Quais são as condições para um planejamento de longo prazo de um avião de papel. Aviões de papel que voam por muito tempo: diagramas, descrições e recomendações

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1 Trabalho de pesquisa Tema de trabalho Ideal avião de papel Concluído por: Prokhorov Vitaly Andreevich, aluno da 8ª série da Escola Secundária Smelovskaya da Instituição Educacional Municipal Supervisor: Prokhorova Tatyana Vasilievna, professora de história e estudos sociais, Escola Secundária Smelovskaya da Instituição Educacional Municipal, 2016.

2 Conteúdo Introdução O avião ideal Componentes do sucesso Segunda lei de Newton ao lançar um avião Forças que atuam em um avião em vôo Sobre a asa Lançamento de um avião Teste de aviões Modelos de aviões Teste de alcance de vôo e tempo de planeio Modelo de um avião ideal Vamos resumir: Modelo teórico Seu próprio modelo e seus testes Conclusões Referências Apêndice 1. Diagrama da influência de forças em um avião em vôo Apêndice 2. Arraste Apêndice 3. Proporção da asa Apêndice 4. Varredura da asa Apêndice 5. Corda aerodinâmica média da asa (MAC) Apêndice 6. Formato da asa Apêndice 7 Circulação de ar ao redor da asa Apêndice 8. Ângulo de lançamento do avião Apêndice 9. Modelos de aviões para experimentos.

3 Introdução Avião de papel (avião) é um avião de brinquedo feito de papel. É provavelmente a forma mais comum de aerogami, um ramo do origami (a arte japonesa de dobrar papel). Em japonês, tal avião é chamado 紙飛行機 (kami hikoki; kami=papel, hikoki=avião). Apesar da aparente frivolidade desta atividade, descobriu-se que pilotar aviões é uma ciência completa. Nasceu em 1930, quando Jack Northrop, fundador da Lockheed Corporation, usou aviões de papel para testar novas ideias no projeto de aeronaves reais. E as competições esportivas de lançamento de aviões de papel, Red Bull Paper Wings, são realizadas em nível mundial. Eles foram inventados pelo britânico Andy Chipling. Durante muitos anos ele e seus amigos criaram modelos de papel e, em 1989, fundou a Paper Aircraft Association. Foi ele quem escreveu o conjunto de regras para lançamento de aviões de papel, que são utilizadas por especialistas do Guinness Book of Records e que se tornaram as configurações oficiais do campeonato mundial. Origami, e especificamente o aerogami, sempre foi meu hobby. Colecionei vários modelos de aviões de papel, mas alguns deles voaram perfeitamente, enquanto outros caíram imediatamente. Por que isso acontece, como fazer um modelo de avião ideal (voando longo e longe)? Combinando minha paixão com meu conhecimento de física, comecei minha pesquisa. Objetivo do estudo: aplicando as leis da física, criar um modelo de avião ideal. Objetivos: 1. Estudar as leis básicas da física que afetam o vôo de um avião. 2. Deduza as regras para criar um avião ideal. 3

4 3. Examine modelos de aviões já criados quanto à proximidade com o modelo teórico de um avião ideal. 4. Crie seu próprio modelo de avião, próximo ao modelo teórico de um avião ideal. 1. Avião ideal 1.1. Ingredientes para o sucesso Primeiro, vejamos a questão de como fazer um bom avião de papel. Veja, a principal função de um avião é a capacidade de voar. Como fazer um avião com o melhor desempenho. Para fazer isso, vamos primeiro voltar às observações: 1. O avião voa mais rápido e por mais tempo, mais forte é o lançamento, exceto nos casos em que algo (geralmente um pedaço de papel esvoaçante no nariz ou asas abaixadas penduradas) cria resistência e desacelera o movimento para frente do avião. 2. Por mais que tentemos arremessar um pedaço de papel, não conseguiremos arremessá-lo tão longe quanto uma pedrinha de mesmo peso. 3. Para um avião de papel, asas longas são inúteis, as asas curtas são mais eficazes. Aviões mais pesados ​​não voam muito longe. 4. Outro fator importante a considerar é o ângulo em que o avião se move para frente. Voltando-nos para as leis da física, encontramos as razões dos fenômenos observados: 1. Os voos dos aviões de papel obedecem à segunda lei de Newton: a força (neste caso, a sustentação) é igual à taxa de variação do momento. 2. É tudo uma questão de arrasto, uma combinação de resistência do ar e turbulência. A resistência do ar causada pela sua viscosidade é proporcional à área da seção transversal da parte frontal da aeronave, 4

5 em outras palavras, depende do tamanho do nariz do avião quando visto de frente. A turbulência é o resultado de correntes de ar em vórtice que se formam em torno de uma aeronave. É proporcional à área da superfície da aeronave; o formato aerodinâmico a reduz significativamente. 3. As grandes asas de um avião de papel cedem e não resistem aos efeitos de flexão da sustentação, tornando o avião mais pesado e aumentando o arrasto. O excesso de peso impede que um avião voe longe, e esse peso é normalmente criado pelas asas, com a maior sustentação ocorrendo na área da asa mais próxima da linha central do avião. Portanto, as asas devem ser muito curtas. 4. No lançamento, o ar deve atingir a parte inferior das asas e ser desviado para baixo, proporcionando sustentação adequada à aeronave. Se o avião não estiver inclinado em relação à direção de deslocamento e seu nariz não estiver levantado, a sustentação não ocorrerá. A seguir veremos as leis físicas básicas que afetam o avião, com mais detalhes a Segunda Lei de Newton ao lançar um avião. Sabemos que a velocidade de um corpo muda sob a influência de uma força aplicada a ele. Se várias forças atuam sobre um corpo, então é encontrada a resultante dessas forças, ou seja, uma certa força total total que possui uma determinada direção e valor numérico. Na verdade, todos os casos de aplicação várias forças em um momento específico pode ser reduzido à ação de uma força resultante. Portanto, para descobrir como a velocidade de um corpo mudou, precisamos de saber que força atua sobre o corpo. Dependendo da magnitude e direção da força, o corpo receberá uma ou outra aceleração. Isto é claramente visível quando o avião é lançado. Quando aplicamos uma pequena força no avião, ele não acelerou muito. Quando é o poder 5

Com o impacto aumentado, o avião adquiriu uma aceleração muito maior. Ou seja, a aceleração é diretamente proporcional à força aplicada. Quanto maior a força de impacto, maior será a aceleração que o corpo adquire. A massa de um corpo também está diretamente relacionada à aceleração adquirida pelo corpo como resultado da influência da força. Neste caso, a massa do corpo é inversamente proporcional à aceleração resultante. Quanto maior a massa, menor será a aceleração. Com base no exposto, chegamos à conclusão de que, ao ser lançado, o avião obedece à segunda lei de Newton, que é expressa pela fórmula: a = F/m, onde a é a aceleração, F é a força de impacto, m é a massa corporal. A definição da segunda lei é a seguinte: a aceleração adquirida por um corpo em decorrência de um impacto sobre ele é diretamente proporcional à força ou forças resultantes desse impacto e inversamente proporcional à massa do corpo. Assim, inicialmente o avião obedece à segunda lei de Newton e o alcance do voo também depende da força e massa iniciais dadas do avião. Portanto, daí decorrem as primeiras regras para a criação de um avião ideal: o avião deve ser leve, inicialmente dar ao avião maior força que atua sobre o avião em vôo. Quando um avião voa, ele é influenciado por muitas forças devido à presença de ar, mas todas elas podem ser representadas na forma de quatro forças principais: gravidade, sustentação, força dada no lançamento e resistência do ar (arrasto) (ver Apêndice 1). A força da gravidade sempre permanece constante. A força de sustentação se opõe ao peso da aeronave e pode ser maior ou menos peso, dependendo da quantidade de energia gasta no avanço. A força definida no lançamento é neutralizada pela força de resistência do ar (também conhecida como arrasto). 6

