Домой Нужно знать Исследование модельных свойств различных моделей бумажных самолетов. Зарипова Рузиля. "Бумажный самолетик – детская забава и научные исследования". самолетов из разных материалов и проведение

Нужно знать

Исследование модельных свойств различных моделей бумажных самолетов. Зарипова Рузиля. "Бумажный самолетик – детская забава и научные исследования". самолетов из разных материалов и проведение

Для того, чтобы сделать самолетик из бумаги, потребуется прямоугольный бумажный лист, который может быть как белым, так и цветным. По желанию можно использовать тетрадную, ксероксную, газетную или любую другую бумагу, которая имеется в наличии.

Плотность основы для будущего самолета лучше выбирать ближе к средней, чтобы он далеко летал и при этом его было не слишком трудно складывать (на слишком плотной бумаге обычно сложно фиксировать сгибы и они получаются неровными).

Складываем самую простую фигурку самолета

Начинающим любителям оригами лучше начать с самой простой, знакомой всем с детства модели самолетика:

Для тех, кому не удалось сложить самолет по инструкции, приводим видео мастер-класс:

Если этот вариант надоел еще в школе и вы хотите расширить свои навыки бумажного самолетостроения, расскажем как поэтапно выполнить две несложные вариации предыдущей модели.

Самолет-дальнобойщик

Пошаговая фото-инструкция

Складываем прямоугольный лист бумаги пополам по большей стороне. Загибаем два верхних угла к середине листа. Отворачиваем получившийся угол «долиной», то есть на себя.

Загибаем углы образовавшегося прямоугольника к середине таким образом, чтобы выглядывал небольшой треугольник посередине листа.

Отгибаем маленький треугольник кверху - он будет фиксировать крылья будущего самолета.

Складываем фигуру по оси симметрии, учитывая, что маленький треугольник должен остаться снаружи.

Загибаем крылья с обоих боков к основе.

Выставляем под углом 90 градусов оба крыла самолета, чтобы далеко летал.

Таким образом, не потратив много времени, получаем далеколетный самолетик!

Схема складывания

Складываем бумажный прямоугольный лист вдоль его большей стороны пополам.

Загибаем два верхних угла к середине листа.

Заворачиваем «долиной» углы по пунктирной линии. В технике оригами «долиной» называется выполнение сгиба участка листа по определенной линии в направлении «на себя».

Складываем получившуюся фигуру по оси симметрии таким образом, чтобы уголки оказались снаружи. Обязательно проследите за тем, чтобы контуры обоих половинок будущего самолетика совпали. От этого зависит, как он будет в дальнейшем летать.

Загибаем крылья по обоим бокам самолета, как показано на рисунке.

Убедитесь, что угол между крылом самолета и его фюзеляжем составляет 90 градусов.

Получился вот такой быстрый самолетик!

Как сделать так, чтобы самолетик далеко летал?

Хотите научиться правильно запускать бумажный самолет, который вы только сделали своими руками? Тогда внимательно ознакомьтесь с правилами его управления:

Если все правила соблюдаются, но модель все равно летает не так, как хотелось бы, попробуйте усовершенствовать ее следующим образом:

Если самолет постоянно норовит резко взмыть вверх, а затем, совершая мертвую петлю, резко уходит вниз, врезаясь носом в землю, ему требуется апгрейд в виде увеличения плотности (веса) носовой части. Это можно сделать немного загнув нос бумажной модели вовнутрь, как показано на картинке, или прикрепив нему снизу канцелярскую скрепку.
В случае, если при полете модель летит не прямо, как нужно, а в сторону, оснастите ее рулем поворота, загнув часть крыла по линии, изображенной на рисунке.
Если самолетик уходит в штопор, ему срочно необходим хвост. Вооружившись ножницами, сделайте ему быстрый и функциональный апгрейд.
А вот если, модель во время испытаний заваливается набок, скорее всего причиной неудачи служит отсутствие стабилизаторов. Чтобы добавить их к конструкции, достаточно загнуть крылья самолета по краям по указанным пунктиром линиям.

Также предлагаем вашему вниманию видео инструкцию по изготовлению и испытанию интересной модели самолета, который способен не только далеко, но и невероятно долго летать:

Теперь, когда вы уверены в своих силах и уже набили руку на складывании и запуске простых самолетиков, предлагаем инструкции, которые расскажут вам, как сделать самолет из бумаги более сложной модели.

Самолет-невидимка F-117 («Ночной ястреб»)

Самолет-бомбовоз

Схема выполнения

Берем прямоугольный листок бумаги. Верхнюю часть прямоугольника складываем двойным треугольником: для этого отгибаем правый верхний угол прямоугольника таким образом, чтобы его верхняя сторона совпала с левой боковой стороной.
Затем по аналогии загибаем левый угол, совмещая верхнюю часть прямоугольника с его правой боковой стороной.
Через точку пересечения полученных линий выполняем сгиб, который в итоге должен быть параллелен меньшей стороне прямоугольника.
По этой линии складываем внутрь получившиеся боковые треугольники. Должна получиться фигура, показанная на рисунке 2. Намечаем линию посередине листа в нижней части по аналогии с рисунком 1.

Обозначаем линию, параллельную основанию треугольника.

Переворачиваем фигуру на обратную сторону и отгибаем угол по направлению «на себя». Должна получиться следующая бумажная конструкция:

Снова перекладываем фигуру на другую сторону и загибаем два уголка вверх, предварительно согнув верхнюю часть вдвое.

Переворачиваем фигуру обратно и отгибаем угол вверх.

Сворачиваем левый и правый углы, обведенные на рисунке кружком, в соответствии с картинкой 7. Такая схема позволит добиться правильного изгиба угла.

Загибаем угол от себя и складываем фигуру по средней линии.

