Физика для пилотов

Работа содержит краткую классификацию типов летательных аппаратов по принципу используемой подъёмной силы. Рассмотрены летательные аппараты тяжелее воздуха и легче воздуха. По результатам изучения теоретического материала проведены экспериментальные запуски аппаратов каждого типа. Наиболее любопытными являются запуски воздушного шара и реактивной ракеты на сжатом воздухе.

Летать по небу, как птицы, было давней мечтой человечества. Из чего только не старались люди мастерить себе крылья. Пробовали перья и кожу, тонкие веточки, бумагу. Но понадобились тысячи лет, чтобы понять: само по себе наличие крыльев еще не даёт нам взлететь. Человеку не хватит сил поднять себя в воздух и, тем более, удержаться в вышине. Только к концу 19 века открытия в области естественных наук и технический прогресс позволили приблизиться к заветной цели. Не размахивать крыльями посильнее, а заставить их двигаться относительно воздуха, образуя подъемную силу.

Почему самолёты летают

В 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс доказал, что аэродинамика у выгнутой формы значительно больше, чем у плоской. А ведь птичьи крылья тоже имеют выпуклое строение. Воздух над выступающей частью как бы «теряет давление» и давит на крыло меньше, чем снизу. Разница давлений тянет птицу и самолёт вверх, словно выталкивает их. Это явление называется подъёмная сила. Когда она становится больше веса летательного аппарата, тот взмывает в вышину.

В 1904 году, рассчитав подъемную силу, выдающийся русский физик Николай Жуковский открыл воздушную науку, аэродинамику, и превратил мечту о покорении неба в реальность.

Во время полёта на крыло самолёта действуют четыре силы: сила тяги, создаваемая двигателями, сила тяжести, направленная к Земле, сила лобового сопротивления воздуха, препятствующая движению самолета, и, наконец, подъёмная сила, которая и обеспечивает набор высоты. При полёте с постоянной скоростью сумма сил должна быть равна 0: сила тяги компенсирует силу лобового сопротивления, а подъемная ― силу тяжести.

Строение крыла не просто важно, оно и делает возможным полёт воздушного средства, независимо от габаритов и веса. Вы спросите, а как же хвост? Он тоже нужен, чтобы сохранять в воздухе равновесие.

Итак, подъемная сила удерживает летательный аппарат на высоте. Для ее появления необходимо движение, то есть, скорость. Помните, как летит воздушный змей? Вам придётся хорошо разогнаться, чтобы поднять его в воздух. Но стоит остановиться, как он тут же упадет. Набирать скорость и поддерживать подъемную силу самолёту помогают двигатели.

5-3965471
Крыло Airbus A350-1000, самолёта с ультрасовременной аэродинамикой.

Предварительный просмотр

Зуев Иван, Куликов Егор

Тверская область, г. Андреаполь, Россия

Руководители: Зуева Елена Ивановна, Иванова Елена Васильевна,

учителя МОУ АСОШ №2 г Андреаполя Тверской области

Кто не мечтал подняться в небо, парить над облаками?

Икар, братья Монгольфье, братья Райт, Константин Эдуардович Циолковский сколько мечтателей было в истории изобретения различных средств, позволяющих человеку подняться в небо? Благодаря многовековому активному поиску человечество покорило и небо, и космос. Многое уже умеем, о большем продолжаем грезить.

Гипотеза исследования : подручными средствами можно создать летательные аппараты тяжелее воздуха, легче воздух и на реактивной тяге, способные подняться в воздух.

Цель работы: изучить теоретическую часть аэродинамики, аэростатики, основные принципы реактивных летательных средств и, проведя эксперименты, рассчитать основные характеристики летательных аппаратов.

  1. Изучить исторические корни вопроса;
  2. Опробовать все доступные нам летательные средства;
  3. Изучить теоретический материал по подъёмной силе в каждом случае;
  4. Выбрать 1-2 примера и проверить теорию на практике.

В работе использовались следующие методы исследований:

  1. Наблюдение
  2. Методы опроса
  3. эксперимент
  4. Теоретический анализ
  5. Теоретические методы

Шар был наполнен горячим воздухом и поднялся на высоту 2 км (впоследствии такие воздушные шары стали называть монгольфьерами). Вслед за этим 19 сентября они подняли на воздушном шаре первых воздухоплавателей: петуха, утку и барана. Убедившись, что подъем в воздух не опасен для живых существ, на воздушных шарах стали летать и люди. Первый такой полет был совершен в Париже 21 ноября 1783 года. Аэронавты, как называли тогда воздухоплавателей, Пилатр де Розье и д’Арланд поднялись на монгольфьере на высоту приблизительно 1 км и пробыли в воздухе более 20 мин. 1 декабря того же года французский физик Ж. Шарль поднялся на высоту около 3 км на шаре из прорезиненной ткани, наполненном водородом
Таким образом, 1783 год является решающим в истории воздухоплавания. Именно Пилатр де Розье и Шарль доказали практическую осуществимость полетов, и с этого времени началось широкое развитие воздухоплавания. Д. И. Менделеев известен всем как создатель периодической системы элементов. Но не только исследованиями в области химии занимался великий ученый. Он много внимания уделял также изучению атмосферы. 19 августа 1887 года Менделеев совершил выдающийся но своей смелости полет на воздушном шаре для наблюдения солнечного затмения. Интересный полет с научной целью был совершен в 1891 году П. Н. Рыбкиным, помощником изобретателя радио А. С. Попова. В этом полете на аэростате проводилось практическое испытание первого в мире радиопередатчика. Находясь на земле, А. С. Попов разговаривал со своим помощником, летевшим в это время под облаками.