7 Em vôo reto e horizontal, essas forças são mutuamente equilibradas: a força especificada no lançamento é igual à força de resistência do ar, a força de sustentação é igual ao peso da aeronave. Sob nenhuma outra proporção dessas quatro forças principais é possível o voo retilíneo e horizontal. Qualquer alteração em qualquer uma dessas forças afetará o comportamento de voo da aeronave. Se a sustentação criada pelas asas aumentar em comparação com a força da gravidade, o avião sobe. Por outro lado, uma diminuição na sustentação contra a gravidade faz com que a aeronave desça, ou seja, perca altitude e caia. Se o equilíbrio de forças não for mantido, a aeronave irá curvar sua trajetória de vôo na direção da força predominante. Detenhamo-nos mais detalhadamente no arrasto, como um dos fatores importantes da aerodinâmica. Arraste é a força que impede o movimento dos corpos em líquidos e gases. O arrasto consiste em dois tipos de forças: forças de atrito tangencial (tangencial) direcionadas ao longo da superfície do corpo e forças de pressão direcionadas à superfície (Apêndice 2). A força de arrasto é sempre direcionada contra o vetor velocidade do corpo no meio e, juntamente com a força de sustentação, é um componente da força aerodinâmica total. A força de arrasto é geralmente representada como a soma de dois componentes: arrasto de sustentação zero (arrasto de dano) e arrasto induzido. O arrasto prejudicial surge como resultado do impacto da pressão do ar em alta velocidade nos elementos estruturais da aeronave (todas as partes salientes da aeronave criam um arrasto prejudicial ao se mover no ar). Além disso, na junção da asa e do “corpo” do avião, bem como na cauda, ​​ocorre turbulência no fluxo de ar, o que também cria um arrasto prejudicial. Prejudicial 7

8 o arrasto aumenta conforme o quadrado da aceleração do avião (se você dobrar a velocidade, o arrasto prejudicial quadruplica). EM aviação moderna aeronaves de alta velocidade, apesar das bordas afiadas das asas e do formato superaerodinâmico, experimentam um aquecimento significativo da pele quando superam a força de arrasto com a potência de seus motores (por exemplo, a aeronave de reconhecimento de alta altitude mais rápida do mundo, SR -71 Black Bird é protegido por um revestimento especial resistente ao calor). O segundo componente do arrasto, o arrasto induzido, é um subproduto da sustentação. Ocorre quando o ar flui de uma área de alta pressão na frente da asa para um ambiente rarefeito atrás da asa. O efeito especial da resistência indutiva é perceptível em baixas velocidades de vôo, como é observado em aviões de papel ( Um bom exemplo Este fenômeno pode ser observado em aeronaves reais durante o pouso. O avião levanta o nariz durante o pouso, os motores começam a zumbir mais intensamente, aumentando o empuxo). O arrasto indutivo, semelhante ao arrasto prejudicial, tem uma relação de um para dois com a aceleração da aeronave. E agora um pouco sobre turbulência. Dicionário A enciclopédia Aviation dá a definição: “Turbulência é a formação aleatória de ondas fractais não lineares com velocidade crescente em um meio líquido ou gasoso”. Em suas próprias palavras, esta é uma propriedade física da atmosfera na qual a pressão, a temperatura, a direção e a velocidade do vento mudam constantemente. Devido a esta massas de ar tornam-se heterogêneos em composição e densidade. E ao voar, nosso avião pode cair em correntes de ar para baixo (“prego” no chão) ou para cima (melhor para nós, porque elas levantam o avião do chão), e também essas correntes podem se mover caoticamente, torcer (então o avião voa imprevisivelmente, gira e gira). 8

9 Assim, deduzimos do acima exposto as qualidades necessárias para criar um avião ideal em vôo: Um avião ideal deve ser longo e estreito, afinando em direção ao nariz e à cauda, ​​como uma flecha, com uma área de superfície relativamente pequena para o seu peso. Um avião com essas características voa uma distância maior. Se o papel for dobrado de modo que a superfície inferior do avião fique plana e horizontal, a sustentação atuará sobre ele à medida que desce e aumentará seu alcance de voo. Conforme observado acima, a sustentação ocorre quando o ar atinge a superfície inferior de uma aeronave que voa com o nariz ligeiramente levantado na asa. Envergadura é a distância entre planos paralelos ao plano de simetria da asa e tangentes a ele pontos extremos. A envergadura é uma importante característica geométrica de uma aeronave, influenciando sua aerodinâmica e desempenho de vôo, e também é uma das principais dimensões gerais da aeronave. A proporção da asa é a relação entre a envergadura da asa e sua corda aerodinâmica média (Apêndice 3). Para uma asa não retangular, proporção = (vão ao quadrado)/área. Isso pode ser entendido se tomarmos como base uma asa retangular, a fórmula será mais simples: proporção = vão/corda. Aqueles. se a asa tiver envergadura de 10 metros e a corda = 1 metro, então a proporção será = 10. Quanto maior a proporção, menor será o arrasto indutivo da asa associado ao fluxo de ar da superfície inferior da asa para a parte superior através da ponta com formação de vórtices na ponta. Para uma primeira aproximação, podemos assumir que o tamanho característico de tal vórtice é igual à corda, e com o aumento da envergadura o vórtice torna-se cada vez menor em comparação com a envergadura da asa. 9

10 Naturalmente, quanto menor for o arrasto indutivo, menor será a resistência total do sistema e maior será a qualidade aerodinâmica. Naturalmente, existe a tentação de tornar a extensão o maior possível. E aqui começam os problemas: junto com o uso de relações de aspecto elevadas, temos que aumentar a resistência e a rigidez da asa, o que acarreta um aumento desproporcional na massa da asa. Do ponto de vista aerodinâmico, o mais vantajoso seria uma asa que tivesse a capacidade de criar a maior sustentação possível com o menor arrasto possível. Para avaliar a perfeição aerodinâmica da asa, é introduzido o conceito de qualidade aerodinâmica da asa. A qualidade aerodinâmica de uma asa é a relação entre a força de sustentação e a força de arrasto da asa. A melhor forma aerodinâmica é a elíptica, mas tal asa é difícil de fabricar e, portanto, raramente usada. Uma asa retangular é menos vantajosa do ponto de vista aerodinâmico, mas é muito mais fácil de fabricar. Uma asa trapezoidal tem melhores características aerodinâmicas que uma retangular, mas é um pouco mais difícil de fabricar. As asas varridas e triangulares são aerodinamicamente inferiores em baixas velocidades às asas trapezoidais e retangulares (tais asas são usadas em aeronaves que voam em velocidades transônicas e supersônicas). Uma asa elíptica em planta tem a mais alta qualidade aerodinâmica - o menor arrasto possível com a máxima sustentação. Infelizmente, uma asa deste formato não é frequentemente utilizada devido à complexidade do projeto (um exemplo do uso de uma asa deste tipo é o caça Spitfire inglês) (Apêndice 6). A varredura da asa é o ângulo de desvio da asa da normal ao eixo de simetria da aeronave, em projeção no plano base da aeronave. Neste caso, a direção para a cauda é considerada positiva (Anexo 4). Existem 10

11 varra ao longo do bordo de ataque da asa, ao longo do bordo de fuga e ao longo da linha de um quarto de corda. Asa varrida para frente (KSW) é uma asa com varredura negativa (exemplos de modelos de aeronaves varridas para frente: Su-47 Berkut, planador checoslovaco LET L-13). A carga da asa é a relação entre o peso da aeronave e a área da superfície de suporte de carga. Expresso em kg/m² (para modelos - g/dm²). Quanto menor a carga, menor a velocidade necessária para o vôo. A corda aerodinâmica média de uma asa (MAC) é um segmento de reta que conecta os dois pontos mais distantes do perfil. Para uma asa de planta retangular, o MAR é igual à corda da asa (Anexo 5). Conhecendo a magnitude e a posição do MAR na aeronave e tomando-a como linha de base, determine a posição do centro de gravidade da aeronave em relação a ele, que é medida em % do comprimento do MAR. A distância do centro de gravidade ao início do MAR, expressa em porcentagem do seu comprimento, é chamada de centro de gravidade da aeronave. Descobrir o centro de gravidade de um avião de papel pode ser mais fácil: pegue agulha e linha; fure o avião com uma agulha e deixe-o pendurado por um fio. O ponto em que o avião se equilibrará com asas perfeitamente planas é o centro de gravidade. E um pouco mais sobre o perfil da asa - esse é o formato da asa em seção transversal. O perfil da asa tem forte influência em todas as características aerodinâmicas da asa. Existem vários tipos de perfis, porque a curvatura das superfícies superior e inferior tipos diferentes diferente, assim como, de fato, a espessura do próprio perfil (Apêndice 6). Clássico é quando o fundo está próximo do plano e o topo é convexo de acordo com uma determinada lei. Esse é o chamado perfil assimétrico, mas também existem os simétricos, quando a parte superior e inferior apresentam a mesma curvatura. O desenvolvimento de perfis aerodinâmicos tem sido realizado quase desde o início da história da aviação e ainda está sendo realizado (na Rússia, o Instituto Central Aerohidrodinâmico TsAGI está empenhado no desenvolvimento de aeronaves reais 11

