Повітряні змії: дитячі забави або практична аеронавтика? - Чотирнадцята олімпіада (2016/17 н.р.) - Архів робіт - Каталог статей - Олімпіада з історії авіації та воздухопл

Автор: Щувайло Дмитро

Вік: 13 років

Місце навчання: МБОУ "Школа-гімназія №10" ім. Е. К. Покровського р Сімферополя, Республіка Крим, Російська Федерація

Керівник: Кривощеков Роман Віталійович, методист фізико-математичного відділу ПДО ГБОУ ДО Республіка Крим МАН "Шукач", м Сімферополя

Історико дослідницька робота на тему:

Повітряні змії: дитячі забави або практична аеронавтика?

план

1. Введення

2 Історія виникнення і застосування повітряних зміїв

3 Чому і як літає повітряний змій?

4 Види повітряних зміїв

5 Висновки

6 Список використаної літератури

Вступ

Багато батьків, купуючи своїм дітям повітряного змія, навіть не здогадуються, що виготовлення і запуск повітряних зміїв з одного боку-дитяча забава, що привертає до себе людей різного віку, з іншого захоплення, що сприяє розвитку спостережливості, кмітливості і творчого потенціалу. І на перший погляд така проста і звичайна для нас іграшка, не зовсім вже проста, як може здатися.

Мета роботи - вивчити повітряний змій, як літальний апарат, визначити сфери застосування, сконструювати і запустити повітряний змій.

Завдання: - вивчити історію виникнення повітряних зміїв;

- з'ясувати види та області їх застосування;

- з'ясувати, чому і як літає змій;

- сконструювати змій і випробувати його.

Історія виникнення і застосування повітряних зміїв

Історія повітряних зміїв бере свій початок ще за часів стародавнього Китаю і налічує, як мінімум, 2000 років. Історія походження повітряного змія грунтується, перш за все, на переказах і легендах, тому що матеріали з яких виготовляли зміїв (дерево, папір, тканину, листя і гілки дерев) руйнувалися досить швидко. Найстаріші археологічні знахідки налічують близько 200 років.

Змії будувалися у вигляді метеликів, птахів, риб, жуків, які раскрашивались в яскраві кольори. Найбільш поширений був Змей- дракон, схожий на полукрокоділа - напівзмію.

У більш пізній час повітряні змії стали будувати у вигляді плоских рамок, обтягнутих папером або тканиною. Вони вже нічим не нагадували казкового змія, але назва збереглася до наших днів.

З самого початку свого існування повітряний змій застосовували в трьох основних напрямках - військові дії, обряди і побут. Застосування змія в військових цілях зводилося в першу чергу до вимірювання відстані до ворожих об'єктів і залякування ворогів. В історії Росії теж є згадки про повітряні змії: в 906 році, під час взяття Царгорода, князь Олег наказав зробити багато повітряних зміїв у вигляді вершників і піших воїнів, щоб вселити жах захисникам міста: вони раптом побачили, що на них з неба спускається незліченна російське воїнство.

Використовували повітряні змії і в обрядах. Вважалося, що трохи наблизившись до неба, де жили боги і, залучаючи їх увагу своєю яскравою зовнішністю, було більше шансів звернути увагу богів на молитви людей. Так, наприклад, запускаючи змія, відлякували нечисть і захищали від злих сил, хвороб, просили багатий урожай.

Також повітряні змії використовувалися в Азії для лову риби, відлякування птахів від зернових культур, для підняття будівельних матеріалів до вершин будівель, ну, і звичайно, в якості іграшок.

Придивлялися до цієї дитячої іграшки та вчені. Знаменитий фізик, математик і астроном Леонард Ейлер писав: "Повітряний змій, дитяча іграшка, недоглянута і знехтувана дорослими, буде коли-небудь предметом глибоких досліджень". І він не помилився. Ще в 1749 році шотландський астроном А. Вільсон підняв на змії термометр для вимірювання температури повітря на висоті. Знаменитий американський вчений Б. Франклін за допомогою повітряних зміїв проводив дослідження атмосферної електрики і довів, що блискавка при грозе- не що інше, як електричний розряд величезної сили. Відкривши в результаті цих досліджень електричну природу блискавок, Франклін винайшов громовідвід.