Шведский исследователь Арктики Соломон Август Андре в 1897 году пытался на воздушном шаре достигнуть Северного полюса. Но неудачно — шар совершил аварийную посадку на лед, Андре и два его спутника погибли. С возрождением советского воздухоплавания началось широкое использование полетов сферических аэростатов с научной целью Первым из них был полет двух аэростатов в день солнечного затмения 8 апреля 1921 года.К 30-м годам советское воздухоплавание шагнуло далеко вперед. С каждым годом аэростаты поднимались все выше и выше. В 1925 году пилот П. Ф. Федосеенко, выполняя полет для наблюдения физических явлений в атмосфере достигает высоты 7400 м. Но на пути аэронавтов стояли три барьера: холод , недостаток кислорода и уменьшение атмосферного давления. В свое время Д. И. Менделеев предложил совершать высотные полеты в герметической кабине.

Сто лет назад, 17 декабря 1903 года, братья Райт подняли в воздух свой первый летательный аппарат «Флайер-1».

С тех пор мировая авиационная общественность отмечает этот день как день рождения авиации, как день первого полета человека.

В нашей стране этот день практически не отмечается. Разве что в каком-либо клубе кто-нибудь из старых любителей авиации прочтет лекцию о развитии авиации в нашей стране, где непременно отметит и полет Райтов. Остальная общественность либо ничего не знает о первых полетах, либо считает, что мировая авиация пошла от нашего изобретателя Можайского.

К середине девятнадцатого века человечество было прямо-таки «захвачено» авиацией. Уже виделся летающий аппарат тяжелее воздуха, уже давно мысль изобретателя крутилась вокруг воздушного змея, уже делались модели таких аппаратов, уже создавались натурные конструкции. Но они не поднимались в воздух.

Создателем первого самолета стал наш соотечественник Александр Федорович Можайский. Ему удалось в 1883 году сделать самолет и вывезти его на взлетную площадку. Взлет аппарата закончился неудачно. Оторвавшись от земли, он зацепился за забор «разбежной» тележкой, накренился и ударился крылом о землю. На ремонт самолета требовалось время и, главное, деньги, которых не было.

Немецкий учёный Герман Оберт в 1920-е годы также изложил принципы межпланетного полёта. Кроме того, он проводил стендовые испытания ракетных двигателей.

Американский учёный Роберт Годдард в 1923 году начал разрабатывать жидкостный ракетный двигатель и работающий прототип был создан к концу 1925 г. 16 марта 1926 г. он осуществил запуск первой жидкостной ракеты, в качестве топлива для которой использовались бензин и жидкий кислород.

В 1957 г. в СССР под руководством Сергея Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полётов.

Летательные аппараты — это технические устройства, предназначенные для выполнения определенных задач в воздушной среде. Летательными аппаратами принято считать все аппараты тяжелее или легче воздуха, движущиеся в атмосфере или в космическом пространстве под действием аэродинамических и аэростатических сил, сил реакции или по инерции. Характер выполняемых задач зависит от типа и назначения того или иного летательного аппарата.

Но условие для осуществления полета летательных аппаратов любого типа и назначения общее — они должны преодолевать силу земного притяжения, т. е. в процессе полета создавать подъемную силу, равную силе притяжения Земли или превышающую ее. Известны три основных принципа создания подъемной силы: аэростатический, аэродинамический и реактивный . Соответственно все летательные аппараты можно разделить на три большие группы.

Аэроста́т (упрощённо и не вполне точно — возду́шный шар) — летательный аппарат легче воздуха, использующий для полёта подъёмную силу заключённого в оболочке газа (или нагретого воздуха) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха (согласно закону Архимеда).

Стратостаты — это аэростаты, предназначенные для полетов на большие высоты, в стратосферу. Они отличаются от обычных аэростатов наличием герметической кабины. Управляемые аэростаты, оборудованные двигателями, называются дирижаблями.

Недостатки этих аппаратов — плохая маневренность и малая скорость полета.

Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем больше действующая на него подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 0 С до 100 0 С его плотность уменьшается только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема.

Шар поднимается, когда

F Архимеда > F тяжести

F Архимеда = ρ газа ∙ g ∙ V

F под = F Архимеда — (F тяж. шара + F тяж. груза + F тяж. газа )

Высота полёта шара не изменяется, когда

F Архимеда = F тяжести

Шар снижается, когда

F Архимеда тяжести

Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше.

Чтобы подняться выше, сбрасывают балласт. Для того чтобы опуститься на землю, силу Архимеда надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхней части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа. После этого шар начнет опускаться вниз.

Задача. Воздушный шар объемом 120л. С массой оболочки 30г имеет внизу отверстие, через которое воздух в шаре нагревается горелкой. До какой минимальной температуры нужно нагреть воздух в шаре, чтобы шар взлетел вместе с грузом массой 20г? Температура окружающего воздуха – 20 о С, его плотность 1,395 .

