Quelles sont les conditions pour une planification à long terme d'un avion en papier. Des avions en papier qui volent très longtemps : schémas, descriptions et recommandations

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1 Travail de recherche Thème de travail Idéal avion en papier Complété par : Prokhorov Vitaly Andreevich, élève de 8e année de l'établissement d'enseignement municipal Smelovskaya Superviseur : Prokhorova Tatyana Vasilievna, professeur d'histoire et d'études sociales, établissement d'enseignement municipal Smelovskaya, 2016.

2 Sommaire Introduction L'avion idéal Composants du succès Deuxième loi de Newton lors du lancement d'un avion Forces agissant sur un avion en vol À propos de l'aile Lancement d'un avion Test d'avions Modèles d'avions Tests de portée de vol et de temps de plané Modèle d'avion idéal Résumons : modèle théorique Votre propre modèle et ses tests Conclusions Références Annexe 1. Schéma de l'influence des forces sur un avion en vol Annexe 2. Traînée Annexe 3. Aspect de l'aile Annexe 4. Balayage de l'aile Annexe 5. Corde aérodynamique moyenne de l'aile (MAC) Annexe 6. Forme de l'aile Annexe 7 Circulation de l'air autour de l'aile Annexe 8. Angle de décollage de l'avion Annexe 9. Modèles d'avions à expérimenter.

3 Introduction L'avion en papier (avion) ​​est un avion jouet en papier. Il s’agit probablement de la forme la plus courante d’aérogami, une branche de l’origami (l’art japonais du pliage du papier). En japonais, un tel avion est appelé 紙飛行機 (kami hikoki ; kami=papier, hikoki=avion). Malgré l'apparente frivolité de cette activité, il s'est avéré que piloter des avions est une science à part entière. Il est né en 1930, lorsque Jack Northrop, le fondateur de Lockheed Corporation, a utilisé des avions en papier pour tester de nouvelles idées dans la conception d'avions réels. Et des compétitions sportives de lancement d'avions en papier, les Red Bull Paper Wings, sont organisées au niveau mondial. Ils ont été inventés par le Britannique Andy Chipling. Pendant de nombreuses années, lui et ses amis ont créé des modèles en papier et, en 1989, il a fondé la Paper Aircraft Association. C'est lui qui a rédigé l'ensemble des règles de lancement des avions en papier, utilisées par les spécialistes du Livre Guinness des Records et qui sont devenues les décors officiels du championnat du monde. L'origami, et plus particulièrement l'aérogami, est depuis longtemps mon passe-temps. J'ai collectionné différents modèles d'avions en papier, mais certains d'entre eux volaient parfaitement, tandis que d'autres tombaient immédiatement. Pourquoi cela se produit-il, comment réaliser un modèle d'avion idéal (volant longtemps et loin) ? Alliant ma passion à mes connaissances en physique, j'ai commencé mes recherches. Objectif de l'étude : en appliquant les lois de la physique, créer un modèle d'avion idéal. Objectifs : 1. Étudier les lois fondamentales de la physique qui affectent le vol d'un avion. 2. Dérivez les règles pour créer un avion idéal. 3

4 3. Examiner les modèles d'avion déjà créés pour déterminer leur proximité avec le modèle théorique d'un avion idéal. 4. Créez votre propre modèle d'avion, proche du modèle théorique d'un avion idéal. 1. Avion idéal 1.1. Ingrédients du succès Tout d'abord, examinons la question de savoir comment fabriquer un bon avion en papier. Vous voyez, la fonction principale d’un avion est la capacité de voler. Comment fabriquer un avion avec les meilleures performances. Pour ce faire, passons d'abord aux observations : 1. L'avion vole plus vite et plus longtemps, plus le lancer est fort, sauf dans les cas où quelque chose (généralement un morceau de papier flottant dans le nez ou des ailes baissées pendantes) crée une résistance et ralentit. le mouvement vers l'avant de l'avion. 2. Même si nous essayons de lancer un morceau de papier, nous ne parviendrons pas à le lancer aussi loin qu'un petit caillou ayant le même poids. 3. Pour un avion en papier, les ailes longues sont inutiles, les ailes courtes sont plus efficaces. Les avions plus lourds ne volent pas loin 4. Un autre facteur clé à considérer est l'angle selon lequel l'avion avance. En nous tournant vers les lois de la physique, nous trouvons les raisons des phénomènes observés : 1. Les vols des avions en papier obéissent à la deuxième loi de Newton : la force (dans ce cas la portance) est égale au taux de variation de la quantité de mouvement. 2. Tout est question de traînée, une combinaison de résistance de l'air et de turbulence. La résistance de l'air causée par sa viscosité est proportionnelle à la section transversale de la partie frontale de l'avion, 4

5 en d’autres termes, dépend de la taille du nez de l’avion vu de face. La turbulence est le résultat de courants d’air vortex qui se forment autour d’un avion. Elle est proportionnelle à la surface de l'avion ; la forme profilée la réduit considérablement. 3. Les grandes ailes d'un avion en papier s'affaissent et ne peuvent pas résister aux effets de flexion de la portance, ce qui rend l'avion plus lourd et augmente la traînée. L'excès de poids empêche un avion de voler loin, et ce poids est généralement créé par les ailes, la portance la plus importante se produisant dans la zone de l'aile la plus proche de l'axe central de l'avion. Les ailes doivent donc être très courtes. 4. Au lancement, l'air doit frapper le dessous des ailes et être dévié vers le bas, offrant ainsi une portance adéquate à l'avion. Si l’avion n’est pas incliné par rapport à la direction du déplacement et que son nez n’est pas relevé, la portance ne se produit pas. Ci-dessous, nous examinerons les lois physiques fondamentales affectant l'avion, plus en détail la deuxième loi de Newton lors du lancement d'un avion. Nous savons que la vitesse d'un corps change sous l'influence d'une force qui lui est appliquée. Si plusieurs forces agissent sur un corps, alors la résultante de ces forces est trouvée, c'est-à-dire une certaine force totale totale qui a une certaine direction et une certaine valeur numérique. En fait, tous les cas de candidature diverses forcesà un moment donné peut être réduit à l’action d’une force résultante. Par conséquent, afin de déterminer comment la vitesse d’un corps a changé, nous devons savoir quelle force agit sur le corps. En fonction de l'ampleur et de la direction de la force, le corps recevra l'une ou l'autre accélération. Ceci est clairement visible au décollage de l’avion. Lorsque nous avons appliqué une petite force à l’avion, il n’a pas beaucoup accéléré. Quand est le pouvoir 5

Lorsque l'impact s'est accru, l'avion a acquis une accélération beaucoup plus importante. Autrement dit, l’accélération est directement proportionnelle à la force appliquée. Plus la force d’impact est grande, plus l’accélération acquise par le corps est importante. La masse d'un corps est également directement liée à l'accélération acquise par le corps sous l'influence de la force. Dans ce cas, la masse du corps est inversement proportionnelle à l’accélération qui en résulte. Plus la masse est grande, moins l’accélération sera importante. Sur la base de ce qui précède, nous arrivons à la conclusion qu'au lancement, l'avion obéit à la deuxième loi de Newton, qui s'exprime par la formule : a = F / m, où a est l'accélération, F est la force d'impact, m est la masse corporelle. La définition de la deuxième loi est la suivante : l'accélération acquise par un corps à la suite d'un impact sur lui est directement proportionnelle à la force ou aux forces résultantes de cet impact et inversement proportionnelle à la masse du corps. Ainsi, l’avion obéit initialement à la deuxième loi de Newton et la distance de vol dépend également de la force et de la masse initiales données de l’avion. Il en découle donc les premières règles pour créer un avion idéal : l'avion doit être léger, donner dans un premier temps à l'avion une plus grande force agissant sur l'avion en vol. Lorsqu'un avion vole, il est influencé par de nombreuses forces dues à la présence d'air, mais toutes peuvent être représentées sous la forme de quatre forces principales : la gravité, la portance, la force donnée au lancement et la résistance de l'air (traînée) (voir annexe 1). La force de gravité reste toujours constante. La force de portance s'oppose au poids de l'avion et peut être supérieure ou Moins de poids, en fonction de la quantité d’énergie dépensée pour avancer. La force définie au lancement est contrecarrée par la force de résistance de l’air (c’est-à-dire la traînée). 6

