Проект "Воздушный змей "

 

Муниципальное автономное учреждение дополнительного

образования Белоярского района

«Дворец детского (юношеского) творчества г. Белоярский»

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

Воздушный  змей

(моделирование воздушного змея)

 

 

 

 

 

 

Автор проекта:

Страшко Лев Владиславович  

Класс 7

 

 Руководитель проекта:

Трапезникова Галина Николаевна

 МАУДО  ДДЮТ

Педагог дополнительного образования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 2015

 

Содержание

 

Введение …………………………………………………………………………...	3
Историческая справка ……………………………………………………………..	5
Теоретические основы ……………………………………………………………..	7
Алгоритм моделирования змея ……………………………………………………	8
Постройка корпуса, уздечки, хвоста ……………………………………………...	8
Правила   запуска змея      ……………………………………………………….....	12
Заключение………………………………………………………………………….	14
Литература ………………………………………………………………………….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                              

Введение

 

Актуальность. Каждый мальчишка мечтает хоть раз  запустить воздушного змея. Родители купили мне воздушного змея, и мы всей семьей запускали его. Он очень красиво парил над землей, заставляя забыть обо всем на свете и любоваться полетом. Когда первые минуты восторга прошли, я задался вопросом: «Почему он летает? Благодаря каким силам? Можно ли построить змей  самостоятельно?»

Таким образом,  мне удалось выявить противоречия:

1) с одной стороны, все мальчишки запускали змея,  любовались его полетом,  с другой стороны, они  не знают, благодаря каким силам змей летает,   как его смоделировать, как рассчитать подъемную силу, как учесть силу сопротивления и т.д.

2) с одной стороны, наблюдается необходимость активизации работы по обучению моделирования змеев, с другой стороны, в школьной программе данному умению не обучают, считается,  что не каждый взрослый сможет  сделать змей, для этого нужны  глубокие  знания  по физике.

Для снятия этих противоречий необходимо ответить на  следующие вопросы:

1.      Кто изобрел  воздушные змеи и когда они впервые поднялись в воздух?

2.      Благодаря  взаимодействию  каких сил змей летает?

На основании анализа актуальности, выявленных противоречий была сформулирована проблема исследования, которая заключается в поиске и выборе  информации для создания алгоритма   моделирования  змея.  Актуальность выявленной проблемы определила  тему исследования: «Воздушный змей. Моделирование».

Цель исследования:  определить, обосновать алгоритм моделирования змея, как  возможность  самостоятельного  создания  данного вида  летательного аппарата.

Объект  исследования: создание  алгоритма моделирования змея.

Предмет исследования: изучение литературы как средства создания алгоритма моделирования змея.

Исходя из анализа актуальности, цели, объекта и предмета  исследования, мы выдвинули следующую гипотезу:  изучив литературу,  произведя расчеты, мы сможем  узнать, как  смоделировать  змей и как запустить его в воздух.  Составленный алгоритм  может быть использован учениками начальной школы (вместе с родителями), учениками средней и старшей школы самостоятельно. 

Предмет исследования и выдвинутая гипотеза позволили наметить следующие задачи исследования:

1.      Собрать информацию об истории создания  змея.

2.      Изучить  литературу  по проблеме.

3.      Составить алгоритм моделирования змея.

4.       Построить змей.

 

Сроки проведения исследования:  апрель 2015 –  сентябрь 2015 гг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

Историческая справка

  Чтобы ответить на интересующие меня вопросы, я пошел в библиотеку и нашел несколько книг и журналов, в которых рассказывалось о  воздушных змеях. Прочитав их, я узнал много интересной информации.

n  Точно неизвестно,  кто  изобрел воздушные змеи и когда они впервые поднялись в воздух.

n  Древние греки утверждают, что  в IV веке до нашей эры их изобрел Архитас из Тарентума.

n  В корейских древних свитках говорится, что один генерал в те далекие времена запустил воздушного змея с прикрепленным к нему фонарем, чтобы придать смелости своим воинам.

n  Но точно известно, что в IV веке до нашей эры воздушные змеи были широко распространены в Китае. Первые китайские воздушные змеи были сделаны из дерева. Они строились в виде рыб, птиц, жуков, раскрашивались в разные цвета. Самой распространенной была фигура змея - дракона. Отсюда, возможно, и пошло название «воздушный змей».

n  В одной из летописей говорится, что в IX в. византийцы поднимали на воздушном змее воина, который с высоты бросал в неприятелей зажигательные вещества. На  Руси в 906 году князь Олег при осаде Царьграда применил воздушного змея для устрашения врага. А в 1066 г. Вильгельм-завоеватель использовал воздушные змеи для военной сигнализации при покорении Англии. Но о форме, конструкциях и летных свойствах европейских змеев не сохранилось никаких данных.

