Cлайд 1
Проект по физике на тему: Выполнил: Попов Руслан, ученик 10 «А» класса НОУ «Средняя общеобразовательная школа№38 ОАО «РЖД» Учитель: Валовень С. А. г. Мичуринск, 2008гCлайд 2
Cлайд 3
Cлайд 4
Подъёмная сила крыла (обозначим её F) возникает благодаря тому, что поперечное сечение крыла представляет собой чаще всего несимметричный профиль с более выпуклой верхней частью. Крыло самолёта или планера, перемещаясь, рассекает воздух. Одна часть струек встречного потока воздуха пойдёт под крылом, другая – над ним. F меню далее выход
Cлайд 5
У крыла верхняя часть более выпуклая, чем нижняя, следовательно, верхним струйкам придётся пройти больший путь, чем нижним. Однако количество воздуха, набегающего на крыло и стекающего с него, одинаково. Значит, верхние струйки, чтобы не отставать от нижних, должны двигаться быстрей. Давление под крылом больше, чем над крылом. Эта разность давлений и создаёт аэродинамическую силу R, одной из составляющих которой является подъёмная сила F. меню далее выход
Cлайд 6
Подъёмная сила крыла тем больше, чем больше угол атаки, кривизна профиля, площадь крыла, плотность воздуха и скорость полёта, причём от скорости подъёмная сила зависит в квадрате. Угол атаки должен быть меньше критического значения, при повышении которого подъёмная сила падает. меню далее выход α
Cлайд 7
Развивая подъёмную силу, крыло всегда испытывает и лобовое сопротивление X направленное против движения и, значит, тормозит его. Подъёмная сила перпендикулярна набегающему потоку. Сила R называется полной аэродинамической силой крыла. Точку приложения аэродинамической силы называют центром давления крыла (ЦД). меню далее выход
Cлайд 8
F = CF 2/2 S – формула для расчёта подъёмной силы, где: F - подъёмная сила крыла, СF – коэффициент подъёмной силы, S – площадь крыла. R = CR 2/2 S – формула для расчёта аэродинамической силы, где: CR – коэффициент аэродинамической силы. S – площадь крыла. меню выход
Cлайд 9
Подъёмная сила летательного аппарата, уравновешивая его вес, даёт возможность осуществлять полёт, лобовое же сопротивление тормозит его движение. Лобовое сопротивление преодолевается силой тяги, развиваемой силовой установкой. Силовая установка самолёту нужна для развития подъёмной силы и для перемещения в пространстве. Чем больше скорость, тем больше подъёмная сила. На современных самолётах крылья делают стреловидной конструкции для того, чтобы крыло не разрушалось в полёте от лобового сопротивления. меню далее выход
Cлайд 10
Конструкция авиационных двигателей со временем изменялась. Существуют три основных типа авиационных двигателей: 1. поршневой, 2. турбовинтовой, 3. реактивный. Все эти двигатели различаются по скоростным и тяговым показателям. Реактивный двигатель более совершенен. Современные боевые самолёты с таким типом двигателей превосходят скорость звука в несколько раз. меню далее выход
Cлайд 11
(1847 -1921) Великий русский учёный, основоположник современной гидро- и аэромеханики, «отец русской авиации». Жуковский родился в семье инженера путей сообщения. В 1858 поступил в 4-ю московскую мужскую классическую гимназию и в 1864 окончил её. В этом же году поступил в Московский университет на физико-математический факультет, который окончил в 1868 году по специальности «прикладная математика». В 1882 году Жуковскому была присуждена ученая степень доктора прикладной математики. меню далее выход