7 En vol rectiligne et horizontal, ces forces s'équilibrent mutuellement : la force spécifiée au lancement est égale à la force de résistance de l'air, la force de portance est égale au poids de l'avion. Dans aucun autre rapport de ces quatre forces principales, le vol rectiligne et horizontal n'est possible. Tout changement dans l’une de ces forces affectera le comportement en vol de l’avion. Si la portance créée par les ailes augmente par rapport à la force de gravité, alors l'avion s'élève. À l’inverse, une diminution de la portance par rapport à la gravité entraîne la descente de l’avion, c’est-à-dire sa perte d’altitude et sa chute. Si l’équilibre des forces n’est pas maintenu, l’avion pliera sa trajectoire de vol dans la direction de la force dominante. Arrêtons-nous plus en détail sur la traînée, comme l'un des facteurs importants de l'aérodynamique. La traînée est la force qui empêche le mouvement des corps dans les liquides et les gaz. La traînée se compose de deux types de forces : les forces de frottement tangentiel (tangentiel) dirigées le long de la surface du corps et les forces de pression dirigées vers la surface (Annexe 2). La force de traînée est toujours dirigée contre le vecteur vitesse du corps dans le milieu et, avec la force de levage, constitue une composante de la force aérodynamique totale. La force de traînée est généralement représentée comme la somme de deux composants : la traînée sans portance (traînée endommagée) et la traînée induite. La traînée nocive résulte de l'impact de la pression atmosphérique à grande vitesse sur les éléments structurels de l'avion (toutes les parties saillantes de l'avion créent une traînée nocive lors du déplacement dans les airs). De plus, à la jonction de l'aile et du « corps » de l'avion, ainsi qu'à la queue, des turbulences du flux d'air se produisent, ce qui crée également une traînée néfaste. Nocif 7

La traînée augmente comme le carré de l'accélération de l'avion (si vous doublez la vitesse, la traînée nocive quadruple). DANS l'aviation moderne les avions à grande vitesse, malgré les arêtes vives des ailes et la forme super profilée, subissent un échauffement important de la peau lorsqu'ils surmontent la force de traînée grâce à la puissance de leurs moteurs (par exemple, l'avion de reconnaissance à haute altitude le plus rapide au monde SR -71 Black Bird est protégé par un revêtement spécial résistant à la chaleur). Le deuxième composant de la traînée, la traînée induite, est un sous-produit de la portance. Cela se produit lorsque l’air s’écoule d’une zone à haute pression située devant l’aile vers un environnement raréfié derrière l’aile. L'effet particulier de la résistance inductive est perceptible à basse vitesse de vol, comme on l'observe dans les avions en papier ( Un bon exemple Ce phénomène peut être observé sur de vrais avions lors de l'atterrissage. L'avion lève le nez lors de l'atterrissage, les moteurs se mettent à ronronner plus intensément, augmentant la poussée). La traînée inductive, semblable à la traînée nocive, a un rapport de un à deux avec l'accélération de l'avion. Et maintenant un peu sur les turbulences. Dictionnaire L’Encyclopédie de l’Aviation en donne la définition : « La turbulence est la formation aléatoire d’ondes fractales non linéaires de vitesse croissante dans un milieu liquide ou gazeux. » Selon vos propres mots, il s'agit d'une propriété physique de l'atmosphère dans laquelle la pression, la température, la direction et la vitesse du vent changent constamment. À cause de ça masses d'air deviennent hétérogènes en composition et en densité. Et en vol, notre avion peut tomber dans des courants d'air descendant (« clou » au sol) ou ascendants (c'est mieux pour nous, car ils soulèvent l'avion du sol), et ces courants peuvent également se déplacer de manière chaotique, se tordre (alors l'avion vole de manière imprévisible, tourne et se retourne). 8

9 Ainsi, nous déduisons de ce qui précède les qualités nécessaires pour créer un avion idéal en vol : Un avion idéal doit être long et étroit, se rétrécissant vers le nez et la queue, comme une flèche, avec une surface relativement petite pour son poids. Un avion présentant ces caractéristiques parcourt une plus grande distance. Si le papier est plié de manière à ce que la surface inférieure de l'avion soit plate et horizontale, la portance agira sur lui lors de sa descente et augmentera sa portée de vol. Comme indiqué ci-dessus, la portance se produit lorsque l'air frappe la surface inférieure d'un avion qui vole avec le nez légèrement relevé sur l'aile. L'envergure est la distance entre les plans parallèles au plan de symétrie de l'aile et tangents à celui-ci. points extrêmes. L'envergure est une caractéristique géométrique importante d'un avion, influençant son aérodynamisme et performances de vol, et constitue également l'une des principales dimensions globales de l'avion. L'allongement de l'aile est le rapport entre l'envergure de l'aile et sa corde aérodynamique moyenne (Annexe 3). Pour une aile non rectangulaire, rapport d'aspect = (envergure au carré)/surface. Cela peut être compris si l'on prend comme base une aile rectangulaire, la formule sera plus simple : allongement = envergure/corde. Ceux. si l'aile a une envergure de 10 mètres et la corde = 1 mètre, alors le rapport d'aspect sera = 10. Plus le rapport d'aspect est grand, plus la traînée inductive de l'aile associée au flux d'air depuis l'intrados est faible de l'aile vers le haut en passant par la pointe avec formation de tourbillons de pointe. En première approximation, nous pouvons supposer que la taille caractéristique d'un tel vortex est égale à la corde, et qu'avec l'augmentation de l'envergure, le vortex devient de plus en plus petit par rapport à l'envergure de l'aile. 9

10 Naturellement, plus la traînée inductive est faible, plus la résistance totale du système est faible, plus la qualité aérodynamique est élevée. Naturellement, il existe une tentation de rendre l’extension aussi grande que possible. Et c'est ici que commencent les problèmes : parallèlement à l'utilisation de rapports d'aspect élevés, nous devons augmenter la résistance et la rigidité de l'aile, ce qui entraîne une augmentation disproportionnée de la masse de l'aile. D'un point de vue aérodynamique, le plus avantageux serait une aile capable de créer la plus grande portance possible avec la traînée la plus faible possible. Pour évaluer la perfection aérodynamique de l'aile, la notion de qualité aérodynamique de l'aile est introduite. La qualité aérodynamique d’une aile est le rapport entre la force de portance et la force de traînée de l’aile. La meilleure forme aérodynamique est la forme elliptique, mais une telle aile est difficile à fabriquer et est donc rarement utilisée. Une aile rectangulaire est moins avantageuse d'un point de vue aérodynamique, mais est beaucoup plus simple à fabriquer. Une aile trapézoïdale a de meilleures caractéristiques aérodynamiques qu'une aile rectangulaire, mais est un peu plus difficile à fabriquer. Les ailes en flèche et triangulaires sont aérodynamiquement inférieures à basse vitesse aux ailes trapézoïdales et rectangulaires (ces ailes sont utilisées sur les avions volant à des vitesses transsoniques et supersoniques). Une aile elliptique en plan a la qualité aérodynamique la plus élevée - la traînée la plus faible possible avec une portance maximale. Malheureusement, une aile de cette forme n'est pas souvent utilisée en raison de la complexité de la conception (un exemple d'utilisation d'une aile de ce type est le chasseur anglais Spitfire) (Annexe 6). Le balayage de l'aile est l'angle de déviation de l'aile par rapport à la normale à l'axe de symétrie de l'avion, en projection sur le plan de base de l'avion. Dans ce cas, la direction vers la queue est considérée comme positive (Annexe 4). Il y en a 10

11 balaye le long du bord d'attaque de l'aile, le long du bord de fuite et le long de la ligne de quart de corde. L'aile à flèche vers l'avant (KSW) est une aile à flèche négative (exemples de modèles d'avions à flèche vers l'avant : Su-47 Berkut, planeur tchécoslovaque LET L-13). La charge alaire est le rapport entre le poids de l'avion et la surface de la surface portante. Exprimé en kg/m² (pour les modèles - g/dm²). Plus la charge est faible, plus la vitesse requise pour le vol est faible. La corde aérodynamique moyenne d'une aile (MAC) est un segment de droite reliant les deux points les plus éloignés du profil. Pour une aile à plan rectangulaire, le MAR est égal à la corde de l'aile (Annexe 5). Connaissant l'ampleur et la position du MAR sur l'avion et en la prenant comme ligne de base, déterminez la position du centre de gravité de l'avion par rapport à lui, qui est mesurée en % de la longueur du MAR. La distance entre le centre de gravité et le début du MAR, exprimée en pourcentage de sa longueur, est appelée centre de gravité de l'avion. Trouver le centre de gravité d'un avion en papier peut être plus simple : prenez une aiguille et du fil ; percez l'avion avec une aiguille et laissez-le pendre par un fil. Le point où l’avion s’équilibrera avec des ailes parfaitement plates est le centre de gravité. Et un peu plus sur le profil de l'aile - c'est la forme de l'aile en coupe transversale. Le profil de l'aile a une forte influence sur toutes les caractéristiques aérodynamiques de l'aile. Il existe de nombreux types de profils, car la courbure des surfaces supérieure et inférieure différents types différent, tout comme d'ailleurs l'épaisseur du profilé lui-même (Annexe 6). Classique, c'est lorsque le bas est proche du plan et que le haut est convexe selon une certaine loi. C'est ce qu'on appelle le profil asymétrique, mais il existe aussi des profils symétriques, lorsque le haut et le bas ont la même courbure. Le développement de profils aérodynamiques a été réalisé presque depuis le début de l'histoire de l'aviation, et il est toujours en cours (en Russie, l'Institut central aérohydrodynamique TsAGI est engagé dans le développement d'avions réels 11

