеосъемки (1/30 секунды), можно легко вычислить скорость планирования. По падению высоты на соответствующих кадрах находятся угол планирования и аэродинамическое качество самолета.

В среднем, скорость самолетика - 5-6 м/с, что не так у ж и мало.
Аэродинамическое качество - порядка 8.

8. Требования к эксперименту, Инженерное задание.

Чтобы воссоздать условия полета, нам нужен ламинарный поток со скоростью до 8 м/с и возможность измерить подъемную силу и сопротивление. Классический способ аэродинамических исследований - аэродинамическая труба. В нашем случае ситуация упрощается тем, что сам самолетик имеет небольшие размеры и скорость и может быть непосредственно помещен в трубу ограниченных размеров.
Следовательно, нам не мешает ситуация, когда продуваемая модель существенно отличается по габаритам от оригинала, что, в силу различия чисел Рейнольдса, требует компенсации при измерениях.
При сечении трубы 300x200 мм и скорости потока - до 8 м/с нам понадобится вентилятор с производительностью не менее 1000 куб.м/час. Для изменения скорости потока необходим регулятор скорости двигателя, а для измерения - анемометр с соответствующей точностью. Измеритель скорости не обязательно должен быть цифровым, вполне реально обойтись отклоняемой пластиной с градуировкой по углу или жидкостным анемометром, который имеет большую точность.

Аэродинамическую труба известна достаточно давно, ее применял в исследованиях еще Можайский, а Циолковский и Жуковский уже детально разработали современную технику эксперимента, которая принципиально не изменилась.
Для измерения силы сопротивления и подъемной силы применяются аэродинамические весы, позволяющие определить усилия в нескольких направлениях (в нашем случае - в двух).

9. Фотографии аэродинамической трубы. Обзор характеристик трубы, аэродинамические весы.

Настольная аэродинамическая труба была реализована на основе достаточно мощного промышленного вентилятора. За вентилятором расположены взаимно перпендикулярные пластины, спрямляющие поток перед попаданием в измерительную камеру. Окна в измерительной камеры снабжены стеклами. В нижней стенке прорезано прямоугольное отверстие для держателей. Непосредственно в измерительной камере установлена крыльчатка цифрового анемометра для измерения скорости потока. Труба имеет небольшое сужение на выходе для “подпора” потока, позволяющее снизить турбулентность ценой уменьшения скорости. Частота вращения вентилятора регулируется простейшим бытовым электронным регулятором.

Характеристики трубы оказались хуже расчетных, главным образом из-за несоответствия производительности вентилятора паспортным характеристикам. Подпор потока тоже снизил скорость в зоне измерений на 0.5 м/с. В результате максимальная скорость - чуть выше 5 м/с, что, тем не менее, оказалось достаточным.

Число Рейнольдса для трубы:

Re = VLρ/η = VL/ν

V (скорость) = 5м/c
L (характеристика)= 250мм = 0,25м
ν (коэф (плотность/ вязскость)) = 0,000014 м2/с

Re = 1,25/ 0,000014 = 89285,7143

Для измерений сил, действующих на самолет использовались элементарные аэродинамические весы с двумя степенями свободы на основе пары электронных ювелирных весов с точностью 0.01 грамм. Самолет фиксировался на двух стойках под нужным углом и устанавливался на платформу первых весов. Те, в свою очередь, размещались на подвижной площадке с рычажной передачей горизонтального усилия на вторые весы.

Измерения показали, что точность вполне достаточна для базовых режимов. Однако, было сложно фиксировать угол, поэтому лучше разработать соответствующую схему крепления с разметкой.

10. Результаты экспериментов.

При продувке моделей измерялись два основных параметра - сила сопротивления и подъемная сила в зависимости от скорости потока при заданном угле. Было построено семейство характеристик с достаточно реалистичными значениями, позволяющие описать поведение каждого самолета. Результаты сведены в графики с дальнейшим нормированием масштаба относительно скорости.

11. Соотношения кривых для трех моделей.