Заводим края вовнутрь, вновь складываем фигуру пополам, а потом на себя.

В конечном итоге, у вас получится вот такая бумажная игрушка - самолет-бомбовоз!

Бомбардировщик СУ-35

Истребитель «Остроносый ястреб»

Пошаговая схема выполнения

Берем листик бумаги прямоугольной формы, сгибаем его пополам вдоль большей стороны и намечаем середину.

Отгибаем по направлению «на себя» два угла прямоугольника.

Сгибаем углы фигуры по пунктирной линии.

Складываем фигуру поперек таким образом, чтобы острый угол оказался на середине противоположной стороны.

Переворачиваем полученную фигуру на обратную сторону и формируем две складки, как показано на рисунке. Очень важно, чтобы складки были сложены не к средней линии, а под небольшим углом к ней.

Получившийся угол сгибаем на себя и одновременно отворачиваем вперед угол, который после всех манипуляций будет находиться на обратной стороне макета. Должна получиться фигура, как показано на рисунке ниже.

Загибаем фигуру пополам от себя.

Опускаем крылья самолетика по пунктирной линии.

Подгибаем немного концы крыльев для получения так называемых винглетов. Затем расправляем крылья так, чтобы они образовали с фюзеляжем прямой угол.

Бумажный истребитель готов!

Истребитель «Планирующий ястреб»

Инструкция по изготовлению:

Берем прямоугольный листок бумаги и намечаем середину, сложив его пополам вдоль большей стороны.

Загибаем внутрь к середине два верхних угла прямоугольника.

Переворачиваем лист на обратную сторону и загибаем складки по направлению «на себя» к центральной линии. Очень важно, чтобы верхние углы при этом не перегибались. Должна получиться вот такая фигурка.

Сворачиваем верхнюю часть квадрата по диагонали к себе.

Получившуюся фигуру складываем пополам.

Намечаем складочку также, как показано на рисунке.

Заправляем внутрь прямоугольную часть фюзеляжа будущего самолетика.

Отгибаем крылышки вниз по линии пунктира под прямым углом.

Получился вот такой бумажный самолетик! Осталось посмотреть, как он летает.

Истребитель F-15 Eagle

Самолет «Конкорд»

Следуя приведенным фото- и видео-инструкциям вы сможете своими руками за несколько минут сделать самолет из бумаги, игра с которым станет приятным и занимательным времяпрепровождением для вас и ваших детей!

Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.

(Н. Е. Жуковский)

Почему и как летает самолет Почему могут летать птицы несмотря на то что они тяжелее воздуха? Какие силы поднимают огромный пассажирский самолет, который может летать быстрее, выше и дальше любой птицы, ведь крылья его неподвижны? Почему планер, не имеющий мотора, может парить в воздухе? На все эти и многие другие вопросы дает ответ аэродинамика - наука, изучающая законы взаимодействия воздуха с движущимися в нем телами.

В развитии аэродинамики у нас в стране выдающуюся роль сыграл профессор Николай Егорович Жуковский (1847 -1921) - «отец русской авиации», как назвал его В. И. Ленин. Заслуга Жуковского состоит в том, что он первый объяснил образование подъемной силы крыла и сформулировал теорему для вычисления этой силы. Жуковский не только открыл законы, лежащие в основе теории полета, но и подготовил почву для бурного развития авиации в нашей стране.

При полёте на любой самолёт действуют четыре силы , сочетание которых не даёт ему упасть:

Сила тяжести - постоянная сила, которая притягивает самолёт к земле.

Сила тяги , которая исходит от двигателя и двигает самолёт вперёд.

Сила сопротивления , противоположная силе тяги и вызывается трением, замедляя самолёт и уменьшая подъёмную силу крыльев.

Подъёмная сила , которая образуется тогда, когда воздух, движущийся над крылом, создаёт пониженное давление. Подчиняясь законам аэродинамики, поднимаются в воздух все летательные аппараты, начиная с легких спортивных самолетов

Все самолёты на первый взгляд очень похожи, но если присмотреться, то можно найти в них отличия. Они могут отличаться крыльями, хвостовым опереньем, строением фюзеляжа. От этого зависит их скорость, высота полёта, и прочие манёвры. И у каждого самолёта только своя пара крыльев.

Чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость. От взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт. Дело остается за малым: сделать подходящее крыло и суметь разогнать его до необходимой скорости.

Наблюдательные люди очень давно заметили, что у птиц крылья не плоские. Рассмотрим 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. Сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу. Известно, что с увеличением скорости давление в потоке газа падает. Вот и здесь 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.

Как летит настоящий самолет?

Настоящее крыло самолета имеет каплевидную форму, за счет этого воздух, проходящий сверху крыла, двигается быстрее по сравнению с воздухом, проходящим внизу крыла. Эта разница в воздушных потоках создает подъемную силу и самолет летит.

А основополагающая идея здесь такова: воздушный поток разрезается надвое передней кромкой крыла, и часть его обтекает крыло вдоль верхней поверхности, а вторая часть - вдоль нижней. Чтобы двум потокам сомкнуться за задней кромкой крыла, не образуя вакуума, воздух, обтекающий верхнюю поверхность крыла, должен двигаться быстрее относительно самолета, чем воздух, обтекающий нижнюю поверхность, поскольку ему нужно преодолеть большее расстояние.

Низкое давление сверху втягивает крыло на себя, а более высокое снизу подталкивает его вверх. Крыло поднимается. И если подъемная сила превышает вес самолета, то и сам самолет зависает в воздухе.

У бумажных самолётов нет профильных крыльев, так как же они летают? Подъёмную силу создаёт угол атаки их плоских крыльев. Даже в случае плоских крыльев можно заметить, что воздух, движущийся над крылом проходит немного больший путь (и движется быстрее). Подъёмную силу создаёт то же самое давление, что и у профильных крыльев, но, конечно, эта разница в давлении не столь велика.