V=120л = 0,12м 3 ( объем воздуха в шаре) Шар поднимет груз при условии:

М=30г = 0,03кг ( масса оболочки) (M + m)g + m ш g = ρ Vg.

m= 20г = 0,02кг ( масса груза) Сокращая на g, имеем:

m a = ( масса воздуха вне шара) M + m + m ш = ρ V

ρ= 1,395 . (плотность воздуха в шаре) = m a — m ш.

m ш – (масса воздуха в шаре) При нагревании воздуха в шаре его давление p и

Найти: t объем V не меняются. Следовательно, согласно

уравнению Менделеева – Клапейрона,

pV = RT ш = RT а, где – средняя молярная масса воздуха, T ш и T а – его температура внутри и вне шара.

Отсюда: m ш = m a = ρ V

m a — m ш = ρ V(1 — ); M + m = ρ V(1 — );

Следовательно, (1 — ) = = 0,299

У летательных аппаратов второй, наиболее многочисленной группы, подъемная сила образуется по аэродинамическому принципу , при их перемещении относительно воздуха. Это летательные аппараты тяжелее воздуха.

Прежде всего, к ним относятся самолеты различного типа и назначения. Подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки. При этом сила тяги, создаваемая двигательной установкой, позволяет самолету преодолевать сопротивление воздуха.

Планеры , в отличии от самолета, не имеют двигательной установки, но подъемная сила, так же как и у самолета, создается крылом при перемещении планера.

Планёр — безмоторный (исключение — класс мотопланеров) летательный аппарат тяжелее воздуха, поддерживаемый в полёте за счёт аэродинамической подъёмной силы, создаваемой на крыле набегающим потоком воздуха. Максимальная дистанция, пройденная на планёре — 3009 км.

У автожиров подъемную силу создает специальный винт, который вращается от набегающего потока воздуха, поступательное движение осуществляется благодаря двигательной установке.

Как и вертолёты, автожиры обладают несущим винтом для создания подъёмной силы, однако винт автожира вращается под действием аэродинамических сил в режиме авторотации. Винт автожира в полёте наклонён назад, против потока (вертолёты наоборот, наклоняют винт в сторону движения). Кроме того, автожир обычно обладает ещё и тянущим/толкающим винтом (пропеллером), как и у обычного самолёта времён поршневой авиации. Этот маршевый винт и сообщает автожиру горизонтальную скорость.

Автожиры изобрёл испанский инженер Хуан де ла Сиерва в 1919 году, его первый автожир совершил свой первый полёт 9 января 1923 года.

Вертолёт (устаревшее гелико́птер ) — винтокрылый летательный аппарат, у которого подъёмная силы на всех этапах полёта создаются одним или несколькими несущими винтами с приводом от двигателя или нескольких двигателей.

Аналогично крылу самолёта лопасти несущего винта вертолета находятся под углом к плоскости вращения винта, который называется углом установки лопастей. Однако, в отличие от фиксированного самолетного крыла, угол установки лопастей вертолета может меняться в широких пределах (до 30°).

Лопасти вертолета как правило во всех режимах полета вращаются с фиксированной частотой, увеличение или уменьшение мощности несущего винта зависит от шага винта.

Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше — сопротивление будет небольшим, но и подъёмная сила маленькой. Если развернуться круче к потоку — сопротивление окажется так велико, что крыло превратится скорее в парус. Отношение величины подъёмной силы к величине силы сопротивления называется аэродинамическим качеством. Это один из самых важных критериев, относящихся к летательному аппарату. Оно и понятно, ведь чем выше аэродинамическое качество, тем меньше энергии тратит летательный аппарат на преодоление сопротивления воздуха.

Вернёмся к крылу. Наблюдательные люди очень давно заметили, что у птиц крылья не плоские. Всё в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе собственной конструкции и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Нашлось и довольно простое объяснение этому факту.

Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя — выпуклая. Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу, не так ли? Но физикам известно, что с увеличением скорости давление в потоке газа падает (закон Бернули). Смотрите, что получается: давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним! Разница давлений направлена вверх, вот вам и подъёмная сила. А если добавить угол атаки, то подъёмная сила ещё увеличится.

Одним из первых вогнутые крылья сделал талантливый немецкий инженер Отто Лилиенталь. Он построил 12 моделей планеров и совершил на них около тысячи полётов. 10 августа 1896 года во время полёта в Берлине его планер перевернуло внезапным порывом ветра и отважный пилот-исследователь погиб. Теоретическое обоснование парения птиц, продолженное нашим великим соотечественником Николаем Егоровичем Жуковским, определило всё дальнейшее развитие авиации.

К летательным аппаратам, подъемная сила которых создается по реактивному ракетному принципу относятся ракеты и космические корабли различного типа и назначения, реактивные снаряды. Реактивный двигатель — двигатель создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования потенциальной энергии топлива в кинетической энергии реактивной струи рабочего тела.

Ракета и выбрасываемые ее двигателем газы взаимодействуют между собой. На основании закона сохранения импульса при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остается постоянной. До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю; следовательно, и после включения двигателей сумма векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:

где — масса ракеты;

— масса выброшенных газов;

— скорость истечения газов.
Отсюда получаем

а для модуля скорости ракеты имеем

Эта формула применима для вычисления модуля скорости ракеты при условии небольшого изменения массы ракеты в результате работы ее двигателей.

Реактивный двигатель обладает многими замечательными особенностями, но главная из них заключается в следующем. Автомобилю для движения, кроме двигателя, нужна еще и дорога, с которой могли бы взаимодействовать колеса, теплоходу — вода, а самолету — воздух. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться в безвоздушном космическом пространстве.

Простейшая модель реактивной ракеты может быть изготовлена из пластиковой бутылки. Автомобильным насосом нагнетается воздух и ракета взлетает. Увеличить подъёмную силу можно добавлением воды и небольшим сужением выходного отверстия. Вода увеличивает массу топлива, выходное отверстие изменяет скорость истечения газов (смеси воздух-вода).

На данный момент создано множество различных летательных аппаратов: самолеты, воздушные шары, планеры, аэропланы и др. Но условие для осуществления полета любых летательных аппаратов общее — они должны преодолевать силу земного притяжения, т.е. в процессе полета создавать подъемную силу, превышающую силу притяжения Земли.

Всего существует 3 основных принципа создания подъёмной силы: реактивный, аэростатический и аэродинамический. Последний принцип является самым распространённым. Он характерен для летательных аппаратов тяжелее воздуха, а именно для самолётов различного типа. Его суть в том, что подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки.

Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. Для этого крылу с помощью двигательной установки сообщают горизонтальную скорость, благодаря которой крыло и воздух начнут взаимодействовать с образованием подъёмной силы.

podemnaya-sila-6626813

Рис. 1 Подъемная сила

Получается, что чем больше угол атаки, тем больше и подъёмная сила, и сила сопротивления. Так каким же должен быть угол атаки, чтобы эти силы находились в эффективном балансе? Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше, то подъёмной силы будет недостаточно для совершения полёта, а если больше, то сопротивление будет настолько большим, что крыло будет выполнять роль паруса.

Также большое значение для величины подъёмной силы имеет форма крыла. Ещё очень давно люди заметили, что у птиц крылья не плоские, а в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Почему же так происходит? Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя — выпуклая. Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу. Однако, согласно закону Бернулли давление газа, протекающего по поверхности, выше там, где скорость его движения меньше, и наоборот: там, где скорость больше, давление меньше. Следовательно, давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним, что и влечет появление подъёмной силы.

podemnaya-sila-2-8973467

Рис. 2 Подъемная сила

Подъёмная сила – это сила, возникающая при перемещении несущей поверхности относительно воздуха и направленная на преодоление силы притяжения, а также зависящая от формы крыла и его угла атаки. Она является неотъемлемой частью современной авиации, так как без неё ни один авиатранспорт не сможет взлететь, не говоря о совершении авиаперелётов.

Конденсация паров — переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного. В авиации это физическое явление больше известно, как конденсационный след или эффект Прандтля-Глоерта.

kondensatsiya-5062076

Рис. 3 Конденсация

Сама конденсация происходит только при условии, что количество водяного пара превышает то количество, которое необходимо для насыщения. Эти условия определяются точкой росы – температурой, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, достигает насыщения при данной удельной влажности и постоянном давлении. Степень насыщения характеризуется относительной влажностью – процентным отношением количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к количеству, которое требуется для насыщения. Кроме этих условий, необходимо еще и наличие центров конденсации.

При температуре до −30. −40 °C водяной пар при конденсации переходит в жидкую фазу, при температуре ниже −30. −40 °C водяной пар превращается сразу в ледяные кристаллы, минуя жидкую фазу.

Существуют две основные причины возникновения условий для конденсации и появления следа. Первая — повышение влажности воздуха, когда к атмосферному водяному пару добавляется водяной пар, содержащийся в отработанных газах авиационного двигателя в результате сгорания топлива. Это повышает точку росы в ограниченном объеме воздуха, за двигателями. Если точка росы становится выше температуры окружающего воздуха, то по мере остывания отработанных газов избыточный водяной пар конденсируется. Количество водяного пара, выбрасываемого двигателем, зависит от его мощности и режима работы. Вторая причина — понижение температуры воздуха в результате падения его давления над крылом и внутри вихрей, возникающих при обтекании различных частей самолета. Наиболее интенсивные вихри образуются на краях крыла и выпущенных закрылков. Если при этом температура опускается ниже точки росы — избыток атмосферного водяного пара конденсируется в области над крылом и внутри вихрей. Степень понижения давления и температуры зависят от таких параметров, как масса летательного аппарата, коэффициент подъемной силы, величина индуктивного сопротивления и др. Часто наблюдаются следы, образованные в результате комбинации этих двух причин. Образованию конденсационного следа также способствуют центры конденсации в виде частиц не сгоревшего или не полностью сгоревшего топлива.

Таким образом, возможность появления, вид, и время существования конденсационного следа зависят от влажности и температуры атмосферного воздуха. При низкой влажности и относительно высокой температуре след может отсутствовать вовсе, так как при таких условиях водяной пар не достигает состояния перенасыщения. Чем выше влажность и ниже температура, тем больше водяного пара конденсируется, и тем медленнее происходит испарение, следовательно — след насыщеннее и длиннее. А при относительной влажности, близкой к 100% и низкой температуре, конденсируется наибольшее количество водяного пара, а поскольку высокая влажность препятствует испарению частиц следа, то это влечет образование конденсационных следов, которые могут существовать в течении большого отрезка времени, нередко превращаясь в перистые или перисто-кучевые облака.

В современной авиации явление конденсации является едва ли не самым распространённым, потому что большинство самолётов совершают полёты на скоростях, близких к сверхзвуковым. Единственное, что требуется для появления конденсационного следа – это подходящие погодные и климатические условия.

Кристаллизация — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара.