n  Долгое время ученые Европы недооценивали значение воздушного змея для науки. Только с середины XVIII в. воздушный змей начинает применяться при научных работах. В 1749 году Вильсоном (Англия) змей был использован для подъема термометра для определения температуры воздуха на высоте. В 1752 году американский ученый В. Франклин использовал воздушный змей для исследования молний. Объяснив электрическую природу молнии, Франклин изобрел громоотвод.

n  Воздушные змеи применялись для изучения атмосферного электричества великим русским ученым М. В. Ломоносовым и английским физиком И. Ньютоном.

n  Змей оказал науке очень много ценных услуг. Неудивительно, что в 1756 году знаменитый математик Л. Эйлер написал: «Воздушный змей, эта игрушка детей, применяемая учеными, может, однако, заставить глубоко над собой призадуматься».

n  В 1804 году благодаря воздушному змею сэр Дж. Кэйли сумел сформулировать основные законы аэродинамики.

n  В 1825 году был осуществлен первый полет человека на змее. Это сделал английский ученый Д. Покок, подняв на змее на высоту нескольких десятков метров свою дочь Марту.

n  В 1873 году А.Ф. Можайский поднимался на воздушном змее, буксируемом тройкой лошадей.                                                                  

n  Начиная с 1894 года воздушный змей  применяется для изучения верхних слоев атмосферы. В 1895 году при Вашингтонском бюро погоды была организована первая змейковая станция. В 1896 году в Бостонской обсерватории была достигнута высота подъема коробчатого змея равная 2000 м, а в 1900 году там же змей был поднят на высоту 4600 м.

n  В 1897 году начаты работы с воздушными змеями и в России. Они велись в Павловской магнитно-метеорологической обсерватории, где в 1902 году было открыто специальное змейковое отделение.

n  Широкое применение воздушный змей нашел в метеорологических обсерваториях Германии, Франции и Японии.

n  Змей способен подниматься на очень большую высоту. Например, в обсерватории Линдерберга (Германия) добились подъема воздушного змея более чем на 7000 м.

n  Первая радиосвязь через Атлантический океан была налажена с помощью коробчатого воздушного змея. Итальянский инженер Г. Маркони запустил в 1901 году на острове Нью-Фаунден большой воздушный змей, который летал на проволоке, служившей приемной антенной.

n  В 1902 году на крейсере «Лейтенант Ильин» провели успешные опыты по подъему наблюдателя на высоту до 300 метров с помощью поезда из воздушных змеев.

n  В настоящее время во многих странах существуют праздники и фестивали воздушных змеев. В Японии ежегодно проводится национальный фестиваль воздушных змеев.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретические основы

центр тяжести

                 

n    Воздушный змей - это летательный аппарат тяжелее воздуха. Он поднимается и удерживается на высоте благодаря движению воздуха относительно змея.

n    Чтобы понять, почему он летает, можно представить змей в виде прямоугольной плоской пластинки. Чтобы воздух мог поднять пластинку, ее надо расположить под некоторым углом к потоку воздуха. Угол между потоком воздуха и пластинкой называется углом атаки или подъемной силы (его обозначают греческой буквой α - альфа). Змеи летают при  угле атаки 10-20°.

n    На воздушного змея действуют четыре силы: сопротивление, движущая  сила, сила тяжести и подъемная сила. Можно сказать, что змей летает благодаря взаимодействию всех этих сил. Рассмотрим их по порядку.

n    Сила сопротивления - создается движением воздуха, который обтекает змея.

n    Подъемная сила - это часть сопротивления, которая превращается в силу, направленную вверх.

n    Движущая сила  сообщается змею леером, действующим как мотор.

n    Сила притяжения  - это вес змея, она приложена в точке, которую называют центром тяжести.

n    Змей полетит, если линии действия всех этих сил пересекутся в центре тяжести. Иначе полет змея будет нестабильным. Для того чтобы змей держался в воздухе, подъемная сила должна быть равна силе тяжести змея с леером. Если же подъемная сила меньше, то змей опускается на землю. Это может происходить из-за неравномерности ветра, изменения (уменьшение) его силы и направления. Чтобы выдержать эти требования, поверхность змея должна быть наклонена по отношению к ветру под правильным углом (углом атаки).
По конструкции воздушные змеи бывают плоские, коробчатые и роторные, а по управляемости полетом – управляемые и неуправляемые.                                                                                                                                                         

 

Алгоритм  моделирования змея

1. Приготовить необходимые материалы:  

• рейки сечением 5Х5 миллиметров и длиной 100 сантиметров;
• толстый полиэтилен
• скотч;
• новогодняя мишура;
• клей «Момент»;
• ножницы;
• лобзик.