12 Institut du nom du professeur N.E. Joukovski, aux États-Unis, ces fonctions sont assurées par le Langley Research Center (une division de la NASA). Tirons les conclusions de ce qui a été dit plus haut à propos de l'aile d'un avion : Un avion traditionnel a des ailes longues et étroites plus proches du milieu, la partie principale, équilibrées par de petites ailes horizontales plus proches de la queue. Le papier n’a pas la résistance nécessaire pour des conceptions aussi complexes et se plie et se froisse facilement, en particulier pendant le processus de démarrage. Cela signifie que les ailes en papier perdent leurs propriétés aérodynamiques et créent de la traînée. Un avion de conception traditionnelle est un appareil profilé et assez durable : ses ailes en forme de delta assurent un glissement stable, mais elles sont relativement grandes, créent un freinage excessif et peuvent perdre en rigidité. Ces difficultés peuvent être surmontées : des surfaces de levage en forme d'aile delta plus petites et plus durables sont constituées de deux ou plusieurs couches de papier plié et conservent mieux leur forme lors des lancements à grande vitesse. Les ailes peuvent être pliées de manière à former un petit renflement sur la surface supérieure, augmentant la portance, comme sur l'aile d'un avion réel (Annexe 7). La conception solidement construite possède une masse qui augmente le couple de démarrage sans augmenter significativement la traînée. En déplaçant les ailes delta vers l'avant et en équilibrant la portance avec un corps long et plat en forme de V vers la queue qui empêche tout mouvement latéral (déviation) en vol, les caractéristiques les plus précieuses d'un avion en papier peuvent être combinées en un seul modèle. 1.5 Lancement de l'avion 12

13 Commençons par les bases. Ne tenez jamais votre avion en papier par le bord de fuite de l'aile (queue). Étant donné que le papier fléchit énormément, ce qui est très mauvais pour l'aérodynamisme, tout ajustement soigné sera compromis. Il est préférable de maintenir l’avion par l’ensemble de couches de papier le plus épais situé près du nez. Ce point est généralement proche du centre de gravité de l'avion. Pour envoyer l'avion à la distance maximale, vous devez le lancer vers l'avant et vers le haut à un angle de 45 degrés (parabole) aussi fort que possible, ce qui a été confirmé par notre expérience de lancement sous différents angles par rapport à la surface (Annexe 8). En effet, lors du lancement, l'air doit frapper le dessous des ailes et être dévié vers le bas, offrant ainsi une portance adéquate à l'avion. Si l’avion n’est pas incliné par rapport à la direction du déplacement et que son nez n’est pas relevé, la portance ne se produit pas. Un avion a généralement la majeure partie de son poids vers l’arrière, ce qui signifie que l’arrière est abaissé, le nez est relevé et la portance est garantie. Il équilibre l'avion, lui permettant de voler (sauf lorsque la force de portance est trop importante, provoquant une montée et une chute brusques de l'avion). Dans les compétitions de temps de vol, vous devez lancer l'avion à son altitude maximale afin qu'il mette plus de temps à descendre. En général, les techniques de lancement d'avions de voltige sont aussi variées que leurs conceptions. Et donc la technique pour lancer l’avion idéal : la bonne prise doit être suffisamment forte pour retenir l’avion, mais pas au point de le déformer. La languette en papier pliée sur la surface inférieure sous le nez de l'avion peut être utilisée comme support de lancement. Lors du décollage, maintenez l'avion à un angle de 45 degrés par rapport à son altitude maximale. 2.Tests d'avions 13

14 2.1. Modèles d'avions Afin de confirmer (ou d'infirmer, s'ils sont incorrects pour les avions en papier), nous avons sélectionné 10 modèles d'avions, de caractéristiques différentes : flèche, envergure, densité structurelle, stabilisateurs supplémentaires. Et bien sûr nous avons pris un modèle d'avion classique pour explorer également le choix de plusieurs générations (Annexe 9) 2.2. Test d'autonomie et de temps de plané. 14

15 Nom du modèle Portée de vol (m) Durée de vol (battements du métronome) Caractéristiques au lancement Avantages Inconvénients 1. Twists Glisses Trop ailé Mauvais contrôle Fond plat grandes ailes Large Ne glisse pas turbulences 2. Twists Glisses Ailes larges Queue Mauvais Pas stable en vol Turbulence contrôlée 3. Plongées Nez étroit Turbulence Hunter Twists Fond plat Poids du nez Partie du corps étroite 4. Planés Fond plat Grandes ailes Planeur Guinness Vole en arc de cercle Corps étroit Long vol plané en arc de cercle 5. Vole le long d'ailes effilées Corps large droit, dans les stabilisateurs de vol Pas de Scarabée en fin de vol, la forme de l'arc change brusquement la trajectoire de vol 6. Vole droit Fond plat Corps large Traditionnel bon Petites ailes Pas de plans en arc 15

16 7. Plongée Ailes étroites Nez épais Vole devant Grandes ailes droites Corps étroit décalé vers l'arrière Bombardier en piqué Arqué (à cause des volets sur l'aile) Densité de conception 8. Scout Vole le long Petit corps Ailes larges droites Planeurs Petite taille sur toute la longueur Arcé Structure dense 9. Cygne blanc Vole le long d'un corps étroit droit Stable Ailes étroites en vol sur fond plat Structure dense Équilibré 10. Furtif Vole le long d'un arc droit Glisse Change de trajectoire L'axe des ailes est rétréci vers l'arrière Non arqué Ailes larges Grand corps Non structure dense Durée de vol (du plus grand au plus petit) : Guinness Glider et Traditional, Beetle, White Swan Longueur de vol (du plus grand au plus petit) : White Swan, Beetle et Traditional, Scout. Les leaders dans deux catégories étaient : White Swan et Beetle. Étudiez ces modèles et combinez-les avec des conclusions théoriques, prenez-les comme base pour un modèle d'avion idéal. 3. Modèle d'avion idéal 3.1 Résumons : modèle théorique 16

17 1. l'avion doit être léger, 2. donner initialement à l'avion une grande résistance, 3. long et étroit, se rétrécissant vers le nez et la queue comme une flèche, avec une surface relativement petite pour son poids, 4. la surface inférieure de l'avion est plat et horizontal, 5. des surfaces de portance petites et plus solides en forme d'ailes en forme de delta, 6. replier les ailes de manière à former un léger renflement sur l'extrados, 7. avancer les ailes et équilibrer la portance. avec le corps long et plat de l'avion, en forme de V jusqu'à la queue, 8. structure solidement construite, 9. l'adhérence doit être suffisamment forte et sur la saillie sur la surface inférieure, 10. lancement à un angle de 45 degrés et à la hauteur maximale. 11. À l'aide des données, nous avons réalisé des croquis de l'avion idéal : 1. Vue latérale 2. Vue de dessous 3. Vue de face Après avoir créé des croquis de l'avion idéal, je me suis tourné vers l'histoire de l'aviation pour savoir si mes conclusions coïncident avec celles des avions. designers. Et j'ai trouvé un prototype d'avion à ailes delta développé après la Seconde Guerre mondiale : le Convair XF-92 - un intercepteur ponctuel (1945). Et la confirmation de l’exactitude des conclusions est qu’elle est devenue le point de départ d’une nouvelle génération d’avions. 17

18 Votre propre modèle et ses tests. Nom du modèle Portée de vol (m) Durée de vol (battements du métronome) ID Caractéristiques au lancement Avantages (proximité de l'avion idéal) Inconvénients (écarts par rapport à l'avion idéal) Vole 80 % 20 % en ligne droite (perfection (pour une gestion ultérieure des plans sans limite) améliorations ) Lorsqu'il y a un fort vent contraire, il « se lève » à 90 0 et se retourne. Mon modèle est réalisé sur la base des modèles utilisés dans la partie pratique, la plus grande ressemblance avec le « cygne blanc ». Mais en même temps, j'ai fait un certain nombre de transformations significatives : une forme delta plus grande de l'aile, une courbure de l'aile (comme celle du « scout » et d'autres du même genre), le corps a été réduit, et le corps a été étant donné une rigidité structurelle supplémentaire. Cela ne veut pas dire que je suis entièrement satisfait de mon modèle. Je voudrais réduire la taille du bas du corps, tout en conservant la même densité structurelle. Les ailes peuvent avoir une forme delta plus grande. Pensez à la section de queue. Mais il ne peut en être autrement ; il reste du temps pour approfondir les études et la créativité. C’est exactement ce que font les concepteurs d’avions professionnels ; vous pouvez en apprendre beaucoup. C'est ce que je ferai dans mon passe-temps. 17