В авиации явление кристаллизации наиболее ярко представлено таким процессом, как обледенение. Обледенение — отложение льда на обтекаемых частях самолета, силовых установках и внешних деталях его специального оборудования при полете в воздухе, содержащем переохлажденные капли воды.

Всего существует 3 вида обледенения:

Первый тип — это так называемое сублимационное обледенение. В этом случае происходит превращения водяных паров в лёд на поверхности обшивки летательного аппарата, минуя жидкую фазу. Обычно это происходит, когда воздушные массы, насыщенные влагой, контактируют с сильно охлажденными поверхностями. Это, например, возможно, если на поверхности уже имеется лед, либо, если самолет быстро теряет высоту, перемещаясь из более холодных верхних слоев атмосферы в более нагретые нижние, сохраняя тем самым низкую температуру обшивки. Образовавшиеся в этом случае кристаллы льда непрочно держатся на поверхности и быстро сдуваются набегающим потоком.

Второй тип — так называемое сухое обледенение. Это оседание уже готового льда, снега или града при пролете самолета через кристаллические облака, которые охлаждены настолько, что влага в них содержится в замороженном или кристаллическом виде. Такой лед обычно на поверхности не удерживается, а сразу сдувается и не приносит вреда.

Третий тип — обледенение, при котором капли воды замерзают непосредственно на обшивке летательного аппарата. Этот вид наиболее часто встречается, и, сам по себе, наиболее опасен для эксплуатации летательных аппаратов.

kristallizatsiya-9148912

Рис. 4 Кристаллизация

Однако, для того, чтобы вода все-таки замерзла, то есть кристаллизовалась, кроме необходимой температуры нужна дополнительная энергия для формирования центров кристаллизации. Эта энергия берется за счет дополнительного охлаждения воды, иначе говоря ее переохлаждения. То есть вода уже становится переохлажденной с температурой ощутимо ниже нуля. Теперь образование центров кристаллизации и, в конечном итоге, превращение ее в лед, может произойти либо самопроизвольно, либо при наличии в воде примесей, либо при каком-нибудь внешнем воздействии, например, сотрясении.

Несмотря на огромный скачок в развитии авиации явление кристаллизации, а именно обледенение, все ещё представляет опасность для самолётов, ведь зачастую лёд может образовываться на механизмах, поломка которых может привести к крушению самолёта.

Нажмите, чтобы узнать подробности

Проект обучающегося 9 класса «Физика в авиации» представляет собой теоретическую часть проектной работы выпуускника 9 класса, содержит основные теоретические материалы.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя школа №9

Физика в авиации

Выполнил ученик 9 ’’Б’’ класса

Руководитель: Васикова Г.П.

г. Переславль — Залесский

1.1 Цель проекта

1.2 Задачи проекта

2. Основная часть

Уже давно человек освоил землю, изучил океан и устремил свой взгляд в небо. А там великое множество чего-то нового, необычного: тучи и облака, радуга и северное сияние, солнце и луна, гром и молния. То есть там, в голубом небе, существуют всё те же физические явления: механические, тепловые, электрические, световые и другие. И очень хочется понять, связаны ли физические явления с авиацией?

Выяснить, как физические явления в небе связаны с авиацией и узнать их значение и влияние.

Мало кто знает физическое явление, связанное с авиацией, а также как устроено крыло самолёта.

Работа авиации не осуществима без физических явлений. Необходимо узнать все плюсы и минусы влияния этих явлений.

Изучить физическое явление.

Объяснить его с научной точки зрения.

Изучить крыло самолёта.

Собрать модель крыла самолёта.

На данный момент создано множество различных летательных аппаратов: самолеты, воздушные шары, планеры, аэропланы и др. Но условие для осуществления полета любых летательных аппаратов общее — они должны преодолевать силу земного притяжения, т. е. в процессе полета создавать подъемную силу, превышающую силу притяжения Земли. Всего существует 3 основных принципа создания подъёмной силы: реактивный, аэростатический и аэродинамический.

Последний принцип является самым распространённым. Он характерен для летательных аппаратов тяжелее воздуха, а именно для самолётов различного типа. Его суть в том, что подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки. Что бы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. Для этого крылу с помощью двигательной установки сообщают горизонтальную скорость, благодаря которой крыло и воздух начнут взаимодействовать с образованием подъёмной силы.

php3b7ybj_fizika-v-aviacii_html_4996ccefa860e07e-2950620

Получается, что чем больше угол атаки, тем больше и подъёмная сила, и сила сопротивления. Так каким же должен быть угол атаки, чтобы эти силы находились в эффективном балансе? Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в

пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше, то подъёмной силы будет недостаточно для совершения полёта, а если больше, то сопротивление будет настолько большим, что крыло будет выполнять роль паруса.

Также большое значение для величины подъёмной силы имеет форма крыла. Ещё очень давно люди заметили, что у птиц крылья не плоские, а в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Почему же так происходит? Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя — выпуклая. Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу. Однако, согласно закону Бернули давление газа, протекающего по поверхности, выше там, где скорость его движения меньше, и наоборот: там, где скорость больше, давление меньше. Следовательно, давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним, что и влечет появление подъёмной силы.

php3b7ybj_fizika-v-aviacii_html_72d893f695786440-8548021

Подъёмная сила – это сила, возникающая при перемещении несущей поверхности относительно воздуха и направленная на преодоление силы притяжения, а также зависящая от формы крыла и его угла атаки. Она является неотъемлемой частью современной авиации, так как без неё ни один авиатранспорт не сможет взлететь, не говоря о совершении авиаперелётов.