Cлайд 12
С начала 20 века основное внимание Жуковского было направленно на разработку вопросов аэродинамики и авиации. В 1904 году под его руководством в посёлке Кучине, под Москвой, был построен первый в Европе аэродинамический институт. Огромную работу провёл Жуковский по подготовке авиационных кадров - конструкторов самолётов и пилотов. Одним из наиболее ярких очагов зарождавшейся отечественной авиационной науки стал кружок воздухоплавания, организованный Н.Е. Жуковским при Московском техническом училище. Именно здесь начинали свой творческий путь ставшие всемирно известными авиационные конструкторы и учёные: А.С. Туполев, В.П. Ветчинскин, Б.Н.Юрьев, Б.С.Стечкин, А.А. Архангельский и многие другие. меню далее выход
Cлайд 13
В 1904 году в Кучинской лаборатории Жуковский сделал замечательное открытие, послужившее основой всего дальнейшего развития современной аэродинамики и её приложение к теории авиации. Жуковский не работал, только когда спал. За свою жизнь он ни разу не летал на самолёте. В связи с первыми успехами авиации перед учёным возникла задача - выяснить источник происхождения подъёмной силы, возможности её увеличения, найти математический метод ее расчёта. 15 ноября 1905 года Жуковский дал формулу для определения подъёмной силы, являющейся основой всех аэродинамических расчётов самолета. меню далее выход
1. Ермаков А. М. «Простейшие авиамодели», 1989 2. Конспекты Кирсановского авиационного технического училища гражданской авиации, 1988 3. БСЭ под ред. Введенского Б. А., т.16 4. Интернет-ресурсы: http://media.aplus.by/page/42/ http://sfw.org.ua/index.php?cstart=502& http://www.atrava.ru/08d36bff22e97282f9199fb5069b7547/news/22/news-17903 http://www.airwar.ru/other/article/engines.html http://arier.narod.ru/avicos/l-korolev.htm http://kto-kto.narod.ru/bl-bl-3/katanie.html http://www.library.cpilot.info/memo/beregovoy_gt/index.htm http://vivovoco.ibmh.msk.su/VV/PAPERS/HISTORY/SIMBIRSK/SIMBIRSK.HTM выход меню
* Крыло самолета предназначено для создания подъемной силы, необходимой для поддержки самолета в воздухе. Аэродинамическое качество крыла тем больше, чем больше подъемная сила и меньше лобовое сопротивление. Подъемная сила и лобовое сопротивление крыла зависят от геометрических характеристик крыла. Геометрические характеристики крыла сводятся к характеристикам крыла в плане и характеристикам
Крылья современных самолетов по форме в плане эллипсовидные (а), прямоугольные (б), трапециевидные (в), стреловидные (г) треугольные (д)
Угол поперечного V крыла Геометрические характеристики крыла Форма крыла в плане характеризуется размахом, площадью удлинением, сужением, стреловидностью и поперечным V Размахом крыла L называется расстояние между концами крыла по прямой линии. Площадь крыла в плане Sкр ограничена контурами крыла.
Площадь трапециевидного и стреловидного крыльев вычисляет как площади двух трапеций где b 0 - корневая хорда, м; bк- концевая хорда, м; - средняя хорда крыла, м Удлинением крыла называется отношение размаха крыла к средней хорде Если вместо bср подставить его значение из равенства (2. 1), то удлинение крыла будет определяться по формуле Для современных сверхзвуковых и околозвуковых самолетов удлинение крыла не превышает 2 - 5. Для самолетов малых скоростей величина удлинения может достигать 12 -15, а для планеров до 25.