19 Conclusions Grâce à cette étude, nous nous sommes familiarisés avec les lois fondamentales de l'aérodynamique qui affectent l'avion. Sur cette base, des règles ont été dérivées pour la combinaison optimale qui contribuent à la création de l'avion idéal. Pour tester les conclusions théoriques dans la pratique, des modèles d'avions en papier ont été pliés, variant en complexité de pliage, en portée et en durée de vol. Au cours de l'expérience, un tableau a été dressé dans lequel les lacunes révélées des modèles ont été comparées aux conclusions théoriques. Après avoir comparé les données théoriques et expérimentales, j'ai créé un modèle de mon avion idéal. Il reste encore à l'améliorer pour le rapprocher de la perfection ! 18

20 Références 1. Encyclopédie « Aviation » / site Académicien %D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1% 82%D1%8C 2. Collins J. Avions en papier / J. Collins : trans. de l'anglais P. Mironova. M. : Mani, Ivanov et Ferber, 2014. Années 160 Babintsev V. Aérodynamique pour les nuls et les scientifiques / Portail Proza.ru 4. Babintsev V. Einstein et la force de levage, ou Pourquoi un serpent a-t-il besoin d'une queue / Portail Proza.ru 5. Arzhanikov N.S., Sadekova G.S., Aérodynamique des avions 6. Modèles et méthodes d'aérodynamique / 7. Ouchakov V.A., Krasilshchikov P.P., Volkov A.K., Grzhegorzhevsky A.N., Atlas des caractéristiques aérodynamiques des profils d'ailes / 8. Aérodynamique d'un avion / 9. Mouvement des corps dans l'air / email zhur. Aérodynamique dans la nature et la technologie. Brèves informations sur l'aérodynamique Comment volent les avions en papier / Personne intéressante. Science intéressante et cool MS Chernyshev Pourquoi l'avion vole-t-il ? S. Chernyshev, directeur de TsAGI. Magazine "Science et Vie", 11, 2008 / SGV Air Force" 4ème VA VGK - forum des unités et garnisons "Aviation et équipements d'aérodrome" - L'aviation pour les nuls 19

21 12. Gorbounov Al. Aérodynamique pour les "nuls" / Gorbunov Al., g Route dans les nuages ​​/ zhur. Planet Juillet 2013 Jalons de l'aviation : prototype d'avion à aile delta 20

22 Annexe 1. Schéma de l'influence des forces sur un avion en vol. Accélération de levage spécifiée au lancement Gravity Drag Annexe 2. Faites glisser. Flux et forme de l'obstacle Résistance de forme Résistance au frottement visqueux 0% 100% ~10% ~90% ~90% ~10% 100% 0% 21

23 Annexe 3. Extension d'aile. Annexe 4. Balayage des ailes. 22

24 Annexe 5. Corde aérodynamique moyenne de l'aile (MAC). Annexe 6. Forme de l'aile. Plan en coupe transversale 23

25 Annexe 7. Circulation de l'air autour de l'aile Un vortex se forme au bord tranchant du profil de l'aile. Lorsqu'un vortex se forme, la circulation de l'air se produit autour de l'aile. Le vortex est emporté par le flux et les lignes de courant s'écoulent doucement. Le profil; ils sont concentrés au-dessus de l'aile Annexe 8. Angle de lancement de l'avion 24

26 Annexe 9. Modèles d'avions pour l'expérience Modèle en papier 1 Nom 6 Nom du modèle en papier Krylan Traditional 2 7 Tail Dive 3 8 Hunter Scout 4 9 Guinness Glider White Swan 5 10 Stealth Beetle 26

Etat général établissement d'enseignement Département préscolaire « École 37 » 2 Projet « Les avions d'abord » Enseignants : Anokhina Elena Aleksandrovna Onoprienko Ekaterina Elitovna Objectif : Trouver un schéma

87 Force de portance d'une aile d'avion Effet Magnus Quand mouvement vers l'avant corps dans un milieu visqueux, comme cela a été montré dans le paragraphe précédent, la force de levage se produit si le corps est situé de manière asymétrique

DÉPENDANCE DES CARACTÉRISTIQUES AÉRODYNAMIQUES DES AILES DE FORME SIMPLE EN PLAN À PARTIR DES PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES Spiridonov A.N., Melnikov A.A., Timakov E.V., Minazova A.A., Kovaleva Ya.I. État d'Orenbourg

ÉTABLISSEMENT D'ÉDUCATION PRÉSCOLAIRE AUTONOME MUNICIPAL DE LA FORMATION MUNICIPALE DE NYAGAN « MATERNELLE 1 « SOLEIL » DE TYPE DÉVELOPPEMENT GÉNÉRAL AVEC MISE EN ŒUVRE PRIORITAIRE DES ACTIVITÉS SOCIALES-PERSONNELLES

MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION ET DES SCIENCES DE LA FÉDÉRATION DE RUSSIE BUDGET DE L'ÉTAT FÉDÉRAL ÉTABLISSEMENT D'ENSEIGNEMENT D'ENSEIGNEMENT PROFESSIONNEL SUPÉRIEUR « UNIVERSITÉ D'ÉTAT DE SAMARA » V.A.

Cours 3 Thème 1.2 : AÉRODYNAMIQUE DES AILE Plan du cours : 1. Force aérodynamique totale. 2. Centre de pression du profil de l'aile. 3. Moment de tangage du profil de l'aile. 4. Mise au point du profil de l'aile. 5. Formule Joukovski. 6. Circulez

INFLUENCE DES CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES DE L'ATMOSPHÈRE SUR L'EXPLOITATION DES AÉRONEFS Impact caractéristiques physiques atmosphérique pour le vol Mouvement horizontal constant de l'avion Décollage Atterrissage Atmosphérique

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Thème 2 : FORCES AÉRODYNAMIQUES. 2.1. PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES DE L'AILE AVEC MAX Centerline Paramètres géométriques de base, profil de l'aile et ensemble de profils le long de l'envergure, forme et dimensions de l'aile en plan, géométrique

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Une personne volera en s'appuyant non pas sur la force de ses muscles, mais sur la force de son esprit.

(N.E. Joukovski)

Pourquoi et comment un avion vole Pourquoi les oiseaux peuvent-ils voler même s'ils sont plus lourds que l'air ? Quelles forces soulèvent un énorme avion de ligne qui peut voler plus vite, plus haut et plus loin que n'importe quel oiseau, parce que ses ailes sont immobiles ? Pourquoi un planeur sans moteur peut-il flotter dans les airs ? L'aérodynamique répond à toutes ces questions et à bien d'autres encore - une science qui étudie les lois de l'interaction de l'air avec les corps qui s'y déplacent.

Dans le développement de l'aérodynamique dans notre pays, le professeur Nikolaï Egorovitch Joukovski (1847 -1921) - «le père de l'aviation russe», comme l'appelait V.I. Lénine, a joué un rôle exceptionnel. Le mérite de Joukovski réside dans le fait qu'il a été le premier à expliquer la formation de la force de portance d'une aile et à formuler un théorème pour calculer cette force. Joukovski a non seulement découvert les lois qui sous-tendent la théorie du vol, mais a également préparé le terrain pour le développement rapide de l'aviation dans notre pays.

Lorsque vous volez dans n'importe quel avion quatre forces agissent, dont la combinaison l'empêche de tomber :

La gravité- une force constante qui attire l'avion vers le sol.

Force de traction, qui vient du moteur et fait avancer l’avion.

Force de résistance, l'opposé de la poussée et est provoqué par le frottement, ralentissant l'avion et réduisant la portance des ailes.

Force de levage, qui se forme lorsque l'air se déplaçant sur l'aile crée une pression réduite. Soumis aux lois de l'aérodynamique, tous les avions décollent, à commencer par les avions de sport légers.

Tous les avions sont très similaires à première vue, mais si vous regardez attentivement, vous pouvez trouver des différences entre eux. Ils peuvent différer par la structure des ailes, de la queue et du fuselage. Leur vitesse, leur altitude de vol et d'autres manœuvres en dépendent. Et chaque avion n'a que sa propre paire d'ailes.

Pour voler, vous n'avez pas besoin de battre des ailes, vous devez les faire bouger par rapport à l'air. Et pour ce faire, il suffit de donner à l’aile une vitesse horizontale. De l'interaction de l'aile avec l'air, une force de portance naîtra, et dès que sa valeur sera supérieure au poids de l'aile elle-même et de tout ce qui y est lié, le vol commencera. Il ne reste plus qu'à fabriquer une aile adaptée et à pouvoir l'accélérer jusqu'à la vitesse requise.

Les observateurs ont remarqué il y a longtemps que les ailes des oiseaux ne sont pas plates. Considérons une aile dont la surface inférieure est plate et dont la surface supérieure est convexe.

Le flux d'air circulant sur le bord d'attaque de l'aile est divisé en deux parties : l'une circule autour de l'aile par le bas, l'autre par le haut. L'air venant d'en haut doit parcourir un chemin légèrement plus long que celui venant d'en bas, par conséquent, la vitesse de l'air venant d'en haut sera également légèrement supérieure à celle venant d'en bas. On sait qu’à mesure que la vitesse augmente, la pression dans le flux de gaz diminue. Ici aussi, la pression de l'air sous l'aile est plus élevée qu'au-dessus. La différence de pression est dirigée vers le haut, et c’est la force de levage. Et si vous ajoutez un angle d'attaque, la portance augmentera encore plus.

