В рамках проекта Предпрофессионального образования города Москвы на базе инженерных классов созданы авиастроительные классы, в которых для формирования необходимых инженерных компетенций в авиастроительной области, реализуется практико-ориентированное обучение как в общем, так и в дополнительном образовании.
В данной статье рассматривается изготовление установки и проведение эксперимента, наглядно показывающего зависимость подъемной силы крыла самолета от формы крыла и угла атаки воздушного потока.
При движении самолета воздух обтекает крыло. Профиль крыла искривлен так, что поток воздуха, обтекающий крыло сверху, движется быстрее, чем поток снизу. Согласно принципу Бернулли, изучаемому в школьном курсе физики, чем больше скорость воздушного потока, тем меньшее давление он оказывает и, наоборот, воздух, движущийся медленнее под нижней стороной крыла, производит большее давление. Эта разность давлений создает подъемную силу, вынуждающую крыло подниматься вверх.
Однако, при определенных условиях, на подъемную силу крыла оказывает воздействие и эффект Коанда, названный в честь румынского изобретателя Анри Коанда.
Суть этого эффекта заключается в том, что, струя воздуха, вылетающая из сопла, из-за разницы давлений между самой струей и окружающей средой, приближаясь к поверхности крыла вытесняет окружающий воздух, создавая область пониженного давления, и внешнее давление прижимает струю к поверхности крыла, заставляя ее обтекать поверхность крыла, «прилипая» к нему. Таким образом, за счет кривизны нижней поверхности крыла и соблюдении определенных параметров щели, из которой вылетает струя газа можно увеличить эффект Коанда, а, следовательно, и подъемную силу крыла.
Перейдем к эксперименту. Для проведения эксперимента нам понадобятся: устройство для крепления крыла, изготовленное на 3D-принтере (рисунок 1) (для того, чтобы воздушный поток не смещал установку для крепления крыла, в нее помещается груз), модели крыла симметричной (эллиптической) и ассиметричной (арочной) формы (рисунок 2), также изготовленные на 3D-принтере (геометрические размеры крыльев должны быть одинаковыми), транспортир, воздуходувка (поток воздуха должен быть равномерным и полностью обдувать крыло, при необходимости перед воздуходувкой можно установить самодельную модель аэродинамической трубы), штатив для закрепления воздуходувки, весы, маркер.
Рисунок 1
Рисунок 2
Учащимся предлагается исследовать зависимость подъемной силы от угла атаки воздуха, для двух моделей крыла (симметричной и ассиметричной форм), изменяя угол атаки от 0° до +20° и в табличном процессоре построить графики зависимости подъемной силы от угла атаки и сделать вывод.
Для проведения эксперимента крыло крепится в специальном устройстве, которое устанавливается на весы (перед началом эксперимента показания весов обнуляем) (рисунок 3). По показаниям весов будем определять значение подъемной силы крыла.
Рисунок 3
При помощи транспортира и маркера отмечаем угол, под которым крепим крыло (угол атаки). Перед закрепленным крылом устанавливаем воздуходувку (рисунок 4), таким образом, чтобы воздух обтекал профиль крыла и измеряем, возникающую при этом подъемную силу (показания весов изменяются при продувании в зависимости от угла атаки и формы крыла). Данные эксперимента заносим в таблицу.
Рисунок 4
Далее в табличном процессоре строим графики зависимости подъемной силы от угла атаки для каждого типа крыла (синий график – для симметричного крыла, оранжевый – для несимметричного).
Подъемная сила, Н |
Угол атаки |
|||||||
0° |
5° |
10° |
15° |
20° |
25° |
30° |
35° |
|
Симметричное крыло |
0,7 |
1,73 |
3,69 |
5,18 |
7,11 |
7,5 |
9,26 |
9,38 |
Ассиметричное крыло |
3,27 |
4,6 |
5,95 |
7,66 |
8,92 |
10,22 |
11,26 |
7,23 |
Рисунок 5
На основании результатов исследований можно сделать следующие выводы:
- Подьемная сила прямо пропорциональна углу атаки.
- Подъемная сила для несимметричного профиля сдвинута вверх, при нулевом угле атаки уже действует подъемная сила.
- Подъемная сила создается и за счет угла атаки, и за счет выпуклости крыла.
Для закрепления ученикам можно предложить ответить на контрольные вопросы:
- Назовите оптимальный угол атаки для каждого типа крыла при котором подъемная сила максимальна.
- Чем объясняется уменьшение подъемной силы при углах атаки, больших оптимального?
- Объясните применение третьего закона Ньютона при возникновении подъемной силы крыла самолета.
- Почему у несимметричного профиля крыла график сдвинут вверх относительно графика симметричного крыла?
- Какой профиль крыла наиболее эффективен при полете на малых скоростях?
В качестве дополнительного задания учащимся можно предложить ответить на вопрос: «У вас еще есть плоское крыло, будет ли на него действовать подъемная сила и если будет, то где его лучше применять?» Для ответа им нужно нарисовать модель плоского крыла, провести исследование и сделать выводы.
Файлы для печати можно скачать по ссылке: https://cloud.mail.ru/public/VFkt/XntrQvsa4