Крыло в авиационной технике — поверхность для создания подъёмной силы.

Одна из основных проблем при конструировании новых самолётов — выбор оптимальной формы крыла и его параметров (геометрических, аэродинамических, прочностных и т. п.).

Основным достоинством крыла является его высокий коэффициент подъёмной силы даже при малых углах атаки. Это позволяет существенно увеличить удельную нагрузку на крыло, а значит уменьшить габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлёта и посадки. Данный тип крыла применяется в дозвуковых и околозвуковых самолётах с реактивными двигателями.

Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при звуковых скоростях полёта, является резкое увеличение коэффициента лобового сопротивления при превышении критического значения числа маха.

php3b7ybj_fizika-v-aviacii_html_f6f228da22bf6e4d-6266248

пониженная несущая способность крыла, а также меньшая эффективность действия механизации;

увеличение поперечной статистической устойчивости по мере возрастания угла стреловидности крыла и угла атаки, что затрудняет получение надлежащего соотношения между путевой и поперечной устойчивостями самолета и вынуждает применять вертикальное оперение с большой площадью поверхности, а также придавать крылу или горизонтальному оперению отрицательный угол поперечного V;

отрыв потока воздуха в концевых частях крыла, что приводит к ухудшению продольной и поперечной устойчивости и управляемости самолета;

увеличение скоса потока за крылом, приводящее к снижению эффективности горизонтального оперения;

возрастание массы и уменьшение жесткости крыла.

Физика для пилотов

Крыло с наплывом (оживальное)

Вариация стреловидного крыла. Маневренность ограничивается прежде всего статической и динамической прочностью конструкционных материалов, а также аэродинамическими характеристиками самолета.

Действия крыла оживальной формы можно описать как спиральный поток вихрей, срабатывающихся с острой передней кромки большой стреловидности в околофюзеляжной части крыла. Вихревая пленка вызывает также образование обширных областей низкого давления и увеличивает энергию пограничного слоя воздуха, увеличивая тем самым коэффициент подъёмной силы.

Физика для пилотов

В протоколе заседания Российской Академии наук от 1 июля 1754 года имеется запись:

«Высокопочтенный советник Ломоносов показал изобретенную им машину, называемую им аэродромической (воздухобежной), которая должна употребляться для того, чтобы с помощью крыльев, движимых горизонтально, в различных направлениях силой пружины, какой обычно снабжаются часы, нажимать воздух (отбрасывать его вниз), отчего машина будет подниматься в верхние слои воздуха, с той целью, чтобы можно было обследовать условия (состяние) верхнего воздуха посредством метеорологических машин (приборов), присоединенных к этой аэродромической машине».

В том же году М. В. Ломоносов писал, что он сделал машину, которая, сама поднимаясь вверх, может поднять маленький термометр. Это была модель вертолета и первая в мире документированная практическая разработка летательного аппарата тяжелее воздуха — вертолета с соосными винтами. Однако для того времени реализация идеи вертолета оказалась слишком сложной.

Русские ученые и изобретатели продолжали работать над созданием аппаратов тяжелее воздуха.

В 1854-1855 гг. к идее создания самолета обращается военный моряк Российского флота А.М.Можайский. Серьезными поисками в этой области он стал заниматься несколько позже и пришел к выводу о необходимости разработать летательный аппарат с неподвижным крылом, в работе которого использовался бы принцип динамического полета.

Научный эксперимент — это был единственно возможный в то время путь исследования для оценки возможного значения подъемной силы при различных углах атаки, а также определения необходимой площади крыла и скорости полета, ведь аэродинамика как наука тогда еще не существовала, и лишь спустя 25-30 лет основы ее были заложены великим русским ученым Н. Е. Жуковским. Не было еще аэродинамических труб и аэродинамических весов для испытания моделей самолета. А.Ф.Можайский создал прибор — движущуюся тележку с прообразом аэродинамических весов. С помощью этого прибора можно было производить расчет лобового сопротивления и подъемной силы крыла самолета. Изготовленные Можайским модели самолета с приводом винтов от пружины демонстрировалась в полете в Петербургском манеже.

В марте 1879 г. был поставлен вопрос о постройке самолета в натуральную величину.*) Изобретатель подготовил объяснительную записку, лично разработал чертежи самолета и смету необходимых расходов. Заявку на изобретение самолета с описанием аппарата и чертежи Можайский направил в Департамент торговли и мануфактур, а 15 ноября 1881 г. ему была выдана «привилегия» (патент) на «воздухоплавательный снаряд».

По проекту самолет должен был состоять из лодки (фюзеляжа), в которой предполагалось разместить экипаж, силовую установку и приборное оборудование, двух паровых двигателей и четырехколесного шасси. На самолете были предусмотрены тросовое управление, штурвал, емкости для горючего и некоторые приборы, в том числе и оптический прицел.

В конструкции первого самолета была применена монопланная схема, которая имеет наибольшее распространение и в современном самолётостроениии. Длина лодки в соответствии с принятыми в то время единицами измерения равнялась 20,5 аршина, длина каждого крыла — 15 аршинам, ширина крыла — 20 аршинам.

6 июля 1882 г. построенный самолет был осмотрен специальной комиссией Штаба войск гвардии и Петербургского военного округа. В протоколе комиссии от 22 февраля 1883 г. было записано, что масса самолета должна составлять 57 пудов. Испытания проводились под Петербургом, на военном поле в Красном селе, и продолжались до 1885 г., но на завершающем этапе по военным соображениям были засекречены. Об этом периоде сохранилось очень мало документов.