Comment vole un vrai avion ?

Une véritable aile d'avion a une forme de larme, ce qui fait que l'air passant au-dessus de l'aile se déplace plus rapidement que l'air passant au bas de l'aile. Cette différence de débit d'air crée une portance et l'avion s'envole.

Et l’idée fondamentale ici est la suivante : le flux d’air est coupé en deux par le bord d’attaque de l’aile, et une partie circule autour de l’aile le long de l’extrados, et la seconde partie le long de l’intrados. Pour que les deux flux convergent derrière le bord de fuite de l'aile sans créer de vide, l'air circulant sur l'extrados de l'aile doit se déplacer plus rapidement par rapport à l'avion que l'air circulant autour de l'intrados, car il a un une plus grande distance à parcourir.

Une faible pression d'en haut tire l'aile vers elle-même, et une pression plus élevée d'en bas la pousse vers le haut. L'aile se lève. Et si la force de levage dépasse le poids de l'avion, alors l'avion lui-même reste suspendu dans les airs.

Les avions en papier n'ont pas d'ailes profilées, alors comment volent-ils ? La portance est créée par l'angle d'attaque de leurs ailes plates. Même avec des ailes plates, vous remarquerez que l’air se déplaçant au-dessus de l’aile se déplace un peu plus loin (et se déplace plus rapidement). La portance est créée par la même pression que pour les ailes profilées, mais, bien entendu, cette différence de pression n'est pas si grande.

L'angle d'attaque d'un avion est l'angle entre la direction de la vitesse du flux d'air incident sur le corps et la direction longitudinale caractéristique choisie sur le corps, par exemple, pour un avion ce sera la corde de l'aile - la axe de construction longitudinal, pour un projectile ou une fusée - leur axe de symétrie.

Aile droite

L'avantage d'une aile droite est son coefficient de portance élevé, qui permet d'augmenter considérablement la charge spécifique sur l'aile, et donc de réduire les dimensions et le poids, sans craindre une augmentation significative des vitesses de décollage et d'atterrissage.

L'inconvénient qui détermine l'inadaptation d'une telle aile à des vitesses de vol supersoniques est une forte augmentation de la traînée de l'avion.

aile delta

Une aile delta est plus rigide et plus légère qu’une aile droite et est le plus souvent utilisée à des vitesses supersoniques. L'utilisation d'une aile delta est déterminée principalement par des considérations de résistance et de conception. Les inconvénients d'une aile delta sont l'émergence et le développement d'une crise de vague.

CONCLUSION

Si vous modifiez la forme de l'aile et du nez d'un avion en papier pendant la modélisation, la portée et la durée de son vol peuvent changer

Les ailes d'un avion en papier sont plates. Pour assurer la différence des flux d'air au-dessus et au-dessous de l'aile (pour générer de la portance), celle-ci doit être inclinée selon un certain angle (angle d'attaque).

Les avions destinés aux vols les plus longs ne sont pas particulièrement rigides, mais ils ont une grande envergure et sont bien équilibrés.

Pour fabriquer un avion en papier, vous aurez besoin d'une feuille de papier rectangulaire, qui peut être blanche ou colorée. Si vous le souhaitez, vous pouvez utiliser un cahier, un photocopieur, un journal ou tout autre papier disponible.

Il est préférable de choisir la densité de la base du futur avion plus proche de moyenne, pour qu'elle vole loin et en même temps qu'elle ne soit pas trop difficile à plier (sur du papier trop épais, il est généralement difficile de fixer le se plie et ils s'avèrent inégaux).

Plier la figurine d'avion la plus simple

Les amateurs d'origami débutants devraient commencer par le modèle d'avion le plus simple, familier à tous depuis l'enfance :

Pour ceux qui n'ont pas pu plier l'avion selon les instructions, voici une master class vidéo :

Si vous en avez assez de cette option à l'école et que vous souhaitez développer vos compétences en matière de fabrication d'avions en papier, nous vous expliquerons comment réaliser étape par étape deux variantes simples du modèle précédent.

Avions long-courriers

Instructions photo étape par étape

1. Pliez une feuille de papier rectangulaire en deux le long du côté le plus grand. Nous plions les deux coins supérieurs jusqu'au milieu de la feuille. Nous tournons le coin « vallée » résultant, c'est-à-dire vers nous-mêmes.

1. Nous plions les coins du rectangle obtenu vers le milieu de manière à ce qu'un petit triangle apparaisse au milieu de la feuille.

1. Nous plions le petit triangle vers le haut - il fixera les ailes du futur avion.

1. Nous plions la figure le long de l'axe de symétrie, en tenant compte du fait que le petit triangle doit rester à l'extérieur.

1. Nous plions les ailes des deux côtés jusqu'à la base.

1. Nous plaçons les deux ailes de l’avion à un angle de 90 degrés pour qu’il puisse voler loin.

1. Ainsi, sans y consacrer beaucoup de temps, on obtient un avion qui vole longuement !

Schéma de pliage

1. Pliez une feuille de papier rectangulaire en deux sur son plus grand côté.

1. Nous plions les deux coins supérieurs jusqu'au milieu de la feuille.

1. Nous enveloppons les coins avec une « vallée » le long de la ligne pointillée. Dans la technique de l'origami, une « vallée » est le processus de pliage d'une section d'une feuille le long d'une certaine ligne dans la direction « vers ».

1. Pliez la figure obtenue le long de l'axe de symétrie de manière à ce que les coins soient vers l'extérieur. Assurez-vous que les contours des deux moitiés du futur avion coïncident. La manière dont il volera à l’avenir en dépend.

1. Nous plions les ailes des deux côtés de l'avion, comme indiqué sur la figure.

1. Assurez-vous que l'angle entre l'aile de l'avion et son fuselage est de 90 degrés.

1. Le résultat est un avion si rapide !

Comment faire voler un avion loin ?

Voulez-vous apprendre à lancer correctement un avion en papier que vous venez de fabriquer de vos propres mains ? Lisez alors attentivement les règles de sa gestion :

Si toutes les règles sont respectées, mais que le modèle ne vole toujours pas comme vous le souhaiteriez, essayez de l'améliorer comme suit :

1. Si l'avion s'efforce constamment de monter en flèche, puis, après avoir effectué une boucle morte, descend brusquement et s'écrase sur le sol, il a besoin d'une mise à niveau sous la forme d'une augmentation de la densité (poids) du nez. Cela peut être fait en pliant légèrement le nez modèle en papier vers l'intérieur, comme indiqué sur l'image, ou en attachant un trombone en bas.
2. Si pendant le vol le modèle ne vole pas droit comme il le devrait, mais sur le côté, équipez-le d'un gouvernail en pliant une partie de l'aile le long de la ligne indiquée sur la figure.
3. Si un avion entre en vrille, il lui faut de toute urgence une queue. Armé de ciseaux, apportez-lui une mise à niveau rapide et fonctionnelle.
4. Mais si le modèle tombe d'un côté pendant les tests, la raison de l'échec est probablement le manque de stabilisateurs. Pour les ajouter à la structure, il suffit de plier les ailes de l'avion le long des bords le long des lignes pointillées indiquées.

Nous attirons également votre attention sur des instructions vidéo pour créer et tester un modèle intéressant d'avion capable non seulement de voler loin, mais aussi pendant une période incroyablement longue :

Maintenant que vous avez confiance en vos capacités et que vous avez déjà mis la main sur le pliage et le lancement d'avions simples, nous vous proposons des instructions qui vous expliqueront comment fabriquer un avion en papier d'un modèle plus complexe.

Avion furtif F-117 ("Nighthawk")

Transporteur de bombes

Schéma d'exécution

1. Prenez un morceau de papier rectangulaire. Pliez la partie supérieure du rectangle en double triangle : pour cela, pliez le coin supérieur droit du rectangle pour que son côté supérieur coïncide avec le côté gauche.
2. Ensuite, par analogie, nous plions le coin gauche, en combinant la partie supérieure rectangle avec son côté droit.
3. À travers le point d'intersection des lignes résultantes, nous réalisons un pli qui doit finalement être parallèle au plus petit côté du rectangle.
4. Le long de cette ligne, pliez les triangles latéraux résultants vers l'intérieur. Vous devriez obtenir la figure illustrée à la figure 2. Tracez une ligne au milieu de la feuille en bas, similaire à la figure 1.

1. On désigne une ligne parallèle à la base du triangle.

1. Retournez la figurine vers verso et pliez le coin vers vous. Vous devriez obtenir le modèle de papier suivant :

1. Encore une fois, nous déplaçons la figure de l'autre côté et plions deux coins vers le haut, après avoir d'abord plié la partie supérieure en deux.

1. Retournez la figurine et pliez le coin vers le haut.

1. Nous plions les coins gauche et droit, encerclés sur la figure, conformément à l'image 7. Ce schéma vous permettra d'obtenir le pliage correct du coin.