Угол атаки самолета - угол между направлением скорости набегающего на тело потока воздуха и характерным продольным направлением, выбранным на теле, например у самолета это будет хорда крыла, - продольная строительная ось, у снаряда или ракеты - их ось симметрии.

Прямое крыло

Достоинством прямого крыла является его высокий коэффициент подъемной силы это позволяет существенно увеличивать удельную нагрузку на крыло, а значит, уменьшать габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлета и посадки.

Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при сверхзвуковых скоростях полета, является резкое увеличение лобового сопротивления самолета

Треугольное крыло

Треугольное крыло жёстче и легче прямого и чаще всего используется при сверхзвуковых скоростях. Применение треугольного крыла определяется главным образом прочностными и конструктивными соображениями. Недостатками треугольного крыла являются возникновение и развитие волнового кризиса.

ВЫВОД

Если при моделировании изменять форму крыла и носа бумажного самолетика, то может измениться дальность и продолжительность его полета

Крылья бумажного самолета - плоские. Чтобы обеспечить разницу в воздушных потоках сверху и снизу крыла (чтобы образовалась подъемная сила) оно должно быть наклонено на определенный угод (угол атаки).

Самолеты для максимально длительных полетов не отличаются жесткостью, зато имеют большой размах крыльев, хорошо сбалансированы.

ФИЗИКА БУМАЖНОГО САМОЛЕТИКА.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ЗНАНИЯ. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА.

1. Введение. Цель работы. Общие закономерности развития области знаний. Выбор объекта исследования. Mind map.
2. Элементарная физика полета планера (БС). Система уравнений сил.

9. Фотографии аэродинамической Обзор характеристик трубы, аэродинамические весы.
10. Результаты экспериментов.
12. Некоторые результаты по визуализации вихрей.
13. Связь параметров и конструктивных решений. Сравнение приведенных к прямоугольному крылу вариантов. Положение аэродинамического центра и цетра тяжести и характеристик моделей.
14. Энергетически эффективное планирование. Стабилизация полета. Тактика мирового рекорда для продолжительности полета.

18. Заключение.
19. Список литературы.

1. Введение. Цель работы. Общие закономерности развития области знаний. Выбор объекта исследований. Mind map.

Развитие современной физики, прежде всего в экспериментальной ее части, а особенно - в прикладных областях, происходит по ярко выраженной иерархической схеме. Это вызвано необходимостью в дополнительной концентрации ресурсов, необходимых для достижения результатов, начиная от материального обеспечения экспериментов, до распределения работ между специализированными научными институтами. Независимо, осуществляется ли это от лица государства, коммерческих структур или даже энтузиастов, но планирование развития области знаний, менеджмент научных исследований - это современная реальность.
Цель данной работы - это не только постановка локального эксперимента, но и попытка иллюстрации современной технологии научной организации на простейшем уровне.
Первые размышления, предшествующие собственно работе, обычно фиксируются в свободной форме, исторически это происходит на салфетках. Однако в современной науке подобная форма изложения называется mind mapping - дословно “схема мышления”. Она представляет собой схему, в которую в виде геометрических фигур вписывается все. что может относиться к рассматриваемому вопросу. Эти понятия соединяются стрелками, указывающие на логические связи. На первых порах такая схема может содержать совершенно различные и неравные понятия, которые сложно объединить в классический план. Однако такая пестрота позволяет найти место для случайных догадок и несистематизированной информации.
В качестве объекта исследований был выбран бумажный самолетик - вещь, знакомая каждому с детства. Предполагалось, что постановка ряда экспериментов и приложение понятий элементарной физики помогут объяснить особенности полета, а также, возможно, позволят сформулировать общие принципы конструирования.
Предварительный сбор информации показал, что область не так проста, как это казалось сначала. Большую помощь оказали исследования Кена Блэкберна, аэрокосмического инженера, обладателя четырех мировых рекордов (в том числе и действующего) на время планирования, которые он установил с самолетиками собственной конструкции.

Применительно к поставленной задаче mind map выглядит следующим образом:

Это базовая схема, представляющая предполагаемую структуру исследования.

2. Элементарная физика полета планера. Система уравнений для весов.

Планирование - частный случай снижения самолета без участия тяги, создаваемой двигателем. Для безмоторных летательных аппаратов - планеров, как частный случай - бумажных самолетиков, планирование является основным режимом полета.
Осуществляется планирование за счет уравновешивающих друг друга веса и аэродинамической силы, в свою очередь состоящей из подъемной силы и силы лобового сопротивления.
Векторная схема сил, действующих на самолет (планер) при полете выглядит следующим образом:

Условием прямолинейности планирования является равенство

Условие равномерности планирования - равенство

Таким образом для поддержания прямолинейного равномерного планирования требуется соблюдение обоих равенств, системы

Y=GcosA
Q=GsinA

3. Углубляясь в базовую теорию аэродинамики. Ламинарность и турбулентность. Число Рейнольдса.

Более детальное представление о полете дает современная аэродинамическая теория, базирующаяся на описании поведения разных видов потоков воздуха, в зависимости от характера взаимодействия молекул. Различают два основных вида потоков - ламинарный, когда частицы движутся по плавным и параллельным кривым, и турбулентный, когда они перемешиваются. Как правило, не существует ситуаций с идеально ламинарным или чисто турбулентным потоком, взаимодействие и тех и других и создает реальную картину работы крыла.
Если мы рассматриваем конкретный объект с конечными характеристиками - массой, геометрическими размерами, то свойства обтекания потоком на уровне молекулярного взаимодействия характеризуются числом Рейнольдса, которое дает относительное значение и обозначает отношение импульсов силы к вязкости жидкости. Чем больше число, тем меньше влияния вязкости.