Велики заслуги Александра Федоровича Можайского перед отечественной и мировой наукой и техникой.

*) В январе 1887 г. работала первая комиссия, рассмотревшая и одобрившая предложение А.Ф.Можайского. В результате изобретателю были отпущены деньги (3 тыс. руб.), и он начал работать над созданием самолета. В состав комиссии входил Д. И. Менделеев.

Однако в то время были ученые, как, например, известный английский ученый Кельвин отрицающие возможность создания аппаратов тяжелее воздуха, отдавая предпочтение аппаратам легче воздуха.

В области исследования теории полета аппаратов тяжелее воздуха работал великий русский ученый Д.И.Менделеев. Его труд «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», по словам Н.Е.Жуковского, является капитальной монографией по сопротивлению жидкостей и может служить основным руководством для лиц, занимающихся воздухоплаванием. В труде особо отмечается необходимость накопления опытных данных о сопротивлении среды. Менделеев писал, что когда-нибудь будет достигнута полная победа над воздухом, станет возможным управлять полетом. Только для этого необходимо точно знать сопротивление воздуха.

В 1894 г. увидела свет работа К.Э.Циолковского «Аэроплан, или птицеподобная (авиационная) летательная машина «, в которой автор обосновал идею создания аэроплана с неподвижным свободнонесущим крылом. На самолете предлагалось иметь крыло трапециевидной формы с поперечным V при изогнутости по типу чайки. На эскизе, помещенном в статье, были показаны тянущий винт, обтекающей формы корпус, хвостовое оперение и шасси. В 1905 г. Циолковский предложил ромбовидный и клиновидный профили крыла для аппаратов со сверхзвуковыми скоростями полета.

Несмотря на трудности, обусловленные незнанием законов аэродинамики, создание планеров и самолетов продолжалось. Конструкция их часто была очень сложной. Один из них (девятиплан) имел несущие поверхности в виде трех трипланов, горизонтальное оперение его состояло из четырёх поверхностей, двигатель имел мощность 55 л.с. и передавал ее на два толкающих винта посредством цепной передачи. Было построено несколько трипланов, однако работа над ними осталась незавершенной. Можно упомянуть также работы А. Г. Уфимцева, которого Максим Горький назвал «поэтом в области научной техники». Уфимцев построил четыре оригинальных двигателя и два самолета с крылом круглой формы в плане и круглым горизонтальным оперением. Постройкой самолетов и двигателей занимался в 1909-1910 гг. С.В.Гризодубов, отец известной летчицы, Героя Советского Союза и Героя Социалистического труда В. С. Гризодубовой. В 1912 г. на одном из своих самолетов он совершил несколько полетов.

В годы, предшествовавшие первой мировой войне, русские конструкторы работали над созданием легкого маневренного самолета, который обладал бы достаточной устойчивостью и управляемостью. В 1912 г. военным ведомством был объявлен конкурс на разработку самолета с максимальной скоростью не менее 114км/ч и полезной нагрузкой 450 кг (летчик-наблюдатель и груз). По чертежам, представленным на конкурс, было построено несколько машин, например самолет Пороховщикова. Но несмотря на некоторые преимущества его перед иностранными, на авиационных заводах России по лицензиям строились самолеты иностранных марок. Это сильно сдерживало развитие самолетостроения в России, особенно проектирование.

Несколько позже на конкурс были представлены другие самолеты, из которых биплан РБВЗ ( Русско — Балтийского вагонного завода ) завоевал первый приз.

Этот период характерен также поисками в области проектирования гидросамолетов, одним из создателей которых являлся Д.П.Григорович.

К авиационным конструкторам начального периода развития авиации в России относится советский ученый и конструктор Я.М.Гакель, впоследствии профессор, заслуженный деятель науки и техники. В 1910-1912 гг. он создал семь самолетов оригинальной конструкции, два из которых ( гидроплан — амфибия Г-V и биплан Г-VIII ) на воздухоплавательных выставках в Москве в 1911 и1912 гг. были удостоены большой серебряной и большой золотой медалей.

Особое место в развитии отечественной авиации принадлежит самолётам выпущенным авиационным отделом Русско — Балтийского вагонного завода в Петербурге. Одним из них являлся » РУССКИЙ ВИТЯЗЬ » — первый в мире четырехмоторный самолет. Это был биплан с размахом верхнего крыла 27 м и нижнего — 20 м. Полетная масса самолета составляла 4200 кг. Первый полет его состоялся 23 июля 1913 г. » РУССКИЙ ВИТЯЗЬ » — прототип тяжелых самолетов с двигателями, установленными в ряд на крыле.