Модель №1.
Золотая середина. Конструкция максимально соответствует материалу - бумаге. Прочность крыльев соответствует длине, развесовка оптимальна, поэтому правильно сложенный самолет хорошо выравнивается и плавно летит. Именно сочетание таких качеств и легкость сборки сделало эту конструкцию такой популярной. Скорость меньше, чем у второй модели, но больше, чем у третьей. На больших скоростях уже начинает мешать широкий хвост, до этого прекрасно стабилизирующий модель.

Модель №2.
Модель с наихудшими летными характеристиками. Большая стреловидность и короткие крылья призваны лучше работать на высоких скоростях, что и происходит, но подъемная сила растет недостаточно и самолет действительно летит как копье. Кроме того, он не стабилизируется в полете должным образом.

Модель №3.
Представитель “инженерной” школы - модель задумывалась со специальными характеристиками. Крылья большого удлинения действительно работают лучше, но сопротивление растет очень быстро - самолет летает медленно и не терпит ускорений. Для компенсации недостаточной жесткости бумаги используются многочисленные складки в носке крыла, что тоже увеличивает сопротивление. Тем не менее, модель очень показательна и летает хорошо.

12. Некоторые результаты по визуализации вихрей

Если внести в поток источник дыма, то можно увидеть и сфотографировать потоки, огибающие крыло. В нашем распоряжении не было специальных генераторов дыма, мы использовали палочки благовоний. Для увеличения контраста использовался специальный фильтр для обработки фотографий. Скорость потока также уменьшалась, поскольку плотность дыма была невысока.

Формирование потока на передней кромке крыла.

Турбулентный “хвост”.

Также потоки можно исследовать с помощью коротких нитей, приклеиваемых на крыло, либо тонким щупом с ниткой на конце.

13. Связь параметров и конструктивных решений. Сравнение приведенных к прямоугольному крылу вариантов. Положение аэродинамического центра и центра тяжести и характеристик моделей.

Уже отмечалось, что бумага как материал имеет много ограничений. Для малых скоростей полета длинные узкие крылья имеют лучшее качество. Не случайно реальные планеры, особенно рекордсмены, тоже имеют такие крылья. Однако для бумажных самолетов существуют технологические ограничения и их крылья не похожи на оптимальные.
Для анализа взаимосвязи геометрии моделей и их летных характеристик необходимо привести сложную форму к прямоугольному аналогу методом переноса площадей. Лучше всего с этим справляются компьютерные программы, позволяющие представить разные модели в универсальном виде. После преобразований описание сведется к базовым параметрам - размах, длина хорды, аэродинамический центр.

Взаимная связь этих величин и центра масс позволит зафиксировать характерные значения для различных типов поведения. Эти расчеты выходят за рамки данной работы, но могут быть легко проделаны. Однако можно принять, что центр тяжести для бумажного самолета с прямоугольными крыльями находится на расстоянии один к четырем от носа к хвосту, для самолета с крыльями “дельта” - на одной второй (так называемая нейтральная точка).

14. Энергетически эффективное планирование. Стабилизация полета.
Тактика мирового рекорда для времени продолжительности полета.