Сужением крыла называется отношение осевой хорды к концевой хорде Для дозвуковых самолетов сужение крыла обычно не превышает 3, а для околозвуковых и сверхзвуковых оно может изменяться в широких пределах. Углом стреловидности называется угол между линией передней кромки крыла и поперечной осью самолета. Стреловидность также может быть замерена по линии фокусов (проходящей на расстоянии 1/4 хорды от ребра атаки) или по другой линии крыла. Для околозвуковых самолетов она достигает 45°, а для сверхзвуковых - до 60°. Углом поперечного V крыла называется угол между поперечной осью самолета и нижней поверхностью крыла. У современных самолетов угол поперечного V колеблется от +5° до -15°. Профилем крыла называется форма его поперечного сечения. Профили могут быть симметричными и несимметричными. Несимметричные в свою очередь могут быть двояковыпуклыми, плосковыпуклыми, вогнутовыпуклыми и. S-образными. Чечевицеобразные и клиновидные могут применяться для сверхзвуковых самолетов. Основными характеристиками профиля являются: хорда профиля, относительная толщина, относительная кривизна
Хордой профиля b называется отрезок прямой, соединяющий две наиболее удаленные точки профиля Формы профилей крыла 1 - симметричный; 2 - не симметричный; 3 - плосковыпуклый; 4 - двояковыпуклый; 5 - S-образный; 6 -ламинизированный; 7 - чечевицеобразный; 8 - ромбовидный; 9 видный
Геометрические характеристики профиля: b - хорда профиля; Смакс - наибольшая толщина; fмакс - стрела кривизны; хскоордината наибольшей толщины Углы атаки крыла
Полная аэродинамическая сила и точка ее приложения R - полная аэродинамическая сила; Y - подъемная сила; Q - сила лобового сопротивления; - угол атаки; q - угол качества Относительной толщиной профиля с называется отношение максимальной толщины Смакc к хорде, выраженное в процентах:
Относительной толщиной профиля с называется отношение максимальной толщины Смакc к хорде, выраженное в процентах: Положение максимальной толщины профиля Хc выражается в процентах от длины хорды и отсчитывается от носка У современных самолетов относительная толщина профиля находится в пределах 416%. Относительной кривизной профиля f называется отношение максимальной кривизны f к хорде, выраженное в процентах. Максимальное расстояние от средней линии профиля до хорды определяет кривизну профиля. Средняя линия профиля проводится на равном расстоянии от верхнего и нижнего обводов профиля. У симметричных профилей относительная кривизна равна нулю, для несимметричных же эта величина отлична от нуля и не превышает 4%.
СРЕДНЯЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ХОРДА КРЫЛА Средней аэродинамической хордой крыла (САХ) называется хорда такого прямоугольного крыла, которое имеет одинаковые с данным крылом площадь, величину полной аэродинамической силы и положение центра давления (ЦД) при равных углах атаки
Для трапециевидного незакрученного крыла САХ определяется путем геометрического построения. Для этого крыло самолета вычерчивается в плане (и в определенном масштабе). На продолжении корневой хорды откладывается отрезок, равный по величине концевой хорде, а на продолжении концевой хорды (вперед) откладывается отрезок, равный корневой хорде. Концы отрезков соединяют прямой линией. Затем проводят среднюю линию крыла, соединяя прямой середины корневой и концевой хорд. Через точку пересечения этих двух линий и пройдет средняя аэродинамическая хорда (САХ)
Зная величину и положение САХ на самолете и приняв ее как базовую линию, определяют относительно нее положение центра тяжести самолета, центра давления крыла и т. д. Аэродинамическая сила самолета создается крылом и приложена в центре давления. Центр давления и центр тяжести, как правило, не совпадают и поэтому образуется момент сил. Величина этого момента зависит от величины силы и расстояния между ЦТ и центром давления, положение которых определяется как расстояние от начала САХ, выраженное в линейных величинах или в процентах длины САХ.
ЛОБОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КРЫЛА Лобовое сопротивление - это сопротивление движению крыла самолета в воздухе. Оно складывается из профильного, индуктивного и волнового сопротивлений: Хкр=Хпр+Хинд+ХВ. Волновое сопротивление рассматриваться не будет, так как возникает на скоростях полета свыше 450 км/ч. Профильное сопротивление слагается из сопротивления давления и трения: Хпр=ХД+Хтр. Сопротивление давления - это разность давлений перед и за крылом. Чем больше эта разность, тем больше сопротивление давления. Разность давлений зависит от формы профиля, его относительной толщины и кривизны, на рисунке обозначено Сх - коэффициент профильного сопротивления).