Re= VLρ/η=VL/ν

V (скорость)
L (характеристика размера)
ν (коэф (плотность/ вязкость)) = 0,000014 м^2/с для воздуха при обычной температуре.

Для бумажного самолетика число Рейнольдса составляет около 37000.

Так как число Рейнольдса гораздо меньше, чем у настоящих самолетов, это значит, что вязкость воздуха играет куда более значительную роль, в результате чего возрастает сопротивление и уменьшается подъемная сила.

4. Как работают обычное и плоское крыло.

Плоское крыло с точки зрения элементарной физики представляет собой пластину, расположенную под углом к движущемуся потоку воздуха. Воздух “отбрасывается” под углом вниз, создавая противоположно направленную силу. Это и есть полная аэродинамическая сила, которая может быть представлена в виде двух сил - подъемной и лобового сопротивления. Такое взаимодействие легко объясняется на основе третьего закона Ньютона. Классический пример плоского крыла-отражателя - воздушный змей.

Поведение обычной (плоско-выпуклой) аэродинамической поверхности объясняется классической аэродинамикой как появление подъемной силы за счет разницы скоростей фрагментов потока и, соответственно, разницы давлений снизу и сверху крыла.

Плоское бумажное крыло в потоке создает вихревую зону сверху, которая является подобием выгнутого профиля. Он менее устойчив и эффективен, чем жесткая оболочка, но механизм работы тот же.

Рисунок взят из источника (См. список литературы). На нем видно формирование аэродинамического профиля за счет турбулентности на верхней поверхности крыла. Существует и понятие переходного слоя, в котором турбулентный поток переходит в ламинарный за счет взаимодействия слоев воздуха. Над крылом бумажного самолетика он составляет до 1 сантиметра.

5. Обзор трех конструкций самолетов

Для эксперимента были выбраны три разные конструкции бумажных самолетов, обладающих разными характеристиками.

Модель №1. Самая распространенная и общеизвестная конструкция. Как правило, большинство представляет себе именно ее, когда слышит выражение “бумажный самолет”.

Модель №2. “Стрела”, или “Копье”. Характерная модель с острым углом крыла и предполагаемой высокой скоростью.

Модель №3. Модель с крылом большого удлинения. Особенная конструкция, собирается по широкой стороне листа. Предполагается, что она обладает хорошими аэродинамическими данными из-за крыла большого удлинения.

Все самолеты собирались из одинаковых листов бумаги с удельным весом 80 грамм/м^2 формата А4. Масса каждого самолета - 5 грамм.

6. Наборы характеристик, почему они.

Для получения характерных параметров для каждой конструкции нужно собственно определить эти параметры. Масса всех самолетов одинакова - 5 грамм. Можно достаточно просто измерить скорость планирования для каждой конструкции и угол. Отношение разницы высот и соответствующей дальности даст нам аэродинамическое качество, по сути, тот же угол планирования.
Представляет интерес измерение подъемной силы и силы сопротивления на разных углах атаки крыла, характер их изменений на пограничных режимах. Это позволит охарактеризовать конструкции на основе численных параметров.
Отдельно можно проанализировать геометрические параметры бумажных самолетов - положение аэродинамического центра и центра тяжести для разных форм крыла.
Визуализацией потоков можно достичь наглядного изображения процессов происходящих в пограничных слоях воздуха вблизи аэродинамических поверхностей.

7. Предварительные эксперименты (камера). Полученные значения для скорости и аэродинамического качества.

Для определения базовых параметров был проделан простейший эксперимент - полет бумажного самолетика фиксировался видеокамерой на фоне стены с нанесенной метрической разметкой. Поскольку известен межкадровый интервал для видеосъемки (1/30 секунды), можно легко вычислить скорость планирования. По падению высоты на соответствующих кадрах находятся угол планирования и аэродинамическое качество самолета.

В среднем, скорость самолетика - 5-6 м/с, что не так у ж и мало.
Аэродинамическое качество - порядка 8.

8. Требования к эксперименту, Инженерное задание.

Чтобы воссоздать условия полета, нам нужен ламинарный поток со скоростью до 8 м/с и возможность измерить подъемную силу и сопротивление. Классический способ аэродинамических исследований - аэродинамическая труба. В нашем случае ситуация упрощается тем, что сам самолетик имеет небольшие размеры и скорость и может быть непосредственно помещен в трубу ограниченных размеров.
Следовательно, нам не мешает ситуация, когда продуваемая модель существенно отличается по габаритам от оригинала, что, в силу различия чисел Рейнольдса, требует компенсации при измерениях.
При сечении трубы 300x200 мм и скорости потока - до 8 м/с нам понадобится вентилятор с производительностью не менее 1000 куб.м/час. Для изменения скорости потока необходим регулятор скорости двигателя, а для измерения - анемометр с соответствующей точностью. Измеритель скорости не обязательно должен быть цифровым, вполне реально обойтись отклоняемой пластиной с градуировкой по углу или жидкостным анемометром, который имеет большую точность.

Аэродинамическую труба известна достаточно давно, ее применял в исследованиях еще Можайский, а Циолковский и Жуковский уже детально разработали современную технику эксперимента, которая принципиально не изменилась.
Для измерения силы сопротивления и подъемной силы применяются аэродинамические весы, позволяющие определить усилия в нескольких направлениях (в нашем случае - в двух).

9. Фотографии аэродинамической трубы. Обзор характеристик трубы, аэродинамические весы.

