Презентация, доклад на тему ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ АЭРОДИНАМИКИ

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ АЭРОДИНАМИКИ

Выполнили: Гусев Владислав Андреевич
БУ ПО «Мегионский политехнический колледж»,
Мегион, ХМАО-Югра
Научный руководитель: Магомедов Абдул Маграмович преподаватель физики и технической механики

БУ ПО «Мегионский политехнический колледж»

Мегион, ХМАО-ЮГРА, 2018

Почему летает самолет?

Актуальность проблемы

Явление турбулентности лежит в основе большого количества современных технических устройств, в том числе самолетов;
Движение самолетов вызывает познавательный интерес;
Движение самолетов вызывает личностный интерес (насколько безопасны полеты?)

Гипотеза исследования:

Если поместить пластиковый шарик в воздушный поток, созданный феном, то шарик будет «выталкиваться» из потока силой струи, поэтому для удержания шарика в воздухе струю нужно направлять под шарик: в этом случае поток воздуха какое-то время не даст телу упасть под действием силы тяжести.

Цель работы:

Исследование поведения легкого твердого тела в воздушном потоке на основе законов аэродинамики.

Задачи:

Изучить теоретический материал по аэродинамике (значительно выходящий за пределы школьного курса физики);
Провести практические опыты с пластиковыми шариками, имеющими отверстия различной формы, в струе воздушных потоков с целью изучения направления потока; сил, действующих на шарик в струе; высоты подъема шарика;
Рассчитать некоторые динамические характеристики тела в струе воздушных потоков;
На основе экспериментальных исследований с пластиковым шариком в струе воздушного потока объяснить причины возникновения подъемной силы крыла самолета.

Законы движущихся жидкостей и газов изучает гидро- и аэродинамика

Примеры когерентных вихревых структур, полученных расчетным путем на компьютерах

Закон Бернулли:

в стационарном потоке сумма статического и динамического давлений остается постоянной
(ρgh + P0 = ρv2/2 + P0).

Основы гидро- и аