МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЦЕНТР ДЕТСКО-ЮНОШЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА»

САКСКОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

                                                                           Номинация: Техническое       

                                                                                                      моделирование

Исследовательская работа

Действующая модель яхты с роторным парусом.

        Работу выполнил:

         Вельгус Дмитрий

           учащийся 5 класса

                                      МБОУ Ореховская средняя школа

   Руководитель:

                              Ходий Евгений Васильевич,

                                                Педагог дополнительного образования

                                           МБУДО «ЦДЮТ» Сакского района

Сакский район

2025

Содержание

Введение. 3

1.Теоретическая часть.

История создания роторных парусов. 4

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны. 6

2. Практическая часть.

А. Материалы для изготовления роторной яхты. 10

Б. Изготовление роторной яхты. 11

3. Экспериментальная часть. 13

Выводы. 13

     Заключение. 13

Список используемой литературы . 13

Интернет ресурсы. 13

Приложение 1. 14

Введение

На занятиях по судомоделированию, я узнал что, существуют различные и порой самые необычные виды парусов для кораблей и судов. Больше всего меня заинтересовали роторные паруса. Я захотел узнать, как они работают?  Для этого,  решил собрать из подручного материала действующую модель яхты с роторным парусом.

Актуальность темы

Люди в основном применяют традиционные движители (Тканевые паруса и т.д.), хотя и существуют другие, уникальные. Они пока не получили популярность, хотя по своим физическим характеристикам они лучше чем традиционные. Построенные действующие модели на примере доказывают необходимость применения новых движителей.

Объект исследования:

Яхта с роторным парусом из доступных материалов. 

Предмет исследования:

 Процесс  создания модели яхты с роторным парусом.

Цель работы: Создать действующую модель яхты с роторным парусом из доступного материала.

Задачи:

1.                Изучить и проанализировать информацию по исследуемой теме;

2.                Рассчитать параметры модели и подобрать материалы для её изготовления;

3.                Собрать модель роторной яхты;

4.                Провести испытания модели.

5.                Сделать вывод о результатах проведенной работы по созданию модели роторной яхты. 

 Гипотеза: В качестве рабочей гипотезы я выдвигаю предположение, что возможно построить действующую модель роторной яхты из подручных материалов, которые можно найти дома.

Методы исследования: теоретические и практические.

Этапы исследования:

1.Изучение литературы по теме.

 Анализ  собранной информации о строении роторных парусов и имеющегося опыта создания их моделей.

2.Составление плана по разработке и созданию авторской модели роторной яхты. Выбор материала.

3.Создать модель яхты с роторным парусом из подручного материала.

4.Сделать вывод о результатах проведенной работы по созданию действующей модели роторной яхты. 

Этап 1. История создания роторных парусов.

Впервые мир узнал о турбопарусах почти 100 лет назад. В 20-е годы прошлого века немецкий авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер разработал абсолютно новый тип судна, который он назвал «роторным кораблем». Позже подобные суда также называли «кораблями Флеттнера».

Экспериментальное судно под названием «Buckau» было построено в 1924 году. По сути это была переоборудованная шхуна, у которой классические мачты были заменены двумя большими цилиндрами, похожими на гигантские колонны. Они приводились в движение электрической силовой установкой мощностью 50 лошадиных сил.

Спустя некоторое время был построен еще один корабль, который отличался большими размерами и имел на своем борту уже 3 роторных паруса.

После проведенных испытаний выяснилось, что турбопаруса действительно работают и даже показывают более впечатляющие результаты, нежели классические паруса. Однако энергия, затрачиваемая на их вращение, не была пропорциональна движущему эффекту, так что технологию посчитали экономически невыгодной и Флеттнер занялся другими проектами.

Почти полвека роторные паруса провели в небытие и только в 1980-х годах известный французский исследователь Жак-Ив Кусто обратил на них внимание.

Изобретатель, вместе с командой инженеров, разработал новую концепцию турбопарусов, принцип работы которых, однако, основывался на том же физическом эффекте, что и у роторов Флеттнера.

Использование подобных парусов позволило снизить затраты топлива корабельными двигателями на 30-35% и значительно уменьшило количество вредных выбросов в атмосферу.

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны.

Любители изучения подводного мира вместе с командой Жака-Ива Кусто довольно часто задаются вопросом: а что это за странные колонны на его судне «Алкиона»? Конечно, можно предположить, что это трубы котлов или нечто подобное, вот только выглядят они странно, да и дыма из этих труб что-то никогда не видно.

Яхта «Алкиона» судно Жака-Ива Кусто, оборудованное турбопарусами.

На самом деле, возвышающиеся над яхтой «Алкиона» колонны имеют отношение к движению судна, вот только это никакие не трубы котлов, а паруса. Если быть более точным, то это турбопаруса, изобретению которых человечество обязано великому исследователю подводного мира (хотя его первенство в изобретении довольно спорно).

В начале 80-х годов специалисты команды Кусто задумались над созданием для корабля вспомогательного экологичного двигателя. Казалось бы, чего проще — под парусами корабли плавают тысячелетиями. Но хотелось создать нечто необычное, вот тут и вспомнился старый проект немца Антона Флеттнера, который в 20-х годах прошлого века создал уникальный движитель на основании эффекта Магнуса.

Сам эффект Магнуса был открыт еще в 1852 году. Хотя берлинец Генрих Магнус весьма детально описал открытое им явление, оно поначалу интересовало (да и то немного) исключительно физиков. Суть открытия была такова — если поток воздуха или жидкости обтекает вращающееся тело, то возникает сила ортогональная потоку движения среды и действующая на это вращающееся тело.

Принцип работы турбопаруса

Это явление возникает по причине того, что вращающееся тело создает вокруг себя вихревые потоки. С той стороны, с которой направление движения среды совпадает с направлением вихря, скорость передвижения среды увеличивается, с обратной стороны направление движения среды противоположно направлению вихря, здесь скорость среды уменьшается. А вот за счет разностей скоростей среды с различных сторон вращающегося тела, и появляется нескомпенсированная сила ортогональная направлению движения среды.

Похожее явление, основанное на разности скоростей обтекания воздухом крыла сверху и снизу, вызывает в аэродинамике подъемную силу, которая успешно используется в самолетостроении уже более века.

На явлении эффекта Магнуса основаны определенные удары по мячам в спорте, такие как топ-спин в пинг-понге и теннисе, сухой лист в футболе и некоторые другие. Источник изображения: giphy.com

Слабыми местами для использования эффекта Магнуса в технике виделись 2 момента — вращающийся ротор требовалось на что-то укрепить, а эта вещь, на которой он укреплен начнет движение в направлении, зависящем от ветра. На земле тележка с подобным ротором просто не поедет из-за силы трения, а железные дороги имеют строгое направление, которое вряд ли будет совпадать с силой, появившейся в результате эффекта Магнуса. А во вторых сам по себе ротор вращаться не станет. Но эти слабые места вполне можно обойти, если установить ротор на водное судно — по морю парусные корабли практически никогда не ходили по прямой, но нужной цели достигали. А заставить вращаться ротор можно с помощью небольшого двигателя, сила, появившаяся в результате проявления эффекта Магнуса, даст приличный итоговый выигрыш.

Ротор Флеттнера

Для начала Флеттнер решил проверить возможность использования эффекта Магнуса.

Турбопарус Кусто. Источник изображения: sail-friend.ru

Для этого немецкий изобретатель сделал шлюпку длиной около метра, на которую установил ротор из бумаги метровой высоты. В качестве движителя был приспособлен часовой механизм. И шлюпка реально начала движение под воздействием силы возникшей в результате проявления эффекта Магнуса.

Теперь изобретатель решил установить роторные паруса на бывший трехмачтовик «Букау», для вращения роторов были приспособлены электродвигатели. Установка роторных парусов полностью оправдала себя — результирующая сила прекрасно двигала судно, при этом она примерно в 50 раз превышала силу давления на неподвижный парус. Флеттнер додумался накрыть свои роторные паруса плоскостями-тарелками, что упростило управление и почти в 2 раза увеличило результирующую силу. Судно прекрасно шло в бейдевинд под углом в 25 градусов, что было значительно лучше показаний парусных судов, им было легче управлять, плюс и остойчивость увеличилось.

В 1926 году роторный «Букау» (переименованный в «Баден-Баден») прошел через Атлантику, а вскоре заложили мощный лайнер «Барбара» на который вдобавок к главному дизелю устанавливались 3 роторных паруса высотой 17 м каждый. Эти роторы должны были выдавать суммарную мощность 1 000 л. с., причем для вращения роторов 3 мотора мощностью 35 л. с. каждый. Но грянувшая Великая депрессия нарушила эти планы, новый владелец судна предпочел установить обычное парусное вооружение. Роторные паруса оказались забыты на десятилетия, тем более что "Баден-Баден" пошел на дно в Карибском море в 1931 году во время шторма.

А что же изобрел Жак-Ив Кусто?

Турбопарус Кусто. Источник изображения: sail-friend.ru

Его команда усовершенствовала полый роторный цилиндр Флеттнера, придав тому каплевидную форму. Добавили воздухозаборные решетки и установили вентилятор для лучшего засасывания воздуха. Еще были установлены датчики на поворотной платформе, которые обеспечивают максимально выгодное положение турбопаруса относительно ветра. Внутри турбопаруса можно устанавливать не только вентилятор, но и воздушный насос — принцип работы от этого не изменится. Корабль может двигаться даже против ветра — всегда будет разница давлений из-за завихрений воздуха внутри и снаружи турбопаруса.

Как посчитали специалисты команды Кусто, у них получился вполне приемлемый вспомогательный движитель, сокращающий расход топлива двигателей примерно на треть.

Немецкое судно E-Ship 1. Оборудованное турбопарусами. Источник изображения: caumas.org

Сейчас планируется установка роторных движителей на некоторые крупные корабли, что даст экономию топлива примерно в 10%.