1. Nous plions le coin loin de nous et plions la figure le long de la ligne médiane.

1. Nous ramenons les bords vers l'intérieur, plions à nouveau la figure en deux, puis sur elle-même.

1. Au final, vous vous retrouverez avec un jouet en papier comme celui-ci : un avion porte-bombes !

Bombardier SU-35

Combattant Razorhawk

Schéma d'exécution étape par étape

1. Prenez un morceau de papier rectangulaire, pliez-le en deux le long du côté le plus grand et marquez le milieu.

1. Nous plions deux coins du rectangle vers nous.

1. Pliez les coins de la figure le long de la ligne pointillée.

1. Pliez la figure en croix de manière à ce que l'angle aigu soit au milieu du côté opposé.

1. Nous retournons la figure obtenue sur le verso et formons deux plis, comme indiqué sur la figure. Il est très important que les plis ne soient pas pliés vers la ligne médiane, mais légèrement inclinés par rapport à celle-ci.

1. Nous plions le coin obtenu vers nous et tournons en même temps vers l'avant le coin qui, après toutes les manipulations, se trouvera à l'arrière de la mise en page. Vous devriez vous retrouver avec une forme comme indiqué dans la figure ci-dessous.

1. Nous plions la silhouette en deux loin de nous-mêmes.

1. Nous abaissons les ailes de l'avion le long de la ligne pointillée.

1. Nous plions un peu les extrémités des ailes pour obtenir ce qu'on appelle les winglets. Ensuite, on redresse les ailes pour qu'elles forment un angle droit avec le fuselage.

Le chasseur de papier est prêt !

Chasseur de faucon planant

Instructions de fabrication :

1. Prenez un morceau de papier rectangulaire et marquez le milieu en le pliant en deux le long du plus grand côté.

1. Nous plions les deux coins supérieurs du rectangle vers l'intérieur vers le milieu.

1. Nous retournons la feuille sur l'envers et plions les plis vers nous vers la ligne médiane. Il est très important que les coins supérieurs ne se plient pas. Vous devriez obtenir un chiffre comme celui-ci.

1. Pliez le haut du carré en diagonale vers vous.

1. Pliez le chiffre obtenu en deux.

1. Nous décrivons le pli comme indiqué sur la figure.

1. Nous remplissons la partie rectangulaire du fuselage du futur avion à l'intérieur.

1. Pliez les ailes le long de la ligne pointillée à angle droit.

1. Le résultat est un avion en papier ! Reste à voir comment il vole.

Chasseur F-15 Aigle

Avion "Concorde"

En suivant les instructions photo et vidéo données, vous pouvez fabriquer un avion en papier de vos propres mains en quelques minutes, jouer avec lequel sera un passe-temps agréable et divertissant pour vous et vos enfants !

Comment fabriquer un avion en papier - 13 modèles d'avions en papier DIY

Schémas détaillés pour fabriquer une variété d'avions en papier : des avions « scolaires » les plus simples aux modèles techniquement modifiés.

Modèle standard

Modèle "Planeur"

Modèle "Planeur avancé"

Modèle "Scat"

Modèle "Canaris"

Modèle "Delta"

Modèle "Navette"

Modèle "Invisibles"

Modèle "Taran"

Modèle "Oeil de Faucon"

Modèle "Tour"

Modèle "Aiguille"

Modèle "Cerf-volant"

Faits intéressants

En 1989, Andy Chipling a fondé la Paper Aircraft Association et en 2006, le premier championnat d'avions en papier a eu lieu. Les compétitions se déroulent dans trois disciplines : la plus longue distance, la plus longue glisse et la voltige.

De nombreuses tentatives visant à augmenter de temps en temps la durée pendant laquelle un avion en papier reste dans les airs conduisent de temps en temps à briser de nouvelles barrières dans ce sport. Ken Blackburn a détenu le record du monde pendant 13 ans (1983-1996) et l'a de nouveau remporté le 8 octobre 1998 en lançant un avion en papier à l'intérieur de l'intérieur pour qu'il reste en l'air pendant 27,6 secondes. Ce résultat a été confirmé par les représentants du Livre Guinness des Records et les journalistes de CNN. L'avion en papier utilisé par Blackburn peut être classé comme planeur.

PHYSIQUE DE L'AVION EN PAPIER.
REPRÉSENTATION DU DOMAINE DE CONNAISSANCE. PLANIFICATION DE L'EXPÉRIENCE.

1. Introduction. But du travail. Modèles généraux de développement du domaine de la connaissance. Sélection d'un objet de recherche. Carte mentale.
2. Physique élémentaire du vol planeur (BS). Système d'équations de force.





9. Photos du tube aérodynamique. Revue des caractéristiques du tuyau, échelles aérodynamiques.
10. Résultats expérimentaux.
12. Quelques résultats sur la visualisation des vortex.
13. Relation entre les paramètres et les solutions de conception. Comparaison des options réduites à une aile rectangulaire. La position du centre aérodynamique et du centre de gravité et les caractéristiques des modèles.
14. Planification économe en énergie. Stabilisation du vol. Tactiques de record du monde pour la durée du vol.



18. Conclusion.
19. Liste des références.

1. Introduction. But du travail. Modèles généraux de développement du domaine de la connaissance. Sélection de l'objet de recherche. Carte mentale.

Le développement de la physique moderne, principalement dans sa partie expérimentale, et surtout dans les domaines appliqués, se déroule selon un schéma hiérarchique clairement exprimé. Cela est dû à la nécessité de concentrer davantage les ressources nécessaires pour obtenir des résultats, allant de soutien matériel expériences, à la répartition du travail entre instituts scientifiques spécialisés. Que cela soit réalisé pour le compte de l'État, de structures commerciales ou même de passionnés, mais planifier le développement d'un domaine de la connaissance, du management recherche scientifique- c'est une réalité moderne.
L'objectif de ce travail n'est pas seulement de mettre en place une expérimentation locale, mais aussi de tenter d'illustrer technologie moderne organisation scientifique au niveau le plus simple.
Les premières pensées qui précèdent le travail proprement dit sont généralement enregistrées sous forme libre ; historiquement, cela se produit sur des serviettes. Cependant, dans la science moderne, cette forme de présentation est appelée cartographie mentale – littéralement « schéma de pensée ». C'est un diagramme dans lequel, sous la forme formes géométriques tout rentre dedans. qui peut être pertinent pour le problème en question. Ces concepts sont reliés par des flèches indiquant des connexions logiques. Au début, un tel schéma peut contenir des concepts complètement différents et inégaux, difficiles à combiner dans un plan classique. Cependant, une telle diversité laisse place à des suppositions aléatoires et à des informations non systématisées.
Comme objet de recherche, un avion en papier a été choisi - une chose familière à tous depuis l'enfance. On a supposé que la mise en place d'une série d'expériences et l'application des concepts de la physique élémentaire aideraient à expliquer les caractéristiques du vol et permettraient peut-être aussi de formuler principes généraux conception.
La collecte préliminaire d'informations a montré que la zone n'est pas aussi simple qu'il y paraissait au premier abord. Les recherches de Ken Blackburn, un ingénieur aérospatial qui détient quatre records du monde (dont un actuel) de vol à voile, qu'il a établi avec des avions de sa propre conception, ont été d'une grande aide.

Par rapport à la tâche à accomplir, la carte mentale ressemble à ceci :

Il s’agit d’un diagramme de base représentant la structure prévue de l’étude.

2. Physique élémentaire du vol planeur. Système d'équations pour les échelles.

Le vol à voile est un cas particulier de descente d'un avion sans la participation de la poussée générée par le moteur. Pour les avions non motorisés - les planeurs, comme cas particulier - les avions en papier, le vol plané est le mode de vol principal.
La planification est effectuée grâce à l'équilibrage du poids et de la force aérodynamique, qui à son tour est constituée de forces de portance et de traînée.
Le diagramme vectoriel des forces agissant sur l'avion (planeur) pendant le vol est le suivant :

La condition d’une planification simple est l’égalité

La condition de l’uniformité de la planification est l’égalité

Ainsi, pour maintenir une planification uniforme et rectiligne, les deux égalités sont nécessaires, le système

Y=GcosA
Q=GsinA

3. Aller plus loin théorie de base aérodynamique. Laminarité et turbulence. Le numéro de Reynold.

Une compréhension plus détaillée du vol est donnée par la théorie aérodynamique moderne, basée sur une description du comportement différents types l'air circule, en fonction de la nature de l'interaction des molécules. Il existe deux principaux types d'écoulements : laminaire, lorsque les particules se déplacent le long de courbes lisses et parallèles, et turbulent, lorsqu'elles se mélangent. En règle générale, il n'existe pas de situations avec un écoulement idéalement laminaire ou purement turbulent ; l'interaction des deux crée une image réelle du fonctionnement de l'aile.
Si nous considérons un objet spécifique avec des caractéristiques finies - masse, dimensions géométriques, alors les propriétés de l'écoulement au niveau de l'interaction moléculaire sont caractérisées par le nombre de Reynolds, qui donne une valeur relative et désigne le rapport des impulsions de force à la viscosité de le liquide. Comment plus grand nombre, moins la viscosité a d'influence.