12 Instituto em homenagem ao Professor N.E. Zhukovsky, nos EUA tais funções são desempenhadas pelo Langley Research Center (uma divisão da NASA). Tiremos conclusões do que foi dito acima sobre a asa de um avião: Um avião tradicional tem asas longas e estreitas mais próximas do meio, a parte principal, equilibradas por pequenas asas horizontais mais próximas da cauda. O papel não tem resistência para designs tão complexos e dobra e enruga facilmente, especialmente durante o processo de inicialização. Isso significa que as asas de papel perdem propriedades aerodinâmicas e criam arrasto. Um avião de design tradicional é um dispositivo aerodinâmico e bastante durável; suas asas em formato delta proporcionam um deslizamento estável, mas são relativamente grandes, criam frenagem excessiva e podem perder rigidez. Essas dificuldades podem ser superadas: superfícies de elevação em forma de asa delta menores e mais duráveis ​​são feitas de duas ou mais camadas de papel dobrado e mantêm melhor sua forma durante lançamentos em alta velocidade. As asas podem ser dobradas de forma que se forme uma pequena protuberância na superfície superior, aumentando a sustentação, como na asa de um avião real (Apêndice 7). O design solidamente construído possui massa que aumenta o torque inicial sem aumentar significativamente o arrasto. Ao mover as asas delta para frente e equilibrar a sustentação com um corpo longo e plano em forma de V em direção à cauda que evita o movimento lateral (deflexão) durante o vôo, as características mais valiosas de um avião de papel podem ser combinadas em um único design. 1.5 Lançamento do avião 12

13 Vamos começar com o básico. Nunca segure seu avião de papel pela borda posterior da asa (cauda). Como o papel flexiona muito, o que é muito ruim para a aerodinâmica, qualquer ajuste cuidadoso ficará comprometido. É melhor segurar o avião pelas camadas mais grossas de papel perto do nariz. Normalmente este ponto está próximo do centro de gravidade da aeronave. Para enviar o avião à distância máxima, é necessário lançá-lo para frente e para cima em um ângulo de 45 graus (parábola) o mais forte possível, o que foi confirmado por nosso experimento de lançamento em diferentes ângulos em relação à superfície (Apêndice 8). Isso ocorre porque no lançamento, o ar deve atingir a parte inferior das asas e ser desviado para baixo, proporcionando sustentação adequada à aeronave. Se o avião não estiver inclinado em relação à direção de deslocamento e seu nariz não estiver levantado, a sustentação não ocorrerá. Um avião normalmente tem a maior parte de seu peso para trás, o que significa que a traseira está abaixada, o nariz levantado e a sustentação é garantida. Ele equilibra o avião, permitindo-lhe voar (exceto quando a força de sustentação é muito grande, fazendo com que o avião suba bruscamente e caia). Em competições de tempo de voo, você deve lançar o avião à altitude máxima para que demore mais para descer. Em geral, as técnicas de lançamento de aeronaves acrobáticas são tão variadas quanto seus designs. E assim a técnica para lançar o avião ideal: A empunhadura correta deve ser forte o suficiente para segurar o avião, mas não tão forte a ponto de deformá-lo. A aba de papel dobrada na superfície inferior sob o nariz do avião pode ser usada como suporte de lançamento. Ao lançar, mantenha o avião em um ângulo de 45 graus até sua altitude máxima. 2.Testando aviões 13

14 2.1. Modelos de aviões Para confirmar (ou refutar, se estiverem incorretos para aviões de papel), selecionamos 10 modelos de aviões, com características diferentes: envergadura, envergadura, densidade estrutural, estabilizadores adicionais. E é claro que pegamos um modelo de avião clássico para explorar também a escolha de muitas gerações (Apêndice 9) 2.2. Teste de alcance e tempo de planeio. 14

15 Nome do modelo Alcance de vôo (m) Duração do vôo (batidas do metrônomo) Recursos no lançamento Prós Contras 1. Torções Desliza muito alado Controle ruim Fundo plano asas grandes Grande Não desliza turbulência 2. Torções Desliza Asas largas Cauda Fraca Não estável em vôo Turbulência controlada 3. Mergulhos Nariz estreito Turbulência Torções de caçador Fundo plano Peso do nariz Parte estreita do corpo 4. Desliza Fundo plano Asas grandes Planador Guinness Voa em arco Corpo estreito em arco Longo vôo em arco planado 5. Voa ao longo Asas cônicas Corpo largo reto, em estabilizadores de vôo Sem Fusca no final do vôo, o formato do arco muda abruptamente a trajetória de vôo 6. Voa reto Fundo plano Corpo largo Tradicional bom Asas pequenas Sem planos de arco 15

16 7. Mergulho Asas estreitas Nariz pesado Voa na frente Asas grandes, retas Corpo estreito deslocado para trás Bombardeiro de mergulho Arqueado (devido aos flaps na asa) Densidade de design 8. Scout Voa ao longo Corpo pequeno Asas largas retas Desliza Tamanho pequeno ao longo do comprimento Estrutura arqueada densa 9. Cisne branco Voa ao longo Corpo estreito reto Estável Asas estreitas em vôo de fundo plano Estrutura densa Equilibrado 10. Furtivo Voa ao longo de arco reto Desliza muda a trajetória O eixo das asas é estreitado para trás Não arqueado Asas largas Corpo grande Não estrutura densa Duração do vôo (do maior para o menor): Planador Guinness e Tradicional, Fusca, Cisne Branco Comprimento do vôo (do maior para o menor): Cisne Branco, Fusca e Tradicional, Escoteiro. Os líderes em duas categorias foram: Cisne Branco e Fusca. Estude esses modelos e combine-os com conclusões teóricas, tome-os como base para um modelo de avião ideal. 3. Modelo de avião ideal 3.1 Vamos resumir: modelo teórico 16

17 1. o avião deve ser leve, 2. inicialmente dar ao avião grande resistência, 3. longo e estreito, afinando em direção ao nariz e à cauda como uma flecha, com uma área de superfície relativamente pequena para seu peso, 4. a superfície inferior do o avião é plano e horizontal, 5. superfícies de elevação pequenas e mais fortes em forma de asas em forma de delta, 6. dobre as asas de modo que se forme uma ligeira protuberância na superfície superior, 7. mova as asas para frente e equilibre a sustentação. com o corpo longo e plano da aeronave, em forma de V na cauda, ​​8. estrutura sólida, 9. a empunhadura deve ser forte o suficiente e na saliência na superfície inferior, 10. lançamento em um ângulo de 45 graus e à altura máxima. 11. Usando os dados, fizemos esboços do avião ideal: 1. Vista lateral 2. Vista inferior 3. Vista frontal Tendo criado esboços do avião ideal, voltei-me para a história da aviação para descobrir se minhas conclusões coincidem com as aeronaves desenhistas. E encontrei um protótipo de aeronave de asa delta desenvolvida após a Segunda Guerra Mundial: o Convair XF-92 - um interceptador pontual (1945). E a confirmação da veracidade das conclusões é que se tornou o ponto de partida para uma nova geração de aeronaves. 17