Настольная аэродинамическая труба была реализована на основе достаточно мощного промышленного вентилятора. За вентилятором расположены взаимно перпендикулярные пластины, спрямляющие поток перед попаданием в измерительную камеру. Окна в измерительной камеры снабжены стеклами. В нижней стенке прорезано прямоугольное отверстие для держателей. Непосредственно в измерительной камере установлена крыльчатка цифрового анемометра для измерения скорости потока. Труба имеет небольшое сужение на выходе для “подпора” потока, позволяющее снизить турбулентность ценой уменьшения скорости. Частота вращения вентилятора регулируется простейшим бытовым электронным регулятором.

Характеристики трубы оказались хуже расчетных, главным образом из-за несоответствия производительности вентилятора паспортным характеристикам. Подпор потока тоже снизил скорость в зоне измерений на 0.5 м/с. В результате максимальная скорость - чуть выше 5 м/с, что, тем не менее, оказалось достаточным.

Число Рейнольдса для трубы:

Re = VLρ/η = VL/ν

V (скорость) = 5м/c
L (характеристика)= 250мм = 0,25м
ν (коэф (плотность/ вязскость)) = 0,000014 м2/с

Re = 1,25/ 0,000014 = 89285,7143

Измерения показали, что точность вполне достаточна для базовых режимов. Однако, было сложно фиксировать угол, поэтому лучше разработать соответствующую схему крепления с разметкой.

10. Результаты экспериментов.

При продувке моделей измерялись два основных параметра - сила сопротивления и подъемная сила в зависимости от скорости потока при заданном угле. Было построено семейство характеристик с достаточно реалистичными значениями, позволяющие описать поведение каждого самолета. Результаты сведены в графики с дальнейшим нормированием масштаба относительно скорости.

11. Соотношения кривых для трех моделей.

Модель №2.
Модель с наихудшими летными характеристиками. Большая стреловидность и короткие крылья призваны лучше работать на высоких скоростях, что и происходит, но подъемная сила растет недостаточно и самолет действительно летит как копье. Кроме того, он не стабилизируется в полете должным образом.

Модель №3.
Представитель “инженерной” школы - модель задумывалась со специальными характеристиками. Крылья большого удлинения действительно работают лучше, но сопротивление растет очень быстро - самолет летает медленно и не терпит ускорений. Для компенсации недостаточной жесткости бумаги используются многочисленные складки в носке крыла, что тоже увеличивает сопротивление. Тем не менее, модель очень показательна и летает хорошо.

12. Некоторые результаты по визуализации вихрей

Если внести в поток источник дыма, то можно увидеть и сфотографировать потоки, огибающие крыло. В нашем распоряжении не было специальных генераторов дыма, мы использовали палочки благовоний. Для увеличения контраста использовался специальный фильтр для обработки фотографий. Скорость потока также уменьшалась, поскольку плотность дыма была невысока.

Формирование потока на передней кромке крыла.

Турбулентный “хвост”.

Также потоки можно исследовать с помощью коротких нитей, приклеиваемых на крыло, либо тонким щупом с ниткой на конце.

13. Связь параметров и конструктивных решений. Сравнение приведенных к прямоугольному крылу вариантов. Положение аэродинамического центра и центра тяжести и характеристик моделей.

Уже отмечалось, что бумага как материал имеет много ограничений. Для малых скоростей полета длинные узкие крылья имеют лучшее качество. Не случайно реальные планеры, особенно рекордсмены, тоже имеют такие крылья. Однако для бумажных самолетов существуют технологические ограничения и их крылья не похожи на оптимальные.
Для анализа взаимосвязи геометрии моделей и их летных характеристик необходимо привести сложную форму к прямоугольному аналогу методом переноса площадей. Лучше всего с этим справляются компьютерные программы, позволяющие представить разные модели в универсальном виде. После преобразований описание сведется к базовым параметрам - размах, длина хорды, аэродинамический центр.

Взаимная связь этих величин и центра масс позволит зафиксировать характерные значения для различных типов поведения. Эти расчеты выходят за рамки данной работы, но могут быть легко проделаны. Однако можно принять, что центр тяжести для бумажного самолета с прямоугольными крыльями находится на расстоянии один к четырем от носа к хвосту, для самолета с крыльями “дельта” - на одной второй (так называемая нейтральная точка).

14. Энергетически эффективное планирование. Стабилизация полета.
Тактика мирового рекорда для времени продолжительности полета.

Исходя из кривых для подъемной силы и силы сопротивления, можно найти энергетически выгодный режим полета с наименьшими потерями. Это безусловно важно для дальних лайнеров, но и в бумажной авиации может пригодиться. Немного модернизируя самолетик (отгиб кромок, перераспределение веса) можно добиться лучших характеристик полета или наоборот, перевести полет в критический режим.
Вообще говоря, бумажные самолеты не меняют характеристики во время полета, потому они могут обойтись без специальных стабилизаторов. Хвост, создающий сопротивление позволяет сместит центр тяжести вперед. Прямолинейность полета сохраняется за счет вертикальной плоскости сгиба и за счет поперечного V крыльев.
Стабильность означает, что самолет, будучи отклоненным, стремится возвратиться в нейтральное положение. Смысл стабильности угла планирования в том, что самолет будет поддерживать одинаковую скорость. Чем стабильнее самолет, тем больше скорость, как у модели №2. Но, эту тенденцию необходимо ограничить - подъемная сила должна использоваться, поэтому лучшие бумажные самолеты, в большинстве, обладают нейтральной стабильностью, это лучшее сочетание качеств.
Однако не всегда установившиеся режимы - лучшие. Рекорд мира по продолжительности полета установлен с помощью очень специфической тактики. Во-первых, старт самолетика выполняется по вертикальной прямой, его просто забрасывают на максимальную высоту. Во-вторых, после стабилизации в верхней точке за счет взаимного расположения центра тяжести и эффективной площади крыла, самолетик должен сам перейти в нормальный полет. В-третьих, развесовка самолетика не нормальная - у него недогружена передняя часть, поэтому за счет большого сопротивления, которое не компенсирует вес, он очень быстро замедляется. При этом резко падает подъемная сила крыла, он клюет носом вниз и, падая, разгоняется рывком, но опять замедляется и зависает. Такие колебания (кабрирование) сглаживаются за счет инерции в точках замирания и в итоге общее время нахождения в воздухе больше нормального равномерного планирования.