Следующим в этой серии был » ИЛЬЯ МУРОМЕЦ «, первоначально имевший четыре двигателя мощностью 100 л.с. каждый, в дальнейшем заменённые более мощными — по 220 л.с. 4 июня 1914 года на самолете » ИЛЬЯ МУРОМЕЦ » был установлен мировой рекорд высоты полета с десятью членами экипажа на борту. В августе того же года этот самолет был принят на вооружение русской армии в качестве разведывательного. На последних модификациях машин этого класса экипаж состоял из семи — восьми человек, а вооружение включало восемь пулеметов, самолет мог брать до 30 пудов ( пуд = 16 кг. -Ф.С. ) бомб, частично размещаемых в фюзеляже. Всего было построено до 80 самолетов » ИЛЬЯ МУРОМЕЦ «, которые участвовали в первой мировой и гражданской войнах. Это были крупнейшие по тому времени воздушные корабли. По техническим данным, вооружению и бомбовой нагрузке » ИЛЬЯ МУРОМЕЦ » превосходил английский тяжелый бомбардировщик ВИМИ и немецкий самолет фирмы » ГОТАМ ФРИДРИХСХАФЕН » ( хотя последний являлся, по существу, несколько изменённой копией единственного сбитого за годы первой мировой войны самолета «ИЛЬЯ МУРОМЕЦ» ). Недаром французское военное министерство через своего атташе в Петрограде обратилось с просьбой сообщить данные, относящиеся к аэропланам типа » ИЛЬЯ МУРОМЕЦ «.

Однако не все созданные самолеты строились. На единственном в начале двадцатых годов комендантском аэродроме Петрограда в одном из старых ангаров можно было увидеть самолет » СВЯТОГОР » конструкции В. А. Слесарева. Самолет представлял собой гигантский биплан цельнодеревянной конструкции с двумя двигателями, расположенными в фюзеляже, причем трансмиссия к двум толкающим винтам диаметром 6 метров осуществлялась посредством канатной передачи. Размах верхнего крыла составлял 36 метров.

Авиалинии и аэропорты

Воздушные маршруты известны и согласованы. Некоторые из них соединяют соседние города и длятся не более 30-ти минут, включая взлёт и посадку. Другие такие длинные, что их можно назвать чемпионскими.

В мире существует 3 самых долгих авиамаршрута:

  • Сингапур (Сингапур)-Нью-Йорк (США);
  • Доха (Катар)-Окленд (Новая Зеландия);
  • Перт (Австралия)-Лондон (Великобритания). 

Рекорд же принадлежит рейсу Лондон-Сидней. Самолёт Боинг-787 Dreamliner совершил его за 19 часов и 19 минут, пролетев без посадки через воздушное пространство 11-ти стран. 

Где самолёты не летают

  • Тихий океан. Не то, чтобы авиамаршруты полностью обходят самый большой океан. Просто воздушные судна стараются держаться ближе к побережью. Существует правило, по которому авиалайнер должен находится от ближайшего аэропорта не более, чем в трех часах лета. Вот из соображений безопасности самолёты и не залетают слишком далеко от берега.
  • спорные территории и места военных конфликтов. Есть около 10-ти мест на политической карте, где полёты запрещены во избежание террористических действий. Запреты временные, но бывает так, что ситуация уже давно урегулирована, а рокот моторов так и не слышен. Так произошло, например, в Эфиопии. Военный конфликт закончился 25 лет назад, но некоторые авиакомпании до сих пор считают небо над этим государством закрытым.
  • Тибет. Здесь дело не в политике, а в географии. Разница высот между горными вершинами и эшелонами авиатрасс очень мала. Это повышает риск попасть в зону турбулентности. Тибетские горы обычно облетают с юга, над Индией.

3-3751849
В кабине Airbus A220-300

Скорость

«Илья Муромец» Сикорского, первый пассажирский самолёт России, передвигался между облаков со скоростью 105 км/час. Сейчас он бы создал пробку на любом скоростном шоссе!

Современные авиалайнеры набирают, в среднем, 800-1000 км/час. А сверхзвуковые Конкорды без труда разгоняются до 2000 км/час и более. Эра небесных скоростей началась с появлением реактивных двигателей. Они выпускают струю горячего газа и тянут воздушное средство вперед с такой силой, что на земле можно было бы перевернуть вверх тормашками большой самосвал. Представьте, как воздушный шар резко взмывает вверх, выпуская струю воздуха, и поймете, как именно работает реактивный двигатель.

Сегодня, когда весь мир озадачен переходом на электрическую тягу, авиация не отстаёт. Компания Rolls-Royce уже представила полностью электрический самолет Spirit of Innovation. Он совершил первый полет, пробыв в воздухе 15 минут. Ожидается, что проектная скорость пассажирского самолёта на аккумуляторах составит не менее 500 км/час.

Итак, самолёты летают по воздуху на разных скоростях и не падают благодаря наличию аэродинамических крыльев, подъемной силы и тяги, которую обеспечивают двигатели. Интересно, что современный авиалайнер способен лететь даже на одном двигателе несколько часов. Это увеличит расход топлива, снизит высоту, но не повлияет на безопасность полёта.

2-8122219
ИЛ -76 ЛЛ, потомок самого популярного в СССР реактивного самолёта ИЛ-76

Высота

При полете на отметке 10 000 м воздушное судно тратит на 80% меньше горючего, чем при полете с такой же скоростью, но на высоте 1 км. Чем выше расстояние от земли, тем ниже плотность воздуха. Самолёту легче преодолевать сопротивление воздушных потоков.

Может тогда стоит подниматься ещё выше? Увы, для создания тяги двигателю необходим минимальный запас воздуха. Для человека дыхание становится затрудненным на высоте 5 км и совсем невозможным на 9-ти км над уровнем моря. У каждого самолёта тоже есть атмосферный предел высоты. Он называется «практический потолок». Например, для Ту-154 или Airbus он приблизительно одинаков и составляет около 12000 метров.

4-9643361
Airbus A350-1000 на МАКС-21, Жуковский
Оцените статью
RusPilot.com