Чем больше относительная толщина с профиля, тем больше повышается давление перед крылом и больше уменьшается за крылом, на его задней кромке. В результате увеличивается разность давлений и, как следствие, увеличивается сопротивление давления. При обтекании профиля крыла воздушным потоком на углах атаки, близких к критическому, сопротивление давления значительно возрастает. При этом размеры завихренной спутной струи и самих вихрей резко увеличиваются Сопротивление трения возникает вследствие проявления вязкости воздуха в пограничном слое обтекающего профиля крыла. Величина сил трения зависит от структуры пограничного слоя и состояния обтекаемой поверхности крыла (его шероховатости). В ламинарном пограничном слое воздуха сопротивление трения меньше, чем в турбулентном пограничном слое. Следовательно, чем большую часть поверхности крыла обтекает ламинарный пограничный слой воздушного потока, тем меньше сопротивление трения. На величину сопротивления трения влияют: скорость самолета; шероховатость поверхности; форма крыла. Чем больше скорость полета, с худшим качеством обработана поверхность крыла и толще профиль крыла, тем больше сопротивление трения.
Индуктивное сопротивление - это прирост лобового сопротивления, связанный с образованием подъемной силы крыла При обтекании крыла невозмущенным воздушным потоком возникает разность давлений над крылом и под ним В результате часть воздуха на концах крыльев перетекает из зоны большего давления в зону меньшего давления
Угол, на который отклоняется поток воздуха, обтекающий крыло со скоростью V, наведенной вертикальной скоростью U, называется углом скоса потока. Величина его зависит от значения вертикальной скорости, индуктированной вихревым жгутом, и скорости набегающего потока V
Поэтому благодаря скосу потока истинный угол атаки ист крыла в каждом его сечении будет отличаться от геометрического или кажущегося угла атаки каж на величину Как известно, подъемная сила крыла ^ Y всегда перпендикулярна набегающему потоку, его направлению. Поэтому вектор подъемной силы крыла отклоняется на угол и перпендикулярен к направлению воздушного потока V. Подъемной силой будет не вся сила ^ Y" а ее составляющая Y, направленная перпендикулярно набегающему потоку
Ввиду малости величины считаем равна Другая составляющая сила Y" будет Эта составляющая направлена по потоку и называется индуктивным сопротивлением (Рис. представлен выше). Чтобы найти величину индуктивного сопротивления, необходимо вычислить скорость ^ U и угол скоса потока. Зависимость угла скоса потока от удлинения крыла, коэффициента подъемной силы Су и формы крыла в плане выражается формулой где А - коэффициент, учитывающий форму крыла в плане. Для крыльев самолетов коэффициент А равен где эф - удлинение крыла без учета площади фюзеляжа, занимающей часть крыла; - величина, зависящая от формы крыла в плане.
где Cxi -коэффициент индуктивного сопротивления. Он определяется по формуле Из формулы видно, что Сх прямо пропорционален коэффициенту подъемной силы и обратно пропорционален удлинению крыла. При угле атаки нулевой подъемной силы о индуктивное сопротивление будет равно нулю. На закритических углах атаки нарушается плавное обтекание профиля крыла и, следовательно, формула определения Cx 1 не приемлема для определения его величины. Так как величина Сх обратно пропорциональна удлинению крыла, поэтому самолеты, предназначенные для полетов на большие расстояния, имеют большое удлинение крыла: =14… 15.
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО КРЫЛА Аэродинамическим качеством крыла называется отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления крыла на данном угле атаки где Y - подъемная сила, кг; Q - сила лобового сопротивления, кг. Подставив в формулу значения Y и Q, получим Чем больше аэродинамическое качество крыла, тем оно совершеннее. Величина качества для современных самолетов может достигать 14 -15, а для планеров 45 -50. Это означает, что крыло самолета может создавать подъемную силу, превышающую лобовое сопротивление в 14 -15 раз, а у планеров даже в 50 раз.