18 Seu próprio modelo e seus testes. Nome do modelo Alcance do voo (m) Duração do voo (batidas do metrônomo) ID Recursos no lançamento Prós (proximidade do avião ideal) Contras (desvios do avião ideal) Voa 80% 20% direto (perfeição (para planos de gerenciamento adicionais sem limite) melhorias ) Quando há vento contrário forte, ele “levanta” a 90 0 e vira Meu modelo é feito com base nos modelos usados ​​​​na parte prática, a maior semelhança com o “cisne branco”. Mas, ao mesmo tempo, fiz uma série de transformações significativas: um formato delta maior da asa, uma curvatura na asa (como a do “batedor” e outras semelhantes), o corpo foi reduzido e o corpo foi dada rigidez estrutural adicional. Isso não quer dizer que estou completamente satisfeito com meu modelo. Gostaria de diminuir a parte inferior do corpo, deixando a mesma densidade estrutural. As asas podem receber um formato delta maior. Pense na seção da cauda. Mas não pode ser de outra forma; há tempo pela frente para mais estudos e criatividade. Isso é exatamente o que os projetistas de aeronaves profissionais fazem. Você pode aprender muito com eles. Isso é o que farei no meu hobby. 17

19 Conclusões Como resultado do estudo, nos familiarizamos com as leis básicas da aerodinâmica que afetam o avião. Com base nisso, foram derivadas regras para a combinação ideal que contribuem para a criação do avião ideal. Para testar as conclusões teóricas na prática, foram dobrados modelos de aviões de papel, variando em complexidade de dobramento, alcance de voo e duração. Durante o experimento, foi compilada uma tabela na qual as deficiências reveladas dos modelos foram comparadas com as conclusões teóricas. Depois de comparar os dados da teoria e da experiência, criei um modelo do meu avião ideal. Ainda precisa ser melhorado, aproximando-o da perfeição! 18

20 Referências 1. Enciclopédia "Aviação" / website Acadêmico %D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1% 82%D1%8C 2. Collins J. Aviões de papel / J. Collins: trad. do inglês P. Mironova. M.: Mani, Ivanov e Ferber, 2014. Anos 160 Babintsev V. Aerodinâmica para manequins e cientistas / portal Proza.ru 4. Babintsev V. Einstein e força de sustentação, ou Por que uma cobra precisa de cauda / portal Proza.ru 5. Arzhanikov N.S., Sadekova G.S., Aerodinâmica de aeronaves 6. Modelos e métodos de aerodinâmica / 7. Ushakov V.A., Krasilshchikov P.P., Volkov A.K., Grzhegorzhevsky A.N., Atlas de características aerodinâmicas de perfis de asa / 8. Aerodinâmica de uma aeronave / 9. Movimento de corpos no ar / email zhur. Aerodinâmica na natureza e tecnologia. Breve informação sobre aerodinâmica Como voam os aviões de papel / Pessoa interessante. Ciência interessante e legal, Sr. S. Chernyshev Por que o avião voa? S. Chernyshev, diretor do TsAGI. Revista "Ciência e Vida", 11, 2008 / SGV Força Aérea" 4º VA VGK - fórum de unidades e guarnições "Aviação e equipamentos de aeródromo" - Aviação para manequins 19

21 12. Gorbunov Al. Aerodinâmica para "manequins" / Gorbunov Al., g Estrada nas nuvens / zhur. Planeta julho de 2013 Marcos da aviação: protótipo de aeronave com asa delta 20

22 Apêndice 1. Diagrama da influência das forças em um avião em vôo. Aceleração de sustentação especificada no lançamento Gravity Drag Apêndice 2. Arraste. Fluxo e formato do obstáculo Resistência à forma Resistência ao atrito viscoso 0% 100% ~10% ~90% ~90% ~10% 100% 0% 21

23 Apêndice 3. Extensão da asa. Apêndice 4. Varredura de asa. 22

24 Apêndice 5. Corda aerodinâmica média da asa (MAC). Apêndice 6. Formato da asa. Plano de seção transversal 23

25 Apêndice 7. Circulação de ar ao redor da asa Um vórtice é formado na borda afiada do perfil da asa. Quando um vórtice é formado, a circulação de ar ocorre ao redor da asa. O vórtice é levado pelo fluxo e as linhas de corrente fluem suavemente ao redor. o perfil; eles estão concentrados acima da asa Apêndice 8. Ângulo de lançamento do avião 24

26 Apêndice 9. Modelos de aviões para o experimento Modelo de papel 1 Nome 6 Modelo de papel Nome Krylan Tradicional 2 7 Tail Dive 3 8 Hunter Scout 4 9 Guinness Glider White Swan 5 10 Stealth Beetle 26


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Uma pessoa voará não confiando na força de seus músculos, mas na força de sua mente.

(N. E. Zhukovsky)

Por que e como um avião voa Por que os pássaros podem voar mesmo sendo mais pesados ​​que o ar? Que forças levantam um enorme avião de passageiros que pode voar mais rápido, mais alto e mais longe do que qualquer pássaro, porque as suas asas estão imóveis? Por que um planador sem motor pode flutuar no ar? Todas essas e muitas outras questões são respondidas pela aerodinâmica - uma ciência que estuda as leis de interação do ar com os corpos que nele se movem.

No desenvolvimento da aerodinâmica em nosso país, um papel de destaque foi desempenhado pelo professor Nikolai Egorovich Zhukovsky (1847 -1921) - “o pai da aviação russa”, como o chamou V.I. O mérito de Zhukovsky reside no fato de ter sido o primeiro a explicar a formação da força de sustentação de uma asa e a formular um teorema para calcular essa força. Zhukovsky não apenas descobriu as leis subjacentes à teoria do voo, mas também preparou o terreno para o rápido desenvolvimento da aviação em nosso país.

Ao voar em qualquer avião quatro forças atuam, cuja combinação o impede de cair:

Gravidade- uma força constante que atrai o avião para o solo.

Força de tração, que vem do motor e move o avião para frente.

Força de resistência, o oposto do empuxo e é causado pelo atrito, desacelerando a aeronave e reduzindo a sustentação das asas.

Força de elevação, que é formado quando o ar que se move sobre a asa cria pressão reduzida. Sujeitas às leis da aerodinâmica, todas as aeronaves decolam, começando pelas aeronaves esportivas leves

À primeira vista, todos os aviões são muito semelhantes, mas se você olhar de perto, poderá encontrar diferenças entre eles. Eles podem diferir nas asas, cauda e estrutura da fuselagem. Sua velocidade, altitude de voo e outras manobras dependem disso. E cada avião tem apenas o seu próprio par de asas.

Para voar, você não precisa bater as asas, você precisa fazê-las se moverem em relação ao ar. E para fazer isso, a asa só precisa receber velocidade horizontal. Da interação da asa com o ar surgirá uma força de sustentação, e assim que seu valor for maior que o peso da própria asa e de tudo relacionado a ela, o vôo começará. A única coisa que resta a fazer é fazer uma asa adequada e poder acelerá-la até a velocidade necessária.

Pessoas observadoras notaram há muito tempo que as asas dos pássaros não são planas. Considere uma asa cuja superfície inferior é plana e cuja superfície superior é convexa.

O fluxo de ar que flui para o bordo de ataque da asa é dividido em duas partes: uma flui ao redor da asa por baixo e a outra por cima. O ar vindo de cima tem que percorrer um caminho um pouco mais longo do que vindo de baixo, portanto, a velocidade do ar vindo de cima também será um pouco maior do que vindo de baixo. Sabe-se que à medida que a velocidade aumenta, a pressão no fluxo de gás cai. Também aqui a pressão do ar sob a asa é maior do que acima dela. A diferença de pressão é direcionada para cima e essa é a força de sustentação. E se você adicionar um ângulo de ataque, a sustentação aumentará ainda mais.

Como um avião de verdade voa?

Uma asa de avião real tem formato de lágrima, o que faz com que o ar que passa no topo da asa se mova mais rápido em comparação com o ar que passa na parte inferior da asa. Essa diferença no fluxo de ar cria sustentação e o avião voa.

E a ideia fundamental aqui é esta: o fluxo de ar é cortado em dois pela borda de ataque da asa, e parte dele flui ao redor da asa ao longo da superfície superior, e a segunda parte ao longo da superfície inferior. Para que os dois fluxos convirjam atrás do bordo de fuga da asa sem criar vácuo, o ar que flui sobre a superfície superior da asa deve se mover mais rápido em relação à aeronave do que o ar que flui ao redor da superfície inferior, uma vez que tem um maior distância a percorrer.