15. Немного о синтезе конструкции с заданными характеристиками.

Предполагается, что определив главные параметры бумажного самолета, их взаимосвязь и тем самым завершив стадию анализа, можно перейти к задаче синтеза - на основе необходимых требований создать новую конструкцию. Эмпирически, любители во всем мире так и поступают, количество конструкций перевалило за 1000. Но окончательного численного выражения для такой работы не существует, как и не существует каких-то особых препятствий для совершения подобных исследований.

16. Практические аналогии. Белка-летяга. Винг-сьют.

Понятно, что бумажный самолетик - это в первую очередь просто источник радости и прекрасная иллюстрация для первого шага в небо. Сходный принцип парения на практике используют только белки-летяги, не имеющие большого народно-хозяйственного значения, по крайней мере, в нашей полосе.

Более практичным подобием бумажному самолету является “Wing suite” - костюм-крыло для парашютистов, позволяющий осуществлять горизонтальный полет. Кстати, аэродинамическое качество такого костюма меньше, чем у бумажного самолета - не больше 3-х.

17. Возврат к mind map. Уровень проработки. Образовавшиеся вопросы и варианты дальнейшего развития исследований.

С учетом проведенной работы мы можем нанести на mind map раскраску, индицирующую выполнение поставленных задач. Зелёным цветом здесь обозначены пункты, которые находятся на удовлетворительном уровне, светло-зеленым - вопросы, которые имеют некоторые ограничения, желтым - области затронутые, но не разработанные в должной мере, красным - перспективные, нуждающиеся в дополнительном исследовании.

18. Заключение.

В результате работы была изучена теоретическая база полета бумажных самолетов, спланированы и осуществлены эксперименты, позволившие определить численные параметры для разных конструкций и общие взаимосвязи между ними. Затронуты и сложные механизмы полета, с точки зрения современной аэродинамики.
Описаны основные параметры, влияющие на полет, даны комплексные рекомендации.
В общей части произведена попытка систематизации области знаний на основе mind map, намечены основные направления для дальнейших исследований.

19. Список литературы.

1. Paper plane aerodynamics [Электронный ресурс] / Ken Blackburn - режим доступа: http://www.paperplane.org/paero.htm , свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.

2. К Шютт. Введение в физику полета. Перевод Г.А. Вольперта с пятого немецкого издания. - М.: Объединенное научно-техническое издательство НКТП СССР. Редакция технико-теоретической литературы, 1938. - 208 с.

3. Стахурский А. Для умелых рук: Настольная аэродинамическая труба. Центральная станция юных техников имени Н.М. Шверника - М.: Министерство культуры СССР. Главное управление полиграфической промышленности, 13-я типография, 1956. - 8 с.

4. Мерзликин В. Радиоуправляемые модели планеров. - М,: Издательство ДОСААФ СССР, 1982. - 160 с.

5. А.Л. Стасенко. Физика полета. - М,: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1988, - 144 с.

Являясь отцом практически выпускницы средней школы, был втянут в смешную историю с неожиданным концом. В ней есть познавательная часть и трогательная жизненно–политическая.
Пост накануне дня космонавтики. Физика бумажного самолета.

Незадолго перед новым годом, дочь решила проконтролировать собственную успеваемость и узнала, что физичка при заполнении журнала задним числом, наставила каких–то лишних четверок и полугодовая оценка висит между "5" и "4". Тут надо понимать, что физика в 11 классе - предмет, мягко говоря, непрофильный, все заняты дрессурой для поступления и страшным ЕГЭ, но на общий балл она влияет. Скрипя сердце, из педагогических соображений мною было отказано во вмешательстве - типа разберись сама. Она подсобралась, пришла на выяснение, переписала прямо тут же какую–то самостоятельную и получила полугодовую пятерку. Все бы ничего, но учительница попросила в рамках решения вопроса зарегистрироваться на Поволжскую научную конференцию (Казанский университет) в секцию "физика" и написать какой–нибудь доклад. Участие ученика в этой шняге идет в зачет при ежегодной аттестации учителей, ну и типа "тогда уж точно год закроем". Учительницу можно понять, нормальная, в общем–то, договоренность.

Ребенок подзагрузился, пошел в оргкомитет, взял правила участия. Поскольку девочка довольно ответственная, стала размышлять и придумывать какую–нибудь тему. Естесственно, обратилась за советом ко мне - ближайшему техническому интеллегенту постсоветской эпохи. В интернете нашелся список победителей прошлых конференций (там дают дипломы трех степеней), это нас соориентировало, но не помогло. Доклады представляли собой две разновидности, одна - "нанофильтры в нефтяных инновациях", вторая - "фотографии кристаллов и электронный метроном". По мне, так вторая разновидность нормальна - дети должны резать жабу, а не втирать очки под правительственные гранты, но у нас идей особо не прибавилось. Пришлось руководствоваться правилами, что–то вроде "предпочтение отдается самостоятельным работам и экспериментам."

Решили, что будем делать какой–нибудь смешной доклад, наглядный и прикольный, без зауми и нанотехнологий - развеселим аудиторию, участия нам достаточно. Времени было месяца полтора. Копипаст был принципиально неприемлим. После некоторых размышлений, определились с темой - "Физика бумажного самолетика". Я в свое время провел детство в авиамоделизме, да и дочка любит самолеты, поэтому тема более–менее близкая. Предстояло сделать законченое практическое исследование физической направленности и, собственно, написать работу. Далее я буду постить тезисы этой работы, некоторые комментарии и иллюстрации/фото. В конце будет конец истории, что логично. Если будет интересно, отвечу на вопросы уже развернутыми фрагментами.