Аэродинамическое качество характеризуется углом Угол между векторами подъемной и полной аэродинамической сил называется углом качества. Чем больше аэродинамическое качество, тем меньше угол качества, и наоборот. Аэродинамическое качество крыла, как видно из формулы зависит от тех же факторов, что и коэффициенты Су и Сх, т. е. от угла атаки, формы профиля, формы крыла в плане, числа М полета и от обработки поверхности. ВЛИЯНИЕ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО УГЛА АТАКИ С увеличением угла атаки до определенной величины аэродинамическое качество возрастает. При некотором угле атаки качество достигает максимальной величины Кмакс. Этот угол называется наивыгоднейшим углом атаки, наив На угле атаки нулевой подъемной силы о где Су=0 аэродинамическое качество будет. равно нулю. Влияние на аэродинамическое качество формы профиля связано с относительными толщиной и кривизной профиля. При этом большое влияние оказывают форма обводов профиля, форма носка и положение максимальной толщины профиля вдоль хорды Для получения больших значений Кмакс выбираются оптимальные толщина и кривизна профиля, формы обводов и удлинение крыла. Для получения наибольших значений качества наилучшей формой крыла является эллипсовидная с закругленной передней кромкой.
График зависимости аэродинамического качества от угла атаки Образование подсасывающей силы Зависимость аэродинамического качества от угла атаки и толщины профиля Изменение аэродинамического качества крыла в зависимости от числа М
ПОЛЯРА КРЫЛА Для различных расчетов летных характеристик крыла особенно важно знать одновременное изменение Су и Сх в диапазоне летных углов атаки. Для этой цели строится график зависимости коэффициента Су от Сх, называемый полярой. Название «поляра» объясняется тем, что эту кривую можно рассматривать как полярную диаграмму, построенную на координатах коэффициента полной аэродинамической силы СR и, где - угол наклона полной аэродинамической силы R к направлению скорости набегающего потока (при условии, если масштабы Су и Сх взять одинаковыми). Принцип построения поляры крыла Поляра крыла Если из начала координат, совмещенного с центром давления профиля, провести вектор к любой точке на поляре, то он будет представлять собой диагональ прямоугольника, стороны которого соответственно равны Сy и Сх. лобового сопротивления и коэффициента подъемной силы от углов атаки - так называемая поляра крыла.
Поляра строится для вполне определенного крыла с заданными геометрическими размерами и формой профиля. По поляре крыла можно определить ряд характерных углов атаки. Угол нулевой подъемной силы о находится на пересечении поляры с осью Сх. При этом угле атаки коэффициент подъемной силы равен нулю (Сy = 0). Для крыльев современных самолетов обычно о = Угол атаки, на котором Сх имеет наименьшую величину Cх. мин. находится проведением касательной к поляре, параллельной оси Сy. Для современных крыльевых профилей этот угол заключен в диапазоне от 0 до 1°. Наивыгоднейший угол атаки наив. Так как на наивыгоднейшем угле атаки аэродинамическое качество крыла максимальное, то угол между осью Сy и касательной, проведенной из начала координат, т. е. угол качества, на этом угле атаки, согласно формуле (2. 19), будет минимальным. Поэтому для определения наив нужно провести из начала координат касательную к поляре. Точка касания будет соответствовать наив. Для современных крыльев наив лежит в пределах 4 - 6°.
Критический угол атаки крит. Для определения критического угла атаки необходимо провести касательную к поляре, параллельную оси Сх. Точка касания и будет соответствовать крит. Для крыльев современных самолетов крит = 16 -30°. Углы атаки с одинаковым аэродинамическим качеством находятся проведением из начала координат секущей к поляре. В точках пересечения найдем углы атаки (и) при полете, на которых аэродинамическое качество будет одинаково и обязательно меньше Кмакс.