Великий російський вчений Михайло Ломоносов теж будував повітряні змії для дослідження електрики в атмосфері. 26 червня 1753 Ломоносов "за допомогою змія витягнув блискавку з хмар". Він запустив повітряний змій в грозу і по мотузці, яка використовується як провідник, витягнув розряди статичної електрики. Ці досліди ледь не коштували йому життя, а ось його послідовник академік Рихман був убитий розрядом електрики.

У 19 столітті повітряні змії також широко застосовувалися для метеорологічних спостережень. На початку 20 століття повітряні змії внесли свою лепту у створення радіо. А.С. Попов використовував змії для підйому антен на значну висоту. Важливо відзначити використання повітряних зміїв при розробці перших літаків. Зокрема, А.Ф. Можайський, перш ніж почати будівництво свого літака, провів серію випробувань з повітряними зміями. На підставі результатів цих випробувань були вибрані розміри літака, які повинні були забезпечити йому достатню підйомну силу.

Практичні можливості повітряного змія привертали увагу військових. У 1848 р К.І. Константинов розробив систему порятунку суден, що зазнають лиха поблизу берега, за допомогою повітряних зміїв. За часів першої світової війни війська різних країн застосовували змії для підняття на висоту спостерігачів- коректувальників артилерійського вогню, розвідки ворожих позицій. Повітряні змії використовувалися і на фронтах Великої Вітчизняної війни. Наприклад, з їх допомогою наші бійці розкидали листівки.

У повоєнні роки повітряні змії стали захоплюючим заняттям для школярів. Але поряд з цим їх ще часто застосовують в області метеорології для досліджень і спостережень нижніх шарів атмосфери. Коробчаті змії піднімають прилади, що записують температуру, тиск, вологість повітря і напрямок вітру на висоті. У далекій Антарктиді наші вчені широко використовували змії для вивчення атмосфери до висоти приблизно 1000 м.

В даний час повітряні змії не те, щоб не забуті, вони живуть повноцінним, активним життям. Повітряні змії допомагають метеорологам у вивченні верхніх шарів атмосфери. На змії можна зміцнити не тільки барометр і термометр, а й фото- і відеоапаратуру, згодом використовуючи отримані дані для топографічних карт. Використання повітряного змія в таких цілях значно вигідніше, простіше і дешевше, ніж залучати важку льотну техніку. Також радіоаматори як і 100 років тому, так і зараз використовують повітряного змія для отримання стійкого сигналу.

У повітряного змія є і своє свято. Щорічно у другу неділю жовтня в усьому світі відзначається Всесвітній день повітряного змія.

Чому і як літає повітряний змій?

Повітряний змій належить до літальних апаратів, важчих за повітря. Чому ж змій піднімається і що утримує його на висоті? Основна умова для цього - рух повітря відносно змія. Швидкість і напрямок вітру постійно змінюються. Не тільки гори, але і вдома, мости, будівлі, дерева відхиляють вітер біля поверхні землі від його горизонтального напрямку. Так як же злітає повітряний змій? Відповісти на це питання допоможе спрощений креслення. Нехай лінія АВ зображує розріз плоского змія, а - кут до набігаючого потоку вітру. Розглянемо, які сили діють на змій в польоті. На зльоті щільна маса повітря перешкоджає руху змія, тобто надає на нього деякий тиск. Позначимо силу тиску F1. Тепер побудуємо паралелограм сил і розкладемо силу F1 на дві составляющіе- F2 і F3. Сила F2 штовхає змій на нас, а це значить, що при підйомі вона знижує його первісну горизонтальну швидкість. Отже, це сила опору. Інша сила F3 захоплює змій вгору, це підйомна сила.