Оказалось, что у бумажного самолета есть хитрый срыв потока наверху крыла, который формирует изогнутую зону, похожую на полноценный аэродинамический профиль.

Для опытов взяли три разные модели.

Модель №1. Самая распространенная и общеизвестная конструкция. Как правило, большинство представляет себе именно ее, когда слышит выражение “бумажный самолет”.
Модель №2. “Стрела”, или “Копье”. Характерная модель с острым углом крыла и предполагаемой высокой скоростью.
Модель №3. Модель с крылом большого удлинения. Особенная конструкция, собирается по широкой стороне листа. Предполагается, что она обладает хорошими аэродинамическими данными из–за крыла большого удлинения.
Все самолеты собирались из одинаковых листов бумаги формата А4. Масса каждого самолета - 5 грамм.

Чтобы воссоздать условия полета, нам нужен ламинарный поток со скоростью до 8 м/с и возможность измерить подъемную силу и сопротивление. Классический способ таких исследований - аэродинамическая труба. В нашем случае ситуация упрощается тем, что сам самолетик имеет небольшие габариты и скорость и может быть непосредственно помещен в трубу ограниченных размеров.Следовательно, нам не мешает ситуация, когда продуваемая модель существенно отличается по габаритам от оригинала, что, в силу различия чисел Рейнольдса, требует компенсации при измерениях.
При сечении трубы 300x200 мм и скорости потока - до 8 м/с нам понадобится вентилятор с производительностью не менее 1000 куб.м/час. Для изменения скорости потока необходим регулятор скорости двигателя, а для измерения - анемометр с соответствующей точностью. Измеритель скорости не обязательно должен быть цифровым, вполне реально обойтись отклоняемой пластиной с градуировкой по углу или жидкостным анемометром, который имеет большую точность.

Характеристики трубы оказались хуже расчетных, главным образом из–за несоответствия производительности вентилятора паспортным характеристикам. Подпор потока тоже снизил скорость в зоне измерений на 0.5 м/с. В результате максимальная скорость - чуть выше 5 м/с, что, тем не менее, оказалось достаточным.

Число Рейнольдса для трубы:
Re = VLρ/η = VL/ν
V (скорость) = 5м/c
L (характеристика)= 250мм = 0,25м
ν (коэф (плотность/ вязскость)) = 0,000014 м^2/с
Re = 1,25/ 0,000014 = 89285,7143

Для измерений сил, действующих на самолет использовались элементарные аэродинамические весы с двумя степенями свободы на основе пары электронных ювелирных весов с точностью 0.01 грамм. Самолет фиксировался на двух стойках под нужным углом и устанавливался на платформу первых весов. Те, в свою очередь, размещались на подвижной площадке с рычажной передачей горизонтального усилия на вторые весы.
Измерения показали, что точность вполне достаточна для базовых режимов. Однако, было сложно фиксировать угол, поэтому лучше разработать соответствующую схему крепления с разметкой.

Модель №1.
Золотая середина. Конструкция максимально соответствует материалу - бумаге. Прочность крыльев соответствует длине, развесовка оптимальна, поэтому правильно сложенный самолет хорошо выравнивается и плавно летит. Именно сочетание таких качеств и легкость сборки сделало эту конструкцию такой популярной. Скорость меньше, чем у второй модели, но больше, чем у третьей. На больших скоростях уже начинает мешать широкий хвост, до этого прекрасно стабилизирующий модель.
Модель №2.
Модель с наихудшими летными характеристиками. Большая стреловидность и короткие крылья призваны лучше работать на высоких скоростях, что и происходит, но подъемная сила растет недостаточно и самолет действительно летит как копье. Кроме того, он не стабилизируется в полете должным образом.
Модель №3.
Представитель “инженерной” школы - модель специально задумывалась со специальными характеристиками. Крылья большого удлинения действительно работают лучше, но сопротивление растет очень быстро - самолет летает медленно и не терпит ускорений. Для компенсации недостаточной жесткости бумаги используются многочисленные складки в носке крыла, что тоже увеличивает сопротивление. Тем не менее, модель очень показательна и летает хорошо.

Некоторые результаты по визуализации вихрей
Если внести в поток источник дыма, то можно увидеть и сфотографировать потоки, огибающие крыло. В нашем распоряжении не было специальных генераторов дыма, мы использовали палочки благовоний. Для увеличения контраста использовался фильтр для обработки фотографий. Скорость потока также уменьшалась, поскольку плотность дыма была невысока.
Формирование потока на передней кромке крыла.

Турбулентный “хвост”.

Понятно, что бумажный самолетик - это в первую очередь просто источник радости и прекрасная иллюстрация для первого шага в небо. Сходный принцип парения на практике используют только белки–летяги, не имеющие большого народно–хозяйственного значения, по крайней мере, в нашей полосе.

Более практичным подобием бумажному самолету является “Wing suite” - костюм–крыло для парашютистов, позволяющий осуществлять горизонтальный полет. Кстати, аэродинамическое качество такого костюма меньше, чем у бумажного самолета - не больше 3–х.

Я придумал тему, план - на 70 процентов, редактирование теории, железяки, общее редактирование, план выступления.
Она - всю теорию собрала, вплоть до перевода статей, измерения (весьма трудоемкие, кстати), рисунки/графики, текст, литературу, презентацию, доклад (было много вопросов).

Я пропускаю раздел, где в общем виде рассматриваются задачи анализа и синтеза, позволяющие построить обратную последовательность - конструирование самолетика по заданным характеристикам.