ПОЛЯРА САМОЛЕТА Одной из основных аэродинамических характеристик самолета является поляра самолета. Коэффициент подъемной силы крыла Сy равен коэффициенту подъемной силы всего самолета, а коэффициент лобового сопротивления самолета для каждого угла атаки больше Сх крыла на величину Сх вр Поляру самолета можно получить путем прибавления величины Сх вр к Сх крыла на поляре крыла для соответствующих углов атаки. Поляра самолета будет при этом сдвинута вправо от поляры крыла на величину Сх вр. Поляру самолета строят, используя данные зависимостей Сy=f() и Сх=f(), полученных экспериментально путем продувок моделей в аэродинамических трубах. Углы атаки на поляре самолета проставляются путем переноса по горизонтали углов атаки, размеченных на поляре крыла. Определение аэродинамических характеристик и характерных углов атаки по поляре самолета производится так же, как это делалось на поляре крыла.
Угол атаки нулевой подъемной силы самолета практически не отличается от угла атаки нулевой подъемной силы крыла. Так как на угле подъемная сила равна нулю, то на этом угле атаки возможно только вертикальное движение самолета вниз, называемое отвесным пикированием, или вертикальная горка под углом 90°.
Угол атаки, при котором коэффициент лобового сопротивления имеет минимальную величину находится проведением параллельно оси Сy касательной к поляре. При полете на этом угле атаки будут наименьшие потери на сопротивление. На этом угле атаки (или близком к нему) совершается полет с максимальной скоростью. Наивыгоднейший угол атаки (наив) соответствует наибольшему значению аэродинамического качества самолета. Графически этот угол, так же, как и для крыла, определяется путем проведения касательной к поляре из начала координат. Из графика видно, что наклон касательной к поляре самолета больше, чем касательной к поляре крыла. Вывод: максимальное качество самолета в целом всегда меньше максимального аэродинамического качества отдельно взятого крыла.
Из графика видно, что наивыгоднейший угол атаки самолета больше наивыгоднейшего угла атаки крыла на 2 - 3°. Критический угол атаки самолета (крит) по своей величине не отличается от величины этого же угла для крыла. Выпуск закрылков во взлетное положение (= 15 -25°) позволяет увеличить максимальный коэффициент подъемной силы Сумакс при сравнительно небольшом увеличении коэффициента лобового сопротивления. Это позволяет уменьшить потребную минимальную скорость полета, которая практически определяет скорость отрыва самолета при взлете. Благодаря выпуску закрылков (или щитков) во взлетное положение длина разбега сокращается до 25%.
При выпуске закрылков (или щитков) в посадочное положение (= 45 - 60°) максимальный коэффициент подъемной силы может возрасти до 80%, что резко снижает посадочную скорость и длину пробега. Однако лобовое сопротивление при этом возрастает интенсивнее, чем подъемная сила, поэтому аэродинамическое качество значительно уменьшается. Но Это обстоятельство используется как положительный эксплуатационный фактор - увеличивается крутизна траектории при планировании перед посадкой и, следовательно, самолет становится менее требователен к качеству подходов в створе посадочной полосы. Однако при достижении таких чисел М, при которых сжимаемостью уже нельзя пренебречь (М > 0, 6 - 0, 7) коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления нужно определять с учетом поправки на сжимаемость. где Сусж - коэффициент подъемной силы с учетом сжимаемости; Сунесж - коэффициент подъемной силы несжимаемого потока для того же угла атаки, что и Сусж.
До чисел M = 0, 6 -0, 7 все поляры практически совпадают, но при больших числах ^ М они начинают смещаться вправо и одновременно увеличивают наклон к оси Сх. Смещение поляр вправо (на большие Сх) обусловлено ростом коэффициента профильного сопротивления за счет влияния сжимаемости воздуха, а при дальнейшем увеличении числа (М > 0, 75 - 0, 8) за счет появления волнового сопротивления. Увеличение наклона поляр объясняется ростом коэффициента индуктивного сопротивления, так как при одном и том же угле атаки в дозвуковом потоке сжимаемого газа увеличится пропорционально Аэродинамическое качество самолета с момента заметного проявления эффекта сжимаемости начинает уменьшаться.
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.