ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ АЭРОДИНАМИКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УЧЕБНЫХ МОДЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 001.891.5

Батанина Е.В., к.биол.н.

доцент

кафедра «Экологии и естествознания» ФГБОУ ВО «Красноярский государственный

аграрный университет» Шатыгина Н.А. учитель физики МБОУ «Средняя школа № 94» Россия, г. Красноярск ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ АЭРОДИНАМИКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ

УЧЕБНЫХ МОДЕЛЕЙ

Аннотация:

Актуальность исследования заключается в том, что, изучая применение на практике фундаментального закона сохранения энергии и его проявление - законы аэродинамики, мы не только познаём основы физической теории, но и выстраиваем перспективу на применение полученных результатов для конструирования, моделирования летательных аппаратов, транспортных средств, а так же работы по их усовершенствованию.

Ключевые слова: аэродинамика, циркуляция воздушных потоков, модель крыла

Batanina E. V., сand.biol.sciences' associate Professor of ecology and natural Sciences Of the "Krasnoyarsk state agrarian University»

Russia, Krasnoyarsk Shatygina N.A. teacher of physics "Secondary school № 94» Russia, Krasnoyarsk THE STUDY OF THE LAWS OF AERODYNAMICS TO CREATE EDUCATIONAL MODELS

Annotation:

The relevance of the study is that by studying the application in practice of the fundamental law of energy conservation and its manifestation - the laws of aerodynamics, we not only learn the basics of physical theory, but also build a perspective on the application of the results for the design, simulation of aircraft, vehicles, as well as work on their improvement.

Keyword: aerodynamics, air flow circulation, wing model

Мы ежедневно сталкиваемся с законами аэродинамики, хотя, зачастую, этого не замечаем. В автомобиле, на тренировке, дома, на улице, особенно в ветреную погоду, на нас действуют потоки воздуха, а в водоеме,

бассейне или в ванной - потоки воды. Основной целю работы являлось создать модели труб разного сечения и модель крыла для изучения законов прикладной аэродинамики в авиации. Наряду с этим в период ознакомления с теоретическими положениями и литературой по аэродинамике возникло желание пополнить банк средств наглядности кабинета физики для изучения закона сохранения энергии и как частного случая закона Бернулли.

Уравнение российского академика Даниила Бернулли, опубликованное им в 1738 году в работе «Гидродинамика», является следствием закона сохранения энергии и гласит, что внутреннее давление жидкости или газа уменьшается с увеличением скорости (1). Если скорость обтекания воздухом верхней кромки крыла больше, чем нижней, то давление воздуха на нижнюю кромку больше, чем на верхнюю. В тех местах, где скорость больше, давление понижено, и наоборот. Подъемная сила планеров, самолетов, вертолётов создается благодаря аэродинамическому принципу (2).

Во многих явлениях аэродинамики существенную роль играют силы сухого вязкого трения, сопротивления. Они приводят к возникновению циркулирующих потоков воздуха вокруг крыла самолета или вокруг вращающегося тела, к появлению силы сопротивления среды и т. д. Уравнение Бернулли не учитывает сил трения. Его вывод основан на законе сохранения механической энергии при течении жидкости или газа. Поэтому с помощью уравнения Бернулли нельзя дать исчерпывающего объяснения явлений, в которых проявляются силы трения. В этих случаях можно руководствоваться только качественными соображениями - чем больше скорость, тем меньше давление в потоке газа. Особенно заметно проявляются силы вязкого трения при течении жидкостей. У некоторых жидкостей вязкость настолько велика, что применение уравнение Бернулли может привести к качественно неверным результатам. Например, при истечении вязкой жидкости через отверстие в стенке сосуда ее скорость может быть в десятки раз меньше рассчитанной по формуле Торричелли (3).