A baixa pressão vinda de cima puxa a asa em sua direção, e a maior pressão vinda de baixo a empurra para cima. A asa sobe. E se a força de sustentação exceder o peso da aeronave, a própria aeronave ficará suspensa no ar.

Aviões de papel não têm asas moldadas, então como eles voam? A sustentação é criada pelo ângulo de ataque de suas asas planas. Mesmo com asas planas, você notará que o ar que se move sobre a asa viaja um pouco mais longe (e se move mais rápido). A sustentação é criada pela mesma pressão das asas perfiladas, mas, é claro, essa diferença de pressão não é tão grande.

O ângulo de ataque de uma aeronave é o ângulo entre a direção da velocidade do fluxo de ar incidente no corpo e a direção longitudinal característica escolhida no corpo, por exemplo, para uma aeronave esta será a corda da asa - o eixo longitudinal de construção, para um projétil ou foguete - seu eixo de simetria.

Asa reta

A vantagem de uma asa reta é o seu alto coeficiente de sustentação, que permite aumentar significativamente a carga específica da asa e, portanto, reduzir dimensões e peso, sem medo de um aumento significativo nas velocidades de decolagem e pouso.

A desvantagem que determina a inadequação de tal asa em velocidades de vôo supersônicas é um aumento acentuado no arrasto da aeronave.

asa delta

Uma asa delta é mais rígida e mais leve que uma asa reta e é mais frequentemente usada em velocidades supersônicas. O uso de uma asa delta é determinado principalmente por considerações de resistência e design. As desvantagens de uma asa delta são o surgimento e o desenvolvimento de uma crise de ondas.

CONCLUSÃO

Se você alterar o formato da asa e do nariz de um avião de papel durante a modelagem, o alcance e a duração do voo podem mudar

As asas de um avião de papel são planas. Para garantir a diferença nos fluxos de ar acima e abaixo da asa (para gerar sustentação), ela deve ser inclinada em um determinado ângulo (ângulo de ataque).

Os aviões para voos mais longos não são particularmente rígidos, mas têm grande envergadura e são bem equilibrados.

Para fazer um aviãozinho de papel você vai precisar de uma folha de papel retangular, que pode ser branca ou colorida. Se desejar, você pode usar caderno, fotocopiadora, jornal ou qualquer outro papel que estiver disponível.

É melhor escolher a densidade da base para a futura aeronave mais próxima do médio, para que ela voe longe e ao mesmo tempo não seja muito difícil de dobrar (em papel muito grosso costuma ser difícil fixar o dobras e ficam desiguais).

Dobrando a estatueta de avião mais simples

Os amantes iniciantes do origami devem começar com o modelo de avião mais simples, familiar a todos desde a infância:

Para quem não conseguiu dobrar o avião conforme as instruções, aqui está um vídeo master class:

Se você se cansou dessa opção na escola e deseja expandir suas habilidades na fabricação de aviões de papel, mostraremos como completar passo a passo duas variações simples do modelo anterior.

Aeronaves de longo curso

Instruções passo a passo para fotos

  1. Dobre uma folha retangular de papel ao meio no lado maior. Dobramos os dois cantos superiores até o meio da folha. Viramos o “vale” da esquina resultante, ou seja, em nossa direção.

  1. Dobramos os cantos do retângulo resultante em direção ao meio, de modo que um pequeno triângulo fique no meio da folha.

  1. Dobramos o pequeno triângulo para cima - ele fixará as asas da futura aeronave.

  1. Dobramos a figura ao longo do eixo de simetria, levando em consideração que o pequeno triângulo deve ficar do lado de fora.

  1. Dobramos as asas de ambos os lados até a base.

  1. Colocamos ambas as asas do avião em um ângulo de 90 graus para que ele possa voar longe.

  1. Assim, sem perder muito tempo, conseguimos um avião de longo alcance!

Esquema de dobramento

  1. Dobre uma folha de papel retangular ao meio ao longo do lado maior.

  1. Dobramos os dois cantos superiores até o meio da folha.

  1. Envolvemos os cantos com um “vale” ao longo da linha pontilhada. Na técnica do origami, um “vale” é o processo de dobrar uma seção de uma folha ao longo de uma determinada linha na direção “em direção”.

  1. Dobre a figura resultante ao longo do eixo de simetria de modo que os cantos fiquem para fora. Certifique-se de que os contornos de ambas as metades do futuro avião coincidam. Como ele voará no futuro depende disso.

  1. Dobramos as asas em ambos os lados do avião, conforme mostrado na figura.

  1. Certifique-se de que o ângulo entre a asa do avião e a fuselagem seja de 90 graus.

  1. O resultado é um avião tão rápido!

Como fazer um avião voar longe?

Quer aprender como lançar corretamente um avião de papel que acabou de fazer com suas próprias mãos? Então leia atentamente as regras de sua gestão:

Se todas as regras forem seguidas, mas o modelo ainda não voar como você gostaria, tente melhorá-lo da seguinte forma:

  1. Se o avião se esforça constantemente para subir e então, fazendo um loop morto, desce bruscamente, batendo o nariz no chão, ele precisa de uma atualização na forma de aumentar a densidade (peso) do nariz. Isso pode ser feito dobrando ligeiramente o nariz modelo de papel para dentro, conforme mostrado na imagem, ou fixando um clipe de papel na parte inferior.
  2. Se durante o vôo o modelo não voar reto como deveria, mas sim para o lado, equipe-o com um leme dobrando parte da asa ao longo da linha mostrada na figura.
  3. Se um avião entrar em parafuso, ele precisa urgentemente de uma cauda. Armado com uma tesoura, faça uma atualização rápida e funcional.
  4. Mas se o modelo cair para o lado durante os testes, provavelmente o motivo da falha é a falta de estabilizadores. Para adicioná-los à estrutura, basta dobrar as asas da aeronave ao longo das bordas ao longo das linhas pontilhadas indicadas.

Também chamamos a sua atenção instruções em vídeo para fazer e testar um modelo interessante de aeronave que é capaz não apenas de voar para longe, mas também por um tempo incrivelmente longo:

Agora que você está confiante em suas habilidades e já começou a dobrar e lançar aviões simples, oferecemos instruções que lhe ensinarão como fazer um avião de papel de um modelo mais complexo.

Aeronave furtiva F-117 ("Nighthawk")

Porta-bomba

Diagrama de execução

  1. Pegue um pedaço de papel retangular. Dobre a parte superior do retângulo em um triângulo duplo: para isso, dobre o canto superior direito do retângulo para que seu lado superior coincida com o lado esquerdo.
  2. Então, por analogia, dobramos o canto esquerdo, combinando parte do topo retângulo com seu lado direito.
  3. Fazemos uma dobra através do ponto de intersecção das linhas resultantes, que em última análise deve ser paralela ao lado menor do retângulo.
  4. Ao longo desta linha, dobre os triângulos laterais resultantes para dentro. Você deve obter a figura mostrada na Figura 2. Desenhe uma linha no meio da folha na parte inferior, semelhante à Figura 1.

  1. Designamos uma linha paralela à base do triângulo.

  1. Vire a figura para lado reverso e dobre a esquina em sua direção. Você deve obter o seguinte design de papel:

  1. Novamente deslocamos a figura para o outro lado e dobramos dois cantos para cima, depois de dobrar a parte superior ao meio.

  1. Vire a figura e dobre o canto para cima.

  1. Dobramos os cantos esquerdo e direito, circulados na figura, conforme figura 7. Este esquema permitirá obter a dobra correta do canto.

  1. Dobramos o canto para longe de nós e dobramos a figura ao longo da linha do meio.

  1. Trazemos as bordas para dentro, dobramos novamente a figura ao meio e depois sobre ela mesma.

  1. No final, você acabará com um brinquedo de papel como este - um avião porta-bombas!

Bombardeiro SU-35

Lutador Falcão Razorback

Esquema de execução passo a passo

  1. Pegue um pedaço de papel retangular, dobre-o ao meio no lado maior e marque o meio.

  1. Dobramos dois cantos do retângulo em nossa direção.

  1. Dobre os cantos da figura ao longo da linha pontilhada.

  1. Dobre a figura transversalmente de modo que o ângulo agudo fique no meio do lado oposto.

  1. Viramos a figura resultante para o verso e formamos duas dobras, como mostra a figura. É muito importante que as dobras não sejam dobradas em direção à linha média, mas ligeiramente inclinadas em relação a ela.