Re= VLρ/η=VL/ν

V (vitesse)
L (spécification de taille)
ν (coefficient (densité/viscosité)) = 0,000014 m^2/s pour de l'air à température normale.

Pour un avion en papier, le nombre de Reynolds est d'environ 37 000.

Étant donné que le nombre de Reynolds est bien inférieur à celui des avions réels, cela signifie que la viscosité de l'air joue un rôle beaucoup plus important, entraînant une augmentation de la traînée et une diminution de la portance.

4. Comment fonctionnent une aile régulière et plate.

Du point de vue de la physique élémentaire, une aile plate est une plaque située sous un angle par rapport au flux d'air en mouvement. L’air est « rejeté » selon un angle vers le bas, créant une force opposée. Il s'agit de la force aérodynamique totale, qui peut être représentée sous la forme de deux forces : la portance et la traînée. Cette interaction s'explique facilement sur la base de la troisième loi de Newton. Un exemple classique d’aile à déflecteur plat est un cerf-volant.

Le comportement d'une surface aérodynamique conventionnelle (plan-convexe) s'explique par l'aérodynamique classique comme l'apparition d'une portance due à la différence de vitesse des fragments d'écoulement et, par conséquent, la différence de pression entre le dessous et le dessus de l'aile.

Une aile de papier plate dans le flux crée une zone vortex au sommet, qui ressemble à un profil incurvé. Elle est moins stable et efficace qu’une coque rigide, mais le mécanisme est le même.

Le chiffre est tiré de la source (Voir la liste des références). Il montre la formation d’un profil aérodynamique dû aux turbulences sur la surface supérieure de l’aile. Il existe également le concept de couche de transition, dans laquelle un écoulement turbulent devient laminaire en raison de l'interaction des couches d'air. Au-dessus de l'aile d'un avion en papier, elle peut atteindre 1 centimètre.

5. Examen de trois conceptions d'avions

Trois modèles d'avions en papier présentant des caractéristiques différentes ont été choisis pour l'expérience.

Modèle n°1. La conception la plus courante et la plus connue. En règle générale, la plupart des gens imaginent exactement cela lorsqu’ils entendent l’expression « avion en papier ».

Modèle n°2. « Flèche » ou « Lance ». Modèle caractéristique avec angle aigu aile et vitesse élevée attendue.

Modèle n°3. Modèle avec une aile à allongement élevé. Conception spéciale, assemblée selon côté large feuille. On suppose qu'il possède de bonnes propriétés aérodynamiques en raison de son allongement élevé.

Tous les avions ont été assemblés à partir de feuilles de papier identiques d'une densité de 80 grammes/m^2, au format A4. La masse de chaque avion est de 5 grammes.

6. Ensembles de caractéristiques, pourquoi elles existent.

Pour obtenir les paramètres caractéristiques de chaque conception, vous devez réellement déterminer ces paramètres. La masse de tous les avions est la même - 5 grammes. Il est assez simple de mesurer la vitesse et l’angle de plané de chaque structure. Le rapport entre la différence de hauteur et la plage correspondante nous donnera la qualité aérodynamique, essentiellement le même angle de plané.
Il est intéressant de mesurer les forces de portance et de traînée à différents angles d'attaque de l'aile, ainsi que la nature de leurs changements aux conditions limites. Cela permettra de caractériser les structures sur la base de paramètres numériques.
Séparément, vous pouvez analyser les paramètres géométriques des avions en papier - la position du centre aérodynamique et du centre de gravité pour différentes formes aile
En visualisant les flux, on peut obtenir une représentation visuelle des processus se produisant dans les couches limites d'air à proximité des surfaces aérodynamiques.

7. Expériences préliminaires (chambre). Valeurs obtenues pour la vitesse et le rapport portance/traînée.

Pour déterminer les paramètres de base, une expérience simple a été réalisée : le vol d'un avion en papier a été enregistré par une caméra vidéo sur le fond d'un mur avec des marquages ​​métriques appliqués. Étant donné que l'intervalle d'image pour la prise de vue vidéo est connu (1/30 de seconde), la vitesse de glisse peut être facilement calculée. En fonction de la baisse d'altitude, l'angle de finesse et la qualité aérodynamique de l'avion se retrouvent dans les repères correspondants.

En moyenne, la vitesse d’un avion est de 5 à 6 m/s, ce qui n’est pas si peu.
Qualité aérodynamique - environ 8.

8. Exigences pour l'expérience, tâche d'ingénierie.

Pour recréer des conditions de vol, nous avons besoin d’un flux laminaire pouvant atteindre 8 m/s et de la capacité de mesurer la portance et la traînée. La méthode classique de recherche aérodynamique est la soufflerie. Dans notre cas, la situation est simplifiée par le fait que l'avion lui-même est de petite taille et de petite vitesse et peut être directement placé dans un tuyau de dimensions limitées.
Par conséquent, nous ne sommes pas gênés par la situation où le modèle soufflé diffère considérablement en taille de l'original, ce qui, en raison de la différence des nombres de Reynolds, nécessite une compensation lors des mesures.
Avec une section de tuyau de 300x200 mm et une vitesse d'écoulement allant jusqu'à 8 m/s, nous aurons besoin d'un ventilateur d'une capacité d'au moins 1000 mètres cubes/heure. Pour modifier la vitesse d'écoulement, vous avez besoin d'un régulateur de régime moteur et pour la mesurer, d'un anémomètre avec une précision appropriée. Le compteur de vitesse n'a pas besoin d'être numérique ; il est tout à fait possible de se contenter d'une plaque déflectable à graduation angulaire ou d'un anémomètre à liquide, plus précis.

La soufflerie est connue depuis assez longtemps ; Mozhaisky l'a utilisée dans ses recherches, et Tsiolkovsky et Joukovski l'ont déjà développée en détail. technologie moderne expérience, qui n’a pas fondamentalement changé.
Pour mesurer les forces de traînée et de portance, on utilise des balances aérodynamiques, qui permettent de déterminer les forces dans plusieurs directions (dans notre cas, dans deux).

9. Photos de la soufflerie. Revue des caractéristiques des canalisations, bilans aérodynamiques.

La soufflerie de bureau a été réalisée sur la base d'un ventilateur industriel assez puissant. Derrière le ventilateur se trouvent des plaques mutuellement perpendiculaires qui redressent le flux avant d'entrer dans la chambre de mesure. Les fenêtres de la chambre de mesure sont équipées de verre. Un trou rectangulaire pour les supports est découpé dans la paroi inférieure. Une turbine anémométrique numérique est installée directement dans la chambre de mesure pour mesurer la vitesse d'écoulement. Le tuyau présente un léger rétrécissement à la sortie pour « refouler » l'écoulement, ce qui réduit les turbulences au prix d'une réduction de la vitesse. La vitesse du ventilateur est contrôlée par un simple contrôleur électronique domestique.

Les caractéristiques du tuyau se sont avérées pires que celles calculées, principalement en raison de l'écart entre les performances du ventilateur et les spécifications. Le refoulement du flux a également réduit la vitesse dans la zone de mesure de 0,5 m/s. En conséquence, la vitesse maximale est légèrement supérieure à 5 m/s, ce qui s’avère néanmoins suffisant.

Nombre de Reynolds pour le tuyau :

Re = VLρ/η = VL/ν

V (vitesse) = 5 m/s
L (caractéristique)= 250mm = 0,25m
ν (coefficient (densité/viscosité)) = 0,000014 m2/s

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

Pour mesurer les forces agissant sur l'avion, des balances aérodynamiques élémentaires à deux degrés de liberté ont été utilisées, basées sur une paire de balances électroniques pour bijoux avec une précision de 0,01 gramme. L'avion a été fixé sur deux supports à l'angle souhaité et installé sur la plateforme de la première balance. Ceux-ci, à leur tour, étaient placés sur une plate-forme mobile dotée d'un levier transmettant la force horizontale à la seconde balance.

Les mesures ont montré que la précision est tout à fait suffisante pour les modes de base. Cependant, il était difficile de fixer l'angle, il était donc préférable de développer un schéma de fixation approprié avec des marquages.

10. Résultats expérimentaux.

Lors du soufflage des modèles, deux paramètres principaux ont été mesurés : la force de traînée et la force de portance, en fonction de la vitesse d'écoulement sous un angle donné. Une famille de caractéristiques aux valeurs assez réalistes a été construite pour décrire le comportement de chaque avion. Les résultats sont résumés dans des graphiques avec une normalisation supplémentaire de l'échelle par rapport à la vitesse.