Піднімаючи змій в повітря, ми як би штучно збільшуємо силу тиску F1 на поверхню змія. Але сила F1, як ми вже знаємо, розкладається на дві складові: F2 і F3. Маса моделі постійна, а дії сили F2 перешкоджає леер. Значить, збільшується підйомна сила-змій злітає. Відомо, що швидкість вітру з висотою зростає, адже чим вище від землі, тим менше предметів, які перешкоджали б його руху. Ось чому при запуску намагаються підняти змій на таку висоту, де вітер міг би його підтримати.

Види повітряних зміїв

Всі повітряні змії можна розділити на дві основні групи: некеровані і керовані.

До некерованим відносяться звичні всім повітряні змії, які, будучи підняті в небо, знаходяться там приблизно в одній і тій же точці, і вплив на переміщення яких, може надати тільки потік, що набігає повітря.

Найпростіші некеровані змеі- плоскі. Родоначальники всіх повітряних зміїв, вони мають плоским каркасом. Стабілізація досягається за рахунок форми змія, повітряних потоків в вітрилі, хвостів. Як приклад можна привести російський змій, індійський змій, змій "зірка", змій з дельтакрилом.

Вигнуті повітряні змії мають поперечний вигин в конструкції, який дозволяє їм бути більш стійкими в порівнянні з плоскими зміями, позбавляє від необхідності використовувати для стабілізації хвіст, отже покращує вітрової діапазон змія. Вигин в конструкції досягається або за рахунок спеціально вигнутого з'єднувального елемента, або за рахунок натягування поперечних елементів каркаса на зразок цибулі.

Познайомившись з конструкціями плоских зміїв ми дізналися, що ні довжина, ні ширина більшості плоских зміїв не перевищують 1 м. Чому так? Щоб відповісти на це питання, треба розглянути два важливі параметри: підйомну силу і міцність змія. Плоский змій з великим розмахом крил зробити важко, істотно не збільшуючи міцність його елементів. Але збільшення міцності призводить до збільшення ширини і товщини конструкційних елементів каркаса, що позначається на масі змія. Безмежно збільшувати масу можна-настає момент, коли вже підйомної сили недостатньо для зльоту змія. Винахідники спробували обійти це протиріччя. Так з'явилися коробчаті змії, міцність яких багато вище міцності плоских зміїв.

Коробчаті змії. Повітряні змії цієї групи мають просторовим каркасом, вони по-справжньому тривимірні, також за рахунок каркаса ще більше зростає стійкість, а збільшення робочих площин тягне за собою збільшення підйомної сили. Добре всім відомі такі повітряні змії, названі по імені їх конструкторів, як змій Хараграва, змій Поттера.

Нежорсткі змії. Це гібридна група зміїв, основна відмінність якої полягає в тому, що форма приймається за рахунок набігаючого потоку повітря. При цьому в конструкції все-таки застосовуються окремі жорсткі і напівжорсткі елементи каркаса.

Безкаркасні змії. Форма, яка приймається за рахунок проникаючого всередину змія повітря, і повна відсутність каркаса як такого - відмінні ознаки цієї групи. Головними перевагою є повна свобода в розмірах і формі повітряного змія, малу вагу.

До керованих повітряним зміям відносяться змії, польотом яких можна управляти за рахунок наявності двох і більше строп.

Двостропні. Повітряні, так звані спортивні або пілотажні, змії зазвичай трикутної (дельтавидной) форми з двома стропами, по одній в кожну руку. За рахунок строп можна керувати напрямком польоту цього змія. Крім того за рахунок конструкції повітряний змій здатний здійснювати маневри не тільки в двох площинах щодо пілота, але і в третій площині.

Чотиристропні. Чотири стропи, прикріплені до двох ручок, дозволяють повністю контролювати кут атаки цих повітряних зміїв. Під управлінням пілота змій здатний летіти в будь-якому напрямку, обертатися і зупинятися в будь-якій точці вітрового вікна.