  1. Dobramos o canto resultante em nossa direção e ao mesmo tempo viramos para frente o canto, que depois de todas as manipulações ficará na parte de trás do layout. Você deve acabar com uma forma conforme mostrado na figura abaixo.

  1. Dobramos a figura ao meio, afastando-nos de nós mesmos.

  1. Baixamos as asas do avião ao longo da linha pontilhada.

  1. Dobramos um pouco as pontas das asas para obter os chamados winglets. Em seguida, endireitamos as asas para que formem um ângulo reto com a fuselagem.

O lutador de papel está pronto!

Lutador Planador Falcão

Instruções de fabricação:

  1. Pegue um pedaço de papel retangular e marque o meio dobrando-o ao meio no lado maior.

  1. Dobramos os dois cantos superiores do retângulo para dentro, em direção ao meio.

  1. Viramos a folha para o verso e dobramos as dobras em nossa direção, em direção à linha central. É muito importante que os cantos superiores não dobrem. Você deveria obter uma figura como esta.

  1. Dobre o topo do quadrado diagonalmente em sua direção.

  1. Dobre a figura resultante ao meio.

  1. Delineamos a dobra conforme mostrado na figura.

  1. Preenchemos a parte retangular da fuselagem do futuro avião por dentro.

  1. Dobre as asas ao longo da linha pontilhada em ângulo reto.

  1. O resultado é um avião de papel! Resta ver como ele voa.

Caça F-15 Eagle

Avião "Concorde"

Seguindo as instruções de foto e vídeo fornecidas, você poderá fazer em poucos minutos um avião de papel com as próprias mãos, e brincar será um passatempo agradável e divertido para você e seus filhos!

Como fazer um avião de papel – 13 modelos de avião de papel DIY

Diagramas detalhados para fazer uma variedade de aviões de papel: desde os mais simples aviões “escolares” até modelos tecnicamente modificados.

Modelo padrão

Modelo "planador"

Modelo "Planador Avançado"

Modelo "Scat"

Modelo "Canários"

Modelo "Delta"

Modelo de ônibus

Modelo "Invisível"

Modelo "Taran"

Modelo "Olho de Falcão"

Modelo "Torre"

Modelo "Agulha"

Modelo "Kite"

Fatos interessantes

Em 1989, Andy Chipling fundou a Paper Aircraft Association e, em 2006, foi realizado o primeiro campeonato de aviões de papel. As competições são realizadas em três disciplinas: distância mais longa, vôo livre mais longo e acrobacias.

Inúmeras tentativas de aumentar o tempo que um avião de papel permanece no ar de tempos em tempos levam à quebra de novas barreiras neste esporte. Ken Blackburn deteve o recorde mundial por 13 anos (1983-1996) e voltou a vencê-lo em 8 de outubro de 1998, ao lançar um avião de papel dentro de casa de forma que permanecesse no ar por 27,6 segundos. Este resultado foi confirmado por representantes do Guinness Book of Records e repórteres da CNN. O avião de papel usado por Blackburn pode ser classificado como planador.



FÍSICA DO AVIÃO DE PAPEL.
REPRESENTAÇÃO DA ÁREA DO CONHECIMENTO. PLANEJANDO O EXPERIMENTO.

1. Introdução. Objetivo do trabalho. Padrões gerais de desenvolvimento da área do conhecimento. Selecionando um objeto de pesquisa. Mapa mental.
2. Física elementar do voo de planador (BS). Sistema de equações de força.





9. Fotos do tubo aerodinâmico Revisão das características do tubo, escalas aerodinâmicas.
10. Resultados experimentais.
12. Alguns resultados sobre visualização de vórtices.
13. Relação entre parâmetros e soluções de projeto. Comparação de opções reduzidas a uma asa retangular. A posição do centro aerodinâmico e do centro de gravidade e as características dos modelos.
14. Planeamento energeticamente eficiente. Estabilização de vôo. Táticas de recorde mundial para duração de voo.



18. Conclusão.
19. Lista de referências.

1. Introdução. Objetivo do trabalho. Padrões gerais de desenvolvimento da área do conhecimento. Seleção do objeto de pesquisa. Mapa mental.

O desenvolvimento da física moderna, principalmente na sua parte experimental, e especialmente nas áreas aplicadas, ocorre segundo um esquema hierárquico claramente expresso. Isto se deve à necessidade de concentração adicional de recursos necessários para alcançar resultados, que vão desde suporte material experimentos, à distribuição de trabalhos entre institutos científicos especializados. Independentemente de ser feito por conta do Estado, de estruturas comerciais ou mesmo de entusiastas, mas planejando o desenvolvimento de uma área de conhecimento, gestão pesquisa científica- esta é uma realidade moderna.
O objetivo deste trabalho não é apenas montar um experimento local, mas também tentar ilustrar tecnologia moderna organização científica ao nível mais simples.
Os primeiros pensamentos que antecedem o trabalho propriamente dito costumam ser registrados de forma livre, historicamente, isso acontece em guardanapos; No entanto, na ciência moderna, esta forma de apresentação é chamada de mapeamento mental - literalmente “esquema de pensamento”. É um diagrama no qual, na forma formas geométricas tudo se encaixa. que pode ser relevante para o problema em questão. Esses conceitos são conectados por setas que indicam conexões lógicas. A princípio, tal esquema pode conter conceitos completamente diferentes e desiguais que são difíceis de combinar em um plano clássico. Contudo, tal diversidade permite espaço para suposições aleatórias e informações não sistematizadas.
Um avião de papel foi escolhido como objeto de pesquisa - algo familiar a todos desde a infância. Supunha-se que a realização de uma série de experimentos e a aplicação dos conceitos da física elementar ajudariam a explicar as características do voo e também, talvez, nos permitiriam formular princípios gerais projeto.
A recolha preliminar de informação mostrou que a área não é tão simples como parecia à primeira vista. Muita ajuda veio da pesquisa de Ken Blackburn, um engenheiro aeroespacial que detém quatro recordes mundiais (incluindo um atual) durante o voo planado, que ele estabeleceu com aviões de seu próprio projeto.

Em relação à tarefa em questão, o mapa mental fica assim:

Este é um diagrama básico que representa a estrutura pretendida do estudo.

2. Física elementar do voo de planador. Sistema de equações para escalas.

O planeio é um caso especial de descida de uma aeronave sem a participação do empuxo gerado pelo motor. Para aeronaves não motorizadas - planadores, como caso especial - aviões de papel, planar é o principal modo de vôo.
O planejamento é realizado devido ao equilíbrio entre peso e força aerodinâmica, que por sua vez consiste em forças de sustentação e arrasto.
O diagrama vetorial das forças que atuam na aeronave (planador) durante o vôo é o seguinte:

A condição para um planejamento direto é a igualdade

A condição para a uniformidade do planejamento é a igualdade

Assim, para manter um planejamento retilíneo uniforme, ambas as igualdades são necessárias, o sistema

Y=GcosA
Q=GsinA

3. Indo mais fundo teoria básica aerodinâmica. Laminaridade e turbulência. Número de Reynolds.

Uma compreensão mais detalhada do voo é dada pela teoria aerodinâmica moderna, baseada na descrição do comportamento tipos diferentes fluxos de ar, dependendo da natureza da interação das moléculas. Existem dois tipos principais de fluxos - laminar, quando as partículas se movem ao longo de curvas suaves e paralelas, e turbulento, quando se misturam. Via de regra, não existem situações com fluxo idealmente laminar ou puramente turbulento; a interação de ambos cria uma imagem real do funcionamento da asa.
Se considerarmos um objeto específico com características finitas - massa, dimensões geométricas, então as propriedades do fluxo no nível da interação molecular são caracterizadas pelo número de Reynolds, que dá um valor relativo e denota a razão entre os impulsos de força e a viscosidade de o liquido. Como número maior, menor influência da viscosidade.

Re= VLρ/η=VL/ν

V (velocidade)
L (especificação de tamanho)
ν (coeficiente (densidade/viscosidade)) = 0,000014 m^2/s para ar em temperatura normal.