С учетом проведенной работы мы можем нанести на mind map раскраску, индицирующую выполнение поставленных задач. Зелёным цветом здесь обозначены пункты, которые находятся на удовлетворительном уровне, светло–зеленым - вопросы, которые имеют некоторые ограничения, желтым - области затронутые, но не разработанные в должной мере, красным - перспективные, нуждающиеся в дополнительном исследовании (финансирование приветствуется).

Месяц пролетел незаметно - дочь копала интернет, гоняла трубу на столе. Весы косячили, самолетики сдувало мимо теории. На выходе получилось страниц 30 приличного текста с фотографиями и графиками. Работа была отправлена на заочный тур (всего несколько тысяч работ во всех секциях). Еще через месяц, о ужас, вывесили список очных докладов, где наш соседствовал с остальными нанокрокодилами. Ребенок горестно вздохнул и принялся лепить презентацию на 10 минут. Сразу исключили зачитывание - выступать, так живо и осмысленно. Перед мероприятием устроили прогон с хронометражом и протестами. Утром невыспавшаяся докладчица с правильным ощущением "ничего не помню и не знаю" попилила в КГУ.

К концу дня я начал волноваться, ни ответа - ни привета. Появилось такое шаткое состояние, когда не понимаешь - рискованная шутка удалась или нет. Не хотелось, чтобы подростку как–то вышла боком это история. Оказалось, что все затянулось и ее доклад пришелся аж на 4 вечера. Ребенок прислал смс - "все рассказала, жюри смеется". Ну, думаю, ладно, спасибо хоть не ругают. И еще через час примерно - "диплом первой степени". Вот это было совершенно неожиданно.

Мы думали о чем угодно, но на фоне совершенно дикого прессинга лоббированных тем и участников получить первый приз за хорошую, но неформатную работу - это что–то из совсем забытого времени. После уже она рассказала, что жюри (достаточно авторитетное, кстати, не меньше кфмн) молниеносно прибивало зомбированных нанотехнологов. Видать, все так наелись в научных кругах, что безоговорочно выставили негласный заслон мракобесию. Доходило до смешного - бедный ребенок зачитывал какие–то дикие научизмы, но не мог ответить в чем измерялся угол при его экспериментах. Влиятельные научные руководители слегка бледнели (но быстро восстанавливались), для меня загадка - зачем им было устраивать такое позорище, да еще и за счет детей. В итоге, все призовые места раздали славным ребятам с нормальными живыми глазами и хорошими темами. Второй диплом, например, получила девочка с моделью двигателя Стирлинга, которая бойко его запускала на кафедре, шустро меняла режимы и осмысленно комментировала всякие ситуации. Еще один диплом дали парню, который сидел на университетском телескопе и что–то там высматривал под руководством профессора, который однозначно не допускал никаких посторонних "помощей". В меня же эта история вселила некоторую надежду. В то, что есть воля обычных, нормальных людей к нормальному порядку вещей. Не привычка к предрешенной несправедливости, а готовность к усилиям по ее восстановлению.

На следующий день, на награждении, к призерам подошел председатель приемной коммисии и сказал, что все они досрочно зачислены на физфак КГУ. Если они захотят поступить, то просто должны принести документы вне конкурса. Эта льгота, кстати, реально существовала когда–то, но сейчас она официально отменена, также как отменены дополнительные преференции медалистам и олимпиадчикам (кроме, кажется, победителей российских олимпиад). То есть - это была чистая инициатива ученого совета. Понятно, что сейчас кризис абитуриентов и на физику не рвутся, с другой стороны - это один из самых нормальных факультетов с хорошим еще уровнем. Так, исправляя четверку, ребенок оказался в первой строке зачисленных. Уж как она этим распорядится - не представляю, узнаю - отпишу.

А потянула бы дочь такую работу одна?

Она тоже спрашивала - типа пап, я ведь не сама все сделала.
Моя версия такая. Ты все сделала сама, понимаешь что написано на каждой странице и ответишь на любой вопрос - да. Знаешь об области больше присутствующих тут и знакомых - да. Поняла общую технологию научного эксперимента от зарождения идеи до результата + побочные исследования - да. Проделала значительную работу - несомненно. Выдвинула эту работу на общих основаниях без протекции - да. Защитила - ок. Жюри квалифицированное - без сомнения. Тогда это твоя награда за конференцию школьников.

Я - инженер–акустик, небольшая инженерная компания, системотехнику в авиационном заканчивал, еще учился потом.

Как сделать бумажный самолетик - 13 моделей бумажных самолетов своими руками

Подробные схемы для изготовления разнообразных бумажных самолетов: от самых простых "школьных" самолетиков до технически модифицированных моделей.

Стандартная модель

Модель "Планер"

Модель "Усовершенствованный планер"

Модель "Скат"

Модель "Канары"

Модель "Дельта"

Модель "Шаттл"

Модель "Невидимка"

Модель "Таран"

Модель "Ястребиный глаз"

Модель "Башня"

Модель "Игла"

Модель "Коршун"

Интересные факты

В 1989 году Энди Чиплинг основал Ассоциацию Бумажного Авиастроения, а в 2006 году был проведён первый чемпионат по запуску бумажных самолетов. Соревнования проводятся в трёх дисциплинах: самая длинная дистанция, самое долгое планирование и аэробатика.

Многочисленные попытки увеличить время пребывания бумажного самолётика в воздухе время от времени приводят к взятию очередных барьеров в этом виде спорта. Кен Блэкберн (Ken Blackburn) удерживал мировой рекорд на протяжении 13 лет (1983—1996) и вновь получил его 8 октября 1998 года, бросив бумажный самолёт в помещении так, что он продержался в воздухе 27,6 секунды. Этот результат подтверждён представителями Книги рекордов Гиннесса и репортёрами CNN. Бумажный самолётик, использованный Блэкберном, можно отнести к категории планеров.