3.      Произвести  расчет  длины и толщины реек, длины  сторон корпуса.

4.      Изучить правила конструирования змея.

5.      Построить  корпус.

6.      Сделать уздечку.

7.      Изготовить хвост.

Постройка корпуса, уздечки, хвоста

 Строить мы решили плоский прямоугольный неуправляемый змей. У прямоугольного змея меньшая сторона корпуса должна составлять 3/4 длины большей его стороны.

n  Корпус плоского воздушного змея состоит из легкого деревянного каркаса и обшивки. Для изготовления каркаса мы использовали тонкие рейки, для обшивки мы взяли толстый полиэтилен, края которого мы укрепили скотчем. Хвост мы сделали из новогодней мишуры.

n  Мы нашли рейки сечением 5Х5 миллиметров и длиной 100 сантиметров.  Размеры змея  с такой длиной реек будут составлять 80 на 60 сантиметров. По этим размерам мы вырезали обшивку змея с учётом нахлёста по 5 сантиметров.

 

 

 

 

 

 

 

n  В торцах каждой рейки мы выпилили канавки глубиной 3 миллиметра. В них пропускается обвязка.

n  На расстоянии 3 миллиметра от концов реек мы пропилили желобки. В этом месте к рейкам будет прикреплена уздечка и хвост.

                                                                                                                                                                                                                                                                                              

n  Рейки мы соединили в виде креста, обвязали нитками и проклеили.

n  Потом мы сделали обвязку, пропустив по торцу змея толстую нитку, и  промазали клеем.

 

                                

 

n  Положив крестовину змея на обшивку, мы загнули нахлёст вокруг нитки, обвязывающей змей по кругу. Загиб мы закрепили скотчем.

n  Скотчем  мы проклеили и рейки, приклеив их к полиэтилену. Обшивка должна оставаться с внутренней стороны змея.

 

 

 

n  Из непрозрачного скотча мы сделали на корпусе аппликацию в виде забавной рожицы J. Она не только украшает змей, но и укрепляет его.

n  Для леера мы взяли толстую прочную нитку из искусственного шелка. Чтобы змей было удобнее запускать, мы намотали её на рыболовную спиннинговую катушку, которую закрепили изолентой на моём старом сломанном пистолете.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	b

 

n 

K

a/b=3/4

A

B

O

a

L=1/2a

H

L

K

D

D

Потом мы сделали уздечку змея. Для этого к углам корпуса в точках А и В мы привязали    нитку  такой длины, чтобы середина нитки (точка К) при натяжении достигала центра корпуса змея (точка О). Так мы получили верхние стропки АК и ВК.

n 

C

Затем в точке О корпуса мы прокололи два отверстия (по обе стороны листа пересечения центральных реек), в отверстия продели нитку и прочно завязали вокруг реек. Длина этой нижней стропки равна расстоянию на корпусе змея от точки О до середины стороны АВ.

n

H=2a

       Связав верхние стропки АК и ВК с нижней стропкой в точке К, мы получили уздечку. Мы убедились, что стропки АК и ВК равны между собой, так как в случае их неравенства змей в полете будет крутиться. К уздечке в точке К  мы привязали нитку, с помощью которой будет запускаться змей.

n  Уздечка крепится к корпусу змея со стороны обшивки корпуса, чтобы воздушные потоки при полете змея прижимали обшивку к приклеенным рейкам корпуса.

n  После этого мы приступили к изготовлению «змеиного хвоста».

n  Хвост  состоит из самого хвоста и его подхвостка, для изготовления которых мы взяли новогоднюю мишуру. Подхвосток привязывается нитками к нижним углам корпуса змея (точки С и D).

n   Высота подхвостка должна быть равна половине высоты самого змея (смотри схему). Половины подхвостка СМ и DM должны быть равны, иначе змей в полете будет крутиться. К подхвостку в его середине мы прикрепили сам хвост. Длина хвоста должна быть в два раза больше высоты самого змея.

 

 

 

 

 

 

Правила конструирования и запуска змея

 

Для того чтобы змей хорошо летал, при его конструировании и запуске нужно соблюдать некоторые правила. Их не очень много, но они важны.

n  Центр тяжести корпуса змея должен быть расположен на оси его симметрии, то есть на продольной линии корпуса змея, делящей корпус на две равные части. Если это правило не выполнить -  змей не взлетит.

n  Нитки для изготовления уздечки и запуска змея должны быть крепкими, иначе под напором ветра змей просто оторвется.

n  Если из-за слабого ветра на высоте змей начинает опускаться - надо идти с леером против ветра, тогда змей будет снова подниматься вверх. Так надо делать  до тех пор, пока змей не заберется на такую высоту, где ветер более сильный, и тогда натяжение леера не будет ослабевать. Скорость подъема можно увеличить, если поддергивать леер.