Para um avião de papel, o número de Reynolds é cerca de 37.000.

Como o número de Reynolds é muito menor do que em aviões reais, isso significa que a viscosidade do ar desempenha um papel muito mais significativo, resultando em aumento do arrasto e diminuição da sustentação.

4. Como funciona uma asa regular e plana.

Do ponto de vista da física elementar, uma asa plana é uma placa localizada em ângulo com o fluxo de ar em movimento. O ar é “jogado para trás” em um ângulo descendente, criando uma força oposta. Esta é a força aerodinâmica total, que pode ser representada na forma de duas forças - sustentação e arrasto. Esta interação é facilmente explicada com base na terceira lei de Newton. Um exemplo clássico de asa defletora plana é uma pipa.

O comportamento de uma superfície aerodinâmica convencional (plano-convexa) é explicado pela aerodinâmica clássica como o aparecimento de sustentação devido à diferença nas velocidades dos fragmentos de fluxo e, consequentemente, à diferença de pressão abaixo e acima da asa.

Uma asa de papel plana no fluxo cria uma zona de vórtice no topo, que é como um perfil curvo. É menos estável e eficiente que uma casca dura, mas o mecanismo é o mesmo.

A figura foi retirada da fonte (ver lista de referências). Mostra a formação de um aerofólio devido à turbulência na superfície superior da asa. Existe também o conceito de camada de transição, em que um fluxo turbulento torna-se laminar devido à interação de camadas de ar. Acima da asa de um avião de papel chega a 1 centímetro.

5. Revisão de três projetos de aeronaves

Três designs diferentes de aviões de papel com características diferentes foram escolhidos para o experimento.

Modelo nº 1. O design mais comum e conhecido. Via de regra, a maioria das pessoas imagina exatamente isso quando ouve a expressão “avião de papel”.

Modelo nº 2. “Seta” ou “Lança”. Modelo característico com ângulo agudo asa e alta velocidade esperada.

Modelo nº 3. Modelo com asa de alta proporção. Design especial, montado de acordo com lado largo folha. Supõe-se que tenha boas propriedades aerodinâmicas devido à asa de alta proporção.

Todas as aeronaves foram montadas a partir de folhas de papel idênticas com densidade de 80 gramas/m^2, formato A4. A massa de cada aeronave é de 5 gramas.

6. Conjuntos de características, por que existem.

Para obter parâmetros característicos para cada projeto, é necessário realmente determinar esses parâmetros. A massa de todas as aeronaves é a mesma - 5 gramas. É bastante simples medir a velocidade e o ângulo de deslizamento de cada estrutura. A relação entre a diferença de altura e o alcance correspondente nos dará a qualidade aerodinâmica, essencialmente o mesmo ângulo de planeio.
É interessante medir as forças de sustentação e arrasto em diferentes ângulos de ataque da asa, e a natureza de suas mudanças nas condições de contorno. Isso permitirá que as estruturas sejam caracterizadas com base em parâmetros numéricos.
Separadamente, você pode analisar os parâmetros geométricos dos aviões de papel - a posição do centro aerodinâmico e do centro de gravidade para formas diferentes asa
Ao visualizar os fluxos, pode-se obter uma representação visual dos processos que ocorrem nas camadas limites do ar próximas às superfícies aerodinâmicas.

7. Experimentos preliminares (câmara). Os valores obtidos para velocidade e relação sustentação-arrasto.

Para determinar os parâmetros básicos, foi realizado um experimento simples - o voo de um avião de papel foi gravado por uma câmera de vídeo contra o fundo de uma parede com marcações métricas aplicadas. Como o intervalo de quadros para gravação de vídeo é conhecido (1/30 de segundo), a velocidade de deslizamento pode ser facilmente calculada. Com base na queda de altitude, o ângulo de planeio e a qualidade aerodinâmica da aeronave são encontrados nos quadros correspondentes.

Em média, a velocidade de um avião é de 5 a 6 m/s, o que não é tão pouco.
Qualidade aerodinâmica - cerca de 8.

8. Requisitos para o experimento, tarefa de Engenharia.

Para recriar as condições de voo, precisamos de um fluxo laminar de até 8 m/s e da capacidade de medir sustentação e arrasto. O método clássico de pesquisa aerodinâmica é o túnel de vento. No nosso caso, a situação é simplificada pelo fato de o próprio avião ser pequeno em tamanho e velocidade e poder ser colocado diretamente em um tubo de dimensões limitadas.
Conseqüentemente, não nos incomodamos com a situação em que o modelo soprado difere significativamente em tamanho do original, o que, devido à diferença nos números de Reynolds, requer compensação durante as medições.
Com seção transversal de tubo de 300x200 mm e velocidade de fluxo de até 8 m/s, precisaremos de um ventilador com capacidade de pelo menos 1000 metros cúbicos/hora. Para alterar a velocidade do fluxo, é necessário um controlador de rotação do motor e, para medi-la, um anemômetro com precisão adequada. O velocímetro não precisa ser digital; é bem possível conviver com uma placa defletível com graduação angular ou um anemômetro de líquido, que possui maior precisão.

O túnel de vento é conhecido há muito tempo; Mozhaisky o utilizou em pesquisas, e Tsiolkovsky e Zhukovsky já o desenvolveram em detalhes; tecnologia moderna experimento, que não mudou fundamentalmente.
Para medir as forças de arrasto e sustentação, são utilizadas balanças aerodinâmicas, que permitem determinar forças em diversas direções (no nosso caso, em duas).

9. Fotos do túnel de vento. Revisão das características dos tubos, equilíbrios aerodinâmicos.

O túnel de vento de mesa foi implementado com base em um ventilador industrial bastante potente. Atrás do ventilador existem placas perpendiculares entre si que endireitam o fluxo antes de entrar na câmara de medição. As janelas da câmara de medição são equipadas com vidro. Um orifício retangular para suportes é feito na parede inferior. Um impulsor de anemômetro digital é instalado diretamente na câmara de medição para medir a velocidade do fluxo. O tubo possui um ligeiro estreitamento na saída para “reforçar” o fluxo, o que reduz a turbulência ao custo da redução da velocidade. A velocidade do ventilador é controlada por um controlador eletrônico doméstico simples.

As características do tubo revelaram-se piores do que as calculadas, principalmente devido à discrepância entre o desempenho do ventilador e as especificações. O fluxo de retorno também reduziu a velocidade na área de medição em 0,5 m/s. Como resultado, a velocidade máxima é ligeiramente superior a 5 m/s, o que, no entanto, se revelou suficiente.

Número de Reynolds para tubo:

Re = VLρ/η = VL/ν

V (velocidade) = 5m/s
L (característica)= 250mm = 0,25m
ν (coeficiente (densidade/viscosidade)) = 0,000014 m2/s

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

Para medir as forças que atuam sobre a aeronave, foram utilizadas balanças aerodinâmicas elementares com dois graus de liberdade baseadas em um par de balanças eletrônicas de joalheria com precisão de 0,01 gramas. O avião foi fixado em dois suportes no ângulo desejado e instalado na plataforma das primeiras balanças. Estas, por sua vez, foram colocadas sobre uma plataforma móvel com uma alavanca que transmitia força horizontal às segundas balanças.

As medições mostraram que a precisão é suficiente para os modos básicos. Porém, era difícil fixar o ângulo, por isso foi melhor desenvolver um esquema de fixação adequado com marcações.

10. Resultados experimentais.

Ao soprar os modelos, dois parâmetros principais foram medidos - a força de arrasto e a força de sustentação, dependendo da velocidade do fluxo em um determinado ângulo. Uma família de características com valores bastante realistas foi construída para descrever o comportamento de cada aeronave. Os resultados são resumidos em gráficos com maior normalização da escala em relação à velocidade.

11. Relações entre curvas para três modelos.

Modelo nº 1.
Média dourada. O design corresponde tanto quanto possível ao material - papel. A resistência das asas corresponde ao seu comprimento, a distribuição de peso é ideal, de modo que uma aeronave bem dobrada se alinha bem e voa suavemente. Foi a combinação dessas qualidades e facilidade de montagem que tornou esse design tão popular. A velocidade é menor que a do segundo modelo, mas maior que a do terceiro. Em altas velocidades, a cauda larga, que antes estabilizava perfeitamente o modelo, começa a interferir.