Исходя из кривых для подъемной силы и силы сопротивления, можно найти энергетически выгодный режим полета с наименьшими потерями. Это безусловно важно для дальних лайнеров, но и в бумажной авиации может пригодиться. Немного модернизируя самолетик (отгиб кромок, перераспределение веса) можно добиться лучших характеристик полета или наоборот, перевести полет в критический режим.
Вообще говоря, бумажные самолеты не меняют характеристики во время полета, потому они могут обойтись без специальных стабилизаторов. Хвост, создающий сопротивление позволяет сместит центр тяжести вперед. Прямолинейность полета сохраняется за счет вертикальной плоскости сгиба и за счет поперечного V крыльев.
Стабильность означает, что самолет, будучи отклоненным, стремится возвратиться в нейтральное положение. Смысл стабильности угла планирования в том, что самолет будет поддерживать одинаковую скорость. Чем стабильнее самолет, тем больше скорость, как у модели №2. Но, эту тенденцию необходимо ограничить - подъемная сила должна использоваться, поэтому лучшие бумажные самолеты, в большинстве, обладают нейтральной стабильностью, это лучшее сочетание качеств.
Однако не всегда установившиеся режимы - лучшие. Рекорд мира по продолжительности полета установлен с помощью очень специфической тактики. Во-первых, старт самолетика выполняется по вертикальной прямой, его просто забрасывают на максимальную высоту. Во-вторых, после стабилизации в верхней точке за счет взаимного расположения центра тяжести и эффективной площади крыла, самолетик должен сам перейти в нормальный полет. В-третьих, развесовка самолетика не нормальная - у него недогружена передняя часть, поэтому за счет большого сопротивления, которое не компенсирует вес, он очень быстро замедляется. При этом резко падает подъемная сила крыла, он клюет носом вниз и, падая, разгоняется рывком, но опять замедляется и зависает. Такие колебания (кабрирование) сглаживаются за счет инерции в точках замирания и в итоге общее время нахождения в воздухе больше нормального равномерного планирования.

15. Немного о синтезе конструкции с заданными характеристиками.

Предполагается, что определив главные параметры бумажного самолета, их взаимосвязь и тем самым завершив стадию анализа, можно перейти к задаче синтеза - на основе необходимых требований создать новую конструкцию. Эмпирически, любители во всем мире так и поступают, количество конструкций перевалило за 1000. Но окончательного численного выражения для такой работы не существует, как и не существует каких-то особых препятствий для совершения подобных исследований.

16. Практические аналогии. Белка-летяга. Винг-сьют.

Понятно, что бумажный самолетик - это в первую очередь просто источник радости и прекрасная иллюстрация для первого шага в небо. Сходный принцип парения на практике используют только белки-летяги, не имеющие большого народно-хозяйственного значения, по крайней мере, в нашей полосе.

Более практичным подобием бумажному самолету является “Wing suite” - костюм-крыло для парашютистов, позволяющий осуществлять горизонтальный полет. Кстати, аэродинамическое качество такого костюма меньше, чем у бумажного самолета - не больше 3-х.

17. Возврат к mind map. Уровень проработки. Образовавшиеся вопросы и варианты дальнейшего развития исследований.

С учетом проведенной работы мы можем нанести на mind map раскраску, индицирующую выполнение поставленных задач. Зелёным цветом здесь обозначены пункты, которые находятся на удовлетворительном уровне, светло-зеленым - вопросы, которые имеют некоторые ограничения, желтым - области затронутые, но не разработанные в должной мере, красным - перспективные, нуждающиеся в дополнительном исследовании.

18. Заключение.

В результате работы была изучена теоретическая база полета бумажных самолетов, спланированы и осуществлены эксперименты, позволившие определить численные параметры для разных конструкций и общие взаимосвязи между ними. Затронуты и сложные механизмы полета, с точки зрения современной аэродинамики.
Описаны основные параметры, влияющие на полет, даны комплексные рекомендации.
В общей части произведена попытка систематизации области знаний на основе mind map, намечены основные направления для дальнейших исследований.

19. Список литературы.

1. Paper plane aerodynamics [Электронный ресурс] / Ken Blackburn - режим доступа: http://www.paperplane.org/paero.htm , свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.

2. К Шютт. Введение в физику полета. Перевод Г.А. Вольперта с пятого немецкого издания. - М.: Объединенное научно-техническое издательство НКТП СССР. Редакция технико-теоретической литературы, 1938. - 208 с.

3. Стахурский А. Для умелых рук: Настольная аэродинамическая труба. Центральная станция юных техников имени Н.М. Шверника - М.: Министерство культуры СССР. Главное управление полиграфической промышленности, 13-я типография, 1956. - 8 с.

4. Мерзликин В. Радиоуправляемые модели планеров. - М,: Издательство ДОСААФ СССР, 1982. - 160 с.

5. А.Л. Стасенко. Физика полета. - М,: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1988, - 144 с.