n  Уздечку, при помощи которой змей прикрепляется к шнуру, служащему для его запуска, нужно тщательно подобрать по своей длине и прикрепить к корпусу змея в строго определенных точках.

n  С помощью этой уздечки змею придается наивыгоднейший угол наклона его корпуса к потоку воздуха для создания наибольшей подъемной силы. При нарушении этого правила змей или не полетит, или будет летать плохо, не поднимаясь высоко в воздух. Если змей в полете наклоняется в одну сторону, значит, уздечка перекосилась и ее надо поправить. Удлинить надо верхнюю нитку уздечки той стороны змея, куда он сваливается.

n  Если змей при взлете крутится вправо или влево, нужно проверить, равны ли верхние части уздечки. Если равны,  значит мала длина хвоста. Для проверки можно привязать к нижнему концу хвоста небольшой комок бумаги. Если после этого змей перестанет крутиться, начнет взлетать и быстро набирать высоту, то можно снять груз и  удлинить хвост.

n  Хвост  – это не только украшение, но и руль змея. Поэтому если он будет неправильно отрегулирован, то змей или не взлетит совсем, или будет летать неустойчиво, вращаясь в разные стороны.

n  Если змей «рыскает», быстро падает в сторону вниз, то хвост слишком легкий. Его надо немного удлинить или привязать к нему комок бумаги. Если змей плохо поднимается, то  хвост тяжелый, надо сделать его полегче или укоротить. Если же змей и после укорачивания хвоста вновь не набирает высоту - надо изменить (удлинить или укоротить) нижнюю часть уздечки.                                                                                                                                     

n  При правильной регулировке змей хорошо взлетает, быстро набирает высоту и уходит вдаль по мере распускания нитки, на которой он запускается. При этом он будет парить в высоте, слегка виляя из стороны в сторону.

n  На небольшой высоте ветер бывает переменным и порывистым. У земли змей может «рыскать», раскачиваться и даже может разбиться о землю. Поэтому надо стремиться, чтобы змей как можно быстрее набрал высоту, так как на высоте ветер более равномерный.

n  Запускать змей лучше вдвоем. Запускающий держит в руке катушку с леером, а его помощник уходит со змеем в руках вперед против ветра на 20-30 метров. Чем сильнее ветер, тем дальше следует отойти от змея. По команде запускающего он подбрасывает змей кверху. В это время запускающий бежит против ветра.

n  Когда змей поднимется на высоту, запускающий останавливается и постепенно начинает отпускать (травить) леер.

n  Сначала лучше запускать змей на коротком (метров 50) леере и посмотреть, как он летит. В случае внезапного порыва ветра леер надо немного отпустить и тем самым ослабить давление ветра на змея. При затихании ветра, наоборот, надо подтянуть змей к себе.

n  Когда змей приземляется, надо дать ему опуститься по плавной дуге, а не заставлять снижаться силой. Особенно аккуратным надо быть на последних метрах спуска. Если леер сматывать очень быстро, то змей может упасть.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Заключение

Целью нашего исследования было определить, обосновать алгоритм моделирования змея, как  возможность  самостоятельного  создания  данного вида  летательного аппарата.

 Были  выполнены задачи исследования: мы изучили литературу по обозначенной   теме; собрали информацию об истории создания  змея;  составили  алгоритм моделирования змея, построили воздушный змей.

В  ходе   работы была подтверждена гипотеза: изучив литературу,  произведя расчеты, мы  узнали, как  смоделировать  змей и как запустить его в воздух. Мы составили  алгоритм   моделирования змея,  сконструировали его.

Проведенная работа  нас так заинтересовала, что захотелось продолжить исследование и ответить на вопросы: можно ли сконструировать в домашних условиях  воздушный змей из армированного нейлона – специальной непродуваемой ткани, так как он не боится ни дождя, ни снега и может летать при малейшем ветре?  (Рис. 1) Можно ли изготовить трехмерную объемную модель змея, которая  дольше всех держится в воздухе при сильном ветре?  (Рис. 2)  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                  Рис. 2

 

                 Рис. 1

Возникшие вопросы, интерес одноклассников позволяют нам сделать вывод о необходимости продолжения  работы.

                                                     

 

 

Литература

 

1.      Ермаков A.M. Простейшие авиамодели: Кн. Для учащихся 5-8 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1989.

2.      Рожов B.C. Авиамодельный кружок. Для руководителей кружков школ и внешкольных учреждений. М.: Просвещение, 1986.

3.      Руджий Г. Как сделать и запустить воздушного змея. - М.: ЗАО Изд-во Центрполиграф, 2001.