Modelo nº 2.
O modelo com as piores características de voo. A varredura grande e as asas curtas são projetadas para funcionar melhor em altas velocidades, que é o que acontece, mas a sustentação não aumenta o suficiente e o avião realmente voa como uma lança. Além disso, ele não estabiliza adequadamente durante o vôo.

Modelo nº 3.
Representante da escola de “engenharia”, o modelo foi concebido com características especiais. Na verdade, asas de alta proporção funcionam melhor, mas o arrasto aumenta muito rapidamente - o avião voa lentamente e não tolera aceleração. Para compensar a rigidez insuficiente do papel, são utilizadas inúmeras dobras na ponta da asa, o que também aumenta a resistência. Porém, o modelo é muito impressionante e voa bem.

12. Alguns resultados na visualização de vórtices

Se você introduzir uma fonte de fumaça no fluxo, poderá ver e fotografar os fluxos que circundam a asa. Não tínhamos geradores de fumaça especiais à nossa disposição; usávamos incensos. Para aumentar o contraste, foi utilizado um filtro especial para processamento de fotografias. A vazão também diminuiu porque a densidade da fumaça era baixa.

Formação de fluxo no bordo de ataque da asa.

“Cauda” turbulenta.

Os fluxos também podem ser examinados usando fios curtos colados na asa ou uma sonda fina com um fio na extremidade.

13. Relação entre parâmetros e soluções de projeto. Comparação de opções reduzidas a uma asa retangular. A posição do centro aerodinâmico e do centro de gravidade e as características dos modelos.

Já foi observado que o papel como material tem muitas limitações. Para baixas velocidades de vôo, asas longas e estreitas têm melhor qualidade. Não é por acaso que planadores reais, especialmente os que quebram recordes, também possuem essas asas. No entanto, os aviões de papel têm limitações tecnológicas e as suas asas não são ideais.
Para analisar a relação entre a geometria dos modelos e suas características de voo, é necessário reduzir uma forma complexa a um análogo retangular utilizando o método de transferência de área. A melhor maneira de fazer isso é com programas de computador que permitem imaginar modelos diferentes de forma universal. Após as transformações, a descrição será reduzida aos parâmetros básicos - vão, comprimento da corda, centro aerodinâmico.

A relação mútua entre estas grandezas e o centro de massa permitirá fixar os valores característicos para Vários tipos comportamento. Esses cálculos estão além do escopo deste trabalho, mas podem ser feitos facilmente. No entanto, pode-se supor que o centro de gravidade para um avião de papel com asas retangulares está a uma distância de um em quatro do nariz à cauda, ​​para um avião com asas delta está na metade (o chamado ponto neutro) .

14. Planeamento energeticamente eficiente. Estabilização de vôo.
Táticas de recorde mundial para tempo de duração de voo.

Com base nas curvas das forças de sustentação e arrasto, é possível encontrar um modo de voo energeticamente favorável e com menores perdas. Isto é certamente importante para aviões de longo curso, mas também pode ser útil na aviação de papel. Ao modernizar um pouco o avião (dobrar as bordas, redistribuir o peso), você pode obter melhores características de vôo ou, inversamente, transferir o vôo para o modo crítico.
De modo geral, os aviões de papel não alteram suas características durante o vôo, portanto podem prescindir de estabilizadores especiais. A cauda, ​​​​que cria resistência, permite deslocar o centro de gravidade para frente. A retidão do vôo é mantida devido ao plano vertical da curva e ao V transversal das asas.
Estabilidade significa que a aeronave, quando desviada, tende a retornar à posição neutra. O ponto de estabilidade do ângulo de planeio é que o avião mantenha a mesma velocidade. Quanto mais estável o avião, maior será a velocidade, como no modelo nº 2. Mas, esta tendência deve ser limitada - a sustentação deve ser usada, para que os melhores aviões de papel, em sua maioria, tenham estabilidade neutra, esta é a melhor combinação de qualidades.
Contudo, os regimes estabelecidos nem sempre são os melhores. O recorde mundial de maior duração de voo foi estabelecido usando táticas muito específicas. Primeiramente, o avião é lançado em linha reta vertical e simplesmente é lançado à sua altura máxima. Em segundo lugar, após a estabilização no ponto superior devido à posição relativa do centro de gravidade e à área efetiva da asa, o próprio avião deve entrar em vôo normal. Em terceiro lugar, a distribuição de peso do avião não é normal - sua parte frontal está sobrecarregada, portanto, devido à grande resistência, que não compensa o peso, ele desacelera muito rapidamente. Ao mesmo tempo, a sustentação da asa cai drasticamente, ela abaixa o nariz e, caindo, acelera com um solavanco, mas novamente desacelera e congela. Tais oscilações (pitch up) são suavizadas devido à inércia nos pontos de desvanecimento e, como resultado, o tempo total gasto no ar é maior do que o deslizamento uniforme normal.

15. Um pouco sobre a síntese de um design com determinadas características.

Supõe-se que, determinados os principais parâmetros de um avião de papel, sua relação e, assim, completada a etapa de análise, pode-se passar à tarefa de síntese - com base em requisitos necessários criar um novo design. Empiricamente, amadores em todo o mundo fazem exatamente isso; o número de projetos ultrapassou 1.000. Mas não existe uma expressão numérica final para esse tipo de trabalho, assim como não existem obstáculos especiais para a realização de tal pesquisa.

16. Analogias práticas. Esquilo voador. Suíte ala.

É claro que um avião de papel é, antes de tudo, apenas uma fonte de alegria e uma ilustração maravilhosa para o primeiro passo para o céu. Um princípio semelhante de voo ascendente é utilizado na prática apenas por esquilos voadores, que não têm grande importância económica, pelo menos na nossa região.

Uma semelhança mais prática com um avião de papel é o “Wing suite” – um traje de asa para pára-quedistas que permite vôo horizontal. A propósito, a qualidade aerodinâmica desse traje é menor que a de um avião de papel - não mais que 3.

17. Volte ao mapa mental. Nível de desenvolvimento. Questões levantadas e opções para o desenvolvimento da investigação.

Tendo em conta o trabalho realizado, podemos adicionar cores ao mapa mental indicando a conclusão das tarefas atribuídas. Verde indica itens que estão em nível satisfatório, verde claro indica questões que possuem algumas limitações, amarelo indica áreas que foram abordadas mas não desenvolvidas adequadamente e vermelho indica áreas promissoras que requerem pesquisas adicionais.

18. Conclusão.

Como resultado do trabalho, foram estudadas as bases teóricas para o voo de aviões de papel, planejados e realizados experimentos que permitiram determinar os parâmetros numéricos para diferentes projetos e as relações gerais entre eles. Mecanismos de voo complexos também são abordados, do ponto de vista da aerodinâmica moderna.
Os principais parâmetros que afetam o voo são descritos e são fornecidas recomendações abrangentes.
Na parte geral, procurou-se sistematizar o campo do conhecimento a partir de um mapa mental, e foram delineadas as principais direções para futuras pesquisas.

19. Lista de referências.

1. Aerodinâmica do avião de papel [recurso eletrônico] / Ken Blackburn - modo de acesso: http://www.paperplane.org/paero.htm, gratuito. - Boné. da tela. - Yaz. Inglês

2. Para Schuette. Introdução à física do voo. Tradução de G.A. Wolpert da quinta edição alemã. - M.: Editora Científica e Técnica Unida da URSS NKTP. Redação de literatura técnica e teórica, 1938. - 208 p.

3. Stakhursky A. Para mãos habilidosas: Túnel de vento de mesa. Estação Central de Jovens Técnicos com o nome de N.M. Shvernik - M.: Ministério da Cultura da URSS. Direcção Principal da Indústria Gráfica, 13ª Gráfica, 1956. - 20h.

4. Merzlikin V. Modelos de planadores controlados por rádio. - M,: Editora DOSAAF URSS, 1982. - 160 p.

5. AL. Stasenko. Física do voo. - M: Ciência. Redação principal de literatura física e matemática, 1988, - 144 p.
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