11. Rapports de courbe pour trois modèles.

Modèle n°1.
Juste milieu. Le design correspond le plus possible au matériau – le papier. La résistance des ailes correspond à leur longueur, la répartition du poids est optimale, donc un avion bien replié s'aligne bien et vole en douceur. C'est la combinaison de ces qualités et de la facilité d'assemblage qui a rendu cette conception si populaire. La vitesse est inférieure à celle du deuxième modèle, mais supérieure à celle du troisième. À grande vitesse, la large queue, qui stabilisait auparavant parfaitement le modèle, commence à interférer.

Modèle n°2.
Le modèle avec les pires caractéristiques de vol. Le grand balayage et les ailes courtes sont conçus pour mieux fonctionner à grande vitesse, ce qui se produit, mais la portance n'augmente pas suffisamment et l'avion vole vraiment comme une lance. De plus, il ne se stabilise pas correctement en vol.

Modèle n°3.
Représentant de l’école « d’ingénieur », le modèle a été conçu avec des caractéristiques particulières. Les ailes à rapport d'aspect élevé fonctionnent en fait mieux, mais la traînée augmente très rapidement - l'avion vole lentement et ne tolère pas l'accélération. Pour compenser la rigidité insuffisante du papier, de nombreux plis sont utilisés au niveau du bout de l'aile, ce qui augmente également la résistance. Cependant, le modèle est très impressionnant et vole bien.

12. Quelques résultats sur la visualisation des vortex

Si vous introduisez une source de fumée dans le flux, vous pourrez voir et photographier les flux qui font le tour de l'aile. Nous n'avions pas de générateurs de fumée spéciaux à notre disposition ; nous utilisions des bâtons d'encens. Pour augmenter le contraste, un filtre spécial a été utilisé pour le traitement des photographies. Le débit a également diminué car la densité de la fumée était faible.

Formation d'écoulement au bord d'attaque de l'aile.

« Queue » turbulente.

Les écoulements peuvent également être examinés à l'aide de fils courts collés à l'aile, ou d'une fine sonde munie d'un fil à l'extrémité.

13. Relation entre les paramètres et les solutions de conception. Comparaison des options réduites à une aile rectangulaire. La position du centre aérodynamique et du centre de gravité et les caractéristiques des modèles.

Il a déjà été noté que le papier en tant que matériau présente de nombreuses limites. Pour les faibles vitesses de vol, les ailes longues et étroites ont meilleure qualité. Ce n'est pas un hasard si les vrais planeurs, en particulier ceux qui battent des records, possèdent également de telles ailes. Cependant, les avions en papier ont des limites technologiques et leurs ailes ne sont pas optimales.
Pour analyser la relation entre la géométrie des modèles et leurs caractéristiques de vol, il est nécessaire de réduire la forme complexe à un analogue rectangulaire en utilisant la méthode de transfert de zone. La meilleure façon d'y parvenir est d'utiliser des programmes informatiques qui vous permettent d'imaginer différents modèles sous une forme universelle. Après les transformations, la description sera réduite aux paramètres de base - envergure, longueur de corde, centre aérodynamique.

La relation mutuelle entre ces grandeurs et le centre de masse permettra de fixer les valeurs caractéristiques de divers types comportement. Ces calculs dépassent le cadre de ce travail, mais peuvent être effectués facilement. Cependant, on peut supposer que le centre de gravité d'un avion en papier à ailes rectangulaires est à une distance d'un sur quatre du nez à la queue, pour un avion à ailes delta, il est à la moitié (le soi-disant point neutre). .

14. Planification économe en énergie. Stabilisation du vol.
Tactiques de record du monde pour la durée du vol.

Sur la base des courbes des forces de portance et de traînée, il est possible de trouver un mode de vol énergétiquement favorable avec le moins de pertes. C’est certes important pour les avions de ligne long-courriers, mais cela peut aussi être utile dans l’aviation papier. En modernisant légèrement l'avion (plier les bords, redistribuer le poids), on peut obtenir de meilleures caractéristiques de vol ou, à l'inverse, transférer le vol en mode critique.
D'une manière générale, les avions en papier ne modifient pas leurs caractéristiques pendant le vol, ils peuvent donc se passer de stabilisateurs spéciaux. La queue, qui crée une résistance, permet de déplacer le centre de gravité vers l'avant. La rectitude du vol est maintenue grâce au plan vertical du virage et au V transversal des ailes.
La stabilité signifie que l'avion, lorsqu'il est dévié, a tendance à revenir vers une position neutre. L’intérêt de la stabilité de l’angle de plané est que l’avion maintiendra la même vitesse. Plus l'avion est stable, plus la vitesse est élevée, comme le modèle n°2. Mais cette tendance doit être limitée - la portance doit être utilisée, donc les meilleurs avions en papier ont pour la plupart une stabilité neutre, c'est la meilleure combinaison de qualités.
Toutefois, les régimes établis ne sont pas toujours les meilleurs. Le record du monde de durée de vol a été établi grâce à des tactiques très spécifiques. Tout d'abord, l'avion est lancé en ligne droite verticale ; il est simplement projeté à sa hauteur maximale. Deuxièmement, après stabilisation au point haut en raison de la position relative du centre de gravité et de la surface effective de l'aile, l'avion lui-même doit passer en vol normal. Troisièmement, la répartition du poids de l'avion n'est pas normale - sa partie avant est sous-chargée, donc en raison de la grande résistance, qui ne compense pas le poids, il ralentit très rapidement. Dans le même temps, la portance de l'aile diminue fortement, elle pique et, en tombant, accélère avec un coup sec, mais ralentit à nouveau et se fige. De telles oscillations (tangage) sont atténuées en raison de l'inertie aux points d'évanouissement et, par conséquent, le temps total passé dans les airs est plus long qu'un vol de glisse uniforme normal.

15. Un peu sur la synthèse d'une conception avec des caractéristiques données.

On suppose qu'après avoir déterminé les principaux paramètres d'un avion en papier, leur relation et ainsi terminé l'étape d'analyse, on peut passer à la tâche de synthèse - basée sur exigences nécessaires créer un nouveau design. C'est ce que font empiriquement les amateurs du monde entier : le nombre de projets a dépassé les 1 000. Mais il n'existe pas d'expression numérique définitive pour un tel travail, tout comme il n'y a pas d'obstacles particuliers à la réalisation de telles recherches.

16. Analogies pratiques. Écureuil volant. Suite dans l'aile.

Il est clair qu'un avion en papier n'est avant tout qu'une source de joie et une merveilleuse illustration du premier pas dans le ciel. Un principe similaire de vol à voile n'est utilisé en pratique que par les écureuils volants, qui n'ont pas une grande importance économique, du moins dans notre région.

Une similitude plus pratique avec un avion en papier est la « Wing suite » - une combinaison ailée pour parachutistes qui permet un vol horizontal. À propos, la qualité aérodynamique d'une telle combinaison est inférieure à celle d'un avion en papier - pas plus de 3.

17. Revenez à la carte mentale. Niveau de développement. Questions soulevées et options pour un développement ultérieur de la recherche.

Compte tenu du travail effectué, nous pouvons ajouter des couleurs à la carte mentale indiquant l'achèvement des tâches assignées. Le vert indique les éléments qui sont à un niveau satisfaisant, le vert clair indique les problèmes qui présentent certaines limites, le jaune indique les domaines qui ont été abordés mais pas suffisamment développés et le rouge indique les domaines prometteurs qui nécessitent des recherches supplémentaires.

18. Conclusion.

À la suite de ces travaux, les bases théoriques du vol des avions en papier ont été étudiées, des expériences ont été planifiées et réalisées, ce qui a permis de déterminer les paramètres numériques de différentes conceptions et les relations générales entre elles. Des mécanismes de vol complexes sont également abordés, du point de vue de l'aérodynamique moderne.
Les principaux paramètres affectant le vol sont décrits et des recommandations complètes sont données.
Dans la partie générale, une tentative a été faite pour systématiser le domaine de la connaissance sur la base d'une carte mentale, et les principales orientations pour des recherches ultérieures ont été décrites.

19. Liste des références.

1. Aérodynamique des avions en papier [Ressource électronique] / Ken Blackburn - mode d'accès : http://www.paperplane.org/paero.htm, gratuit. - Casquette. depuis l'écran. - Ouais. Anglais

2. À Schuette. Introduction à la physique du vol. Traduction de G.A. Wolpert de la cinquième édition allemande. - M. : Maison d'édition unifiée scientifique et technique de l'URSS NKTP. Rédaction de la littérature technique et théorique, 1938. - 208 p.

3. Stakhursky A. Pour les mains expertes : Soufflerie de table. Station centrale des jeunes techniciens du nom de N.M. Shvernik - M. : Ministère de la Culture de l'URSS. Direction principale de l'imprimerie, 13e Imprimerie, 1956. - 8 p.

4. Merzlikin V. Modèles radiocommandés de planeurs. - M, : Maison d'édition DOSAAF URSS, 1982. - 160 p.

5. A.L. Stasenko. Physique du vol. - M : Sciences. Rédaction principale de littérature physique et mathématique, 1988, - 144 p.