Этап 2.  Практическая часть.

А. Материалы для изготовления роторной яхты.

Для работы решил использовать простые и доступные материалы.

Для того чтобы сделать  модель вам понадобятся:

·                         Бамбуковая палочка для суши (200 мм).

·                         Резиновые кольца.

·                         Потолочная плитка из пенопласта (500 х 500).

·                         Бамбуковые шпажки (300 мм)

·                         Канцелярский нож.

·                         Вязальная проволока.

·                         Зубочистки.

·                         Тубус от бумажных полотенец (диаметр 40 мм)

·                         Трубочка для коктейлей.

·                         Абразивная губка Р-100

·                         Металлические шпильки.

·                         Электродвигатель 6V.

·                         Круглогубцы и пассатижи.

·                         Жидкое стекло.

·                         Полимерный клей, клей ПВА.

·                         Клеевой пистолет.

·                         Швейные нитки.

·                         Краски.

После изучения информации по теме я решил строить килевую яхту с плавниковым килем, взяв за основу крейсерско-гоночный швертбот свободного класса (у яхт этого класса форма корпуса может быть произвольной).

     Наша модель должна обладать основными  свойствами, такими как: плавучесть, непотопляемость, остойчивость и устойчивость.

Б. Изготовление роторной яхты.

 Яхту изготавливаем по инструкционной карте ( приложение 1.)

Эскиз  яхты.

Разметка заготовки производится мягким карандашом по бумаге. По очерченной линии корпус вырезается канцелярским ножом. Дальнейшая обработка корпуса производится абразивной шкуркой. Обводы яхты - по вкусу моделиста, важно соблюдать лишь симметричность корпуса. Приведенные на эскизах размеры даны ориентировочно и могут изменяться моделистами. Такелаж-ванты, штаги, гика - и стаксель-шкоты - делаются из капроновых ниток. Они не так путаются и не рвутся, когда модель зацепится за какую-либо водную или прибрежную растительность.

Для изготовления корпуса яхты и внешнего киля я подобрал куски пенопласта потолочных плиток. Этот материал легко режется и отлично обрабатывается, к тому же он не промокает и не тонет. Детали из пенопласта клеятся полимерным клеем или клеевым пистолетом, швы получаются герметичными. Для надёжности корпус дополнительно обработал жидким стеклом.

 Для мачт отлично подошли палочки для суши.

Роторный парус изготовил из тубуса от бумажных полотенец.

Торцы цилиндра заглушил кольцами из пенопласта (5мм толщиной). В верхнем кольце, по центру пробил отверстие шилом, и вклеил кусок пластиковой палочки от леденца. Она будет исполнять роль подшипника. Перемычку изготовил из трубочки для коктейлей ( это позволит упростить регулировку цилиндра).

Растяжки  изготовил бамбуковых шпажек. Они создают дополнительную прочность модели.

Электродвигатель закрепил на горячий клей. Источником энергии служат 4 пальчиковых батарейки по 1,5 вольта каждая.

Для управления яхтой установим руль (для изготовления подойдут палочка от чупа-чупса, стальная или медная вязальная проволока), киль изготовим из кусочка пластиковой ёмкости. Положение руля можно изменять, фиксируя его резиновым кольцом.

Для балласта используем металлические шпильки.

Этап 3.Экспериментальная часть

Эксперимент проводился в мастерской, в пластиковой ёмкости.

  Яхта показала хорошие характеристики. Модель получилась прочной, хорошо держалась на воде. В движение приходила даже при небольшом дуновении. 

   Этап 4. Вывод.

     Я очень волновался за результат своего труда, но оказалось, не зря. Цель работы достигнута: Из доступного материала получилась отличная модель. Яхта приходит в движение при любой силе ветра, а фиксированный руль заставляет модель двигаться в заданном направлении (прямо, по параболе или по кругу).

    Яхта получилась прочной, хорошо держалась на воде.

    Испытания показали, что модель обладает основными  свойствами, такими как: плавучесть, непотопляемость, остойчивость.

Литература

1.                Модель яхты. Серия «Библиотека юного конструктора». 

Автор: Д.Л.Суленжирский . -М.  Издательство: ДОСАРМ  1949 г.

2.                Скоренко Т. То ли мачта, то ли парус // Журнал «Популярная механика» №101, март 2011г.

3.                Э Чукашев «Советы моделисту». -М.   Изд. «Цейхрауз» 2007 г.

4.                Эпов Г.С. «Парусное вооружение судов». – СПб.; «Элмор»,2005г.

Интернет ресурсы

https://modelist-konstruktor.com/v-mire-modelej/yaxta-iz-penoplasta

https://dzen.ru/media/popsci/kak-rabotaiut-turboparusa-i-naskolko-oni-effektivny-5ef97e8dd247603cea2e118f

https://dzen.ru/media/otd/turboparusa--kak-eti-gigantskie-cilindry-dvigaiut-korabli-5dade8e6e882c300b2207ed1

Приложение 1.

Технологическая карта.

Роторная яхта

Скачано с www.znanio.ru