Безкаркасні. У цій категорії керованих зміїв знаходяться змії, призначені для буксирування, вони можуть бути дво- і четирёхстропнимі. Форму парус приймає як за рахунок набігаючого потоку, так і за рахунок каркаса, сформованого стисненим повітрям. Основне призначення - буксирування людини.

Ми розглянули основні типи повітряних зміїв, але є змії, які по конструкції і застосовуваних матеріалів відрізняються від них. Розглянемо деякі з них.

Змії за принципом АВП. Відомо, що апарати на повітряній подушці (АВП) піднімають завдяки різниці тисків: під днищем тиск завжди більше, ніж зверху. А стійкість апарату створюється спеціальним пристроєм, рівномірно розподіляє потік газу по всьому периметру. За таким принципом можуть літати і змії.

Змей- парашут. Повітряний потік вдаряє в злегка нахилений купол парашута і піднімає його вгору. Для стабілізації польоту до змею- парашута прикріплюють хвіст, а в центрі під куполом закріплена телескопічна трубка. Вона служить одночасно і жорстким каркасом, і регулятором положення центра ваги моделі.

Змей- диск. Форма такого змія надає непогану стійкість у польоті. Модель дуже схожа на два невисоких конуса, складених разом. Конструкція доповнена кілем, а також невеликим грузиком, зміщується центр ваги вниз і таким чином збільшує стійкість апарату, і отвором в нижній частині обшивки. Цей отвір дозволяє використовувати ті перепади тиску, які створюються при сильних поривах вітру.

Змеі- вертушки. Вертушки, обертаючись під дією набігаючого потоку повітря створюють не тільки поверхню, що грає ту ж роллю що і площину коробчатого або плоского змія, а й завдяки куту атаки з їх допомогою створюється додаткова підйомна сила. Це дозволяє при інших рівних умовах робити зміїв менших розмірів.

Змей- вертоліт. У місті буває важко знайти велику відкриту площадку, де можна було б вільно розбігтися з повітряним змієм. Змей- вертоліт не вимагає багато місця для свого запуску, і негода йому не перешкода.

Змії з дифузорами. Змій такого типу ми вирішили побудувати і випробувати. Конструкція такого змія дуже проста. Дві рейки з'єднані між собою у центрі навхрест і пов'язані з обох боків міцною ниткою. Обшивкою змія служить не продувається плащова тканина, на яку прикріплено дифузор з цієї ж тканини (фото 1). Ми запустили наш змій на шкільному стадіоні. (Фото 2). Що рухається по дифузору з дедалі більшою швидкістю повітря, збільшує швидкість змія, а ще, що більш істотно, надає йому додаткову стійкість в польоті (фото 3,4,5).

фото 1 фото 2

фото 3 фото 4 фото 5

висновки

На підставі проведених мною досліджень я прийшов до наступних висновків:

1 Повітряний змій має багатовікову історію. Їх будували з різних матеріалів і надавали їм різні форми.

2 Застосування і використання повітряного змія була дуже різноманітна: у військових діях, обрядах, побуті, а також для вивчення фізичних явищ. Ну і звичайно, його завжди використовували як дитячу іграшку.

3 В наші дні змій не використовують для оборонного значення і в наукових дослідженнях його роль не дуже значна, але для людей, зацікавлених в аеронавтики, він допомагає зрозуміти основні принципи польоту всіх літальних апаратів.

Тому можна з упевненістю стверджувати, що така дитяча забава, як повітряний змій, є, перш за все, прикладом практичної аеронавтики.

Список використаної літератури

1. Єрмаков А.М. Найпростіші авіамоделі: Книга для учнів 5-8 класів. - М .: Просвещение, 1984. - 160 с .: іл.

2. Заворотом В.А. Від ідеї до моделі: Книга для учнів 4-8 класів.- М., Просвітництво, 1988.- 160 с .: іл. - (Зроби сам).

3. Перельман Я. І. Цікава фізика. Книга первая.-М .: Наука, 1976. - 224с.: Ил.

4. prokite.ru/kites/tipyi-vozdushnyih-zmeev/

5. www.kite.ru/news/kitestaff/the-kite-story.php