Циркуляция воздуха, обусловленная силами вязкого трения, возникает и вокруг вращающегося тела (например, цилиндра). При вращении цилиндр увлекает прилегающие слои воздуха, вызывая его циркуляцию. Если такой цилиндр установить в набегающем потоке воздуха, то возникнет сила бокового давления, аналогичная подъемной силе крыла самолета. Это явление называется эффектом Магнуса (4).

Роль изучаемого эффекта неоспорима и в самых насущных аспектах жизни людей. В статье Л. Прандтля «Успехи физических наук» 1925 года (5), где подробно описывается эффект Магнуса, приведена именно эта формула - формула Рэлея для цилиндра, находящегося в жидкости. Недавно в КБ "Полет" разработана ветряная установка, которую смело можно назвать альтернативным источником энергии (6). Так что и в решении глобальной проблемы энергетических экоресурсов явление, бесспорно, найдёт своё применение.

Принцип действия жидкостного манометра был применён в трубках 3-

х различных сечений: соотношение 9:25:49. В ходе экспериментов мы убедились, что, чем меньше площадь поперечного сечения трубы, тем больше скорость воды, а давление меньше там, где скорость движения воды больше (фото 1).

Фото 1- Сравнение площади поперечного сечения трубы

С помощью датчика силы лаборатории «Архимед» (фото 2) было установлено следующее: без включения воздуходувки вес тела каплевидной формы, закреплённого в перевёрнутом виде, равен 0,030 Ньютона (30 миллиньютонов).

Фото 2 - Исследования с помощью лаборатории «Архимед» В потоке воздуха вес перевёрнутой уменьшенной копии крыла увеличился почти вдвое, что подтверждает факт возникновения подъемной силы.

В процессе исследования удалось также обнаружить обратную зависимость давлений в верхней и нижней частях воздушного потока от скорости воздуха с помощью датчиков лаборатории «Архимед», зафиксировать её на графиках в программе «МиШ1аЬ» (фото 3-4).

Фото 3-4 - Зависимость давлений в верхней и нижней частях воздушного потока

Чтобы создать более близкий к ламинарному поток воздуха, в следующей серии опытов к гибкому шлангу присоединили широкую воронку (фото 5).

Фото 5 - Имитация ламинарного воздушного потока Собрана установка для обнаружения разности давлений на верхнюю и нижнюю поверхность крыла в потоке воздуха. Модель крыла собрана из листа жести и пластика (фото 6).

Воздушный поток, из-за отсутствия возможности использования аэродинамической трубы, получали от демонстрационной воздуходувки. Смещение индикатора - подкрашенной воды по прозрачной гибкой трубке используемой в качестве манометра - вниз под крылом и вверх над крылом, подтверждает наличие разности давлений на верхнюю плоскость крыла, что и обеспечивает возможность полета.

Фото 6 - Модель крыла

В дальнейшем запланировано изготовление модели аэродинамической трубы.

В результате работы удалось создать и исследовать модели для проверки законов сохранения энергии, аэродинамики. Перспективы проекта мы видим в том, чтобы более подробное рассмотрение законов аэродинамики, изучение моделей крыла включить в перечень тем факультативного практикума для старшеклассников. В ближайшем будущем мы планируем создать безопасный планер или параплан, рассчитав его параметры на основе законов аэродинамики, исследования провести в аэродинамической трубе.

Использованные источники:

1. Михеев, А. В. Сборник задач по дифференциальным уравнениям. СПб.: Высшая школа экономики, 2012. 68 с.

2. Белов С.В. Гордиенко А.В., Проскурин В.Д. Аэродинамика и динамика полета. Оренбург: Оренбургский государственный университет, 2014. 110 с.

3. Саранин В.А. Равновесие жидкостей и его устойчивость. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 143 с.

4. Хайкин С.Э. Физические основы механики. М.: Лань, 2008. 768 с.

5. https://ufn.ru/ru/authors/10049/prandtl-l/

6. https://scienceforum.ru/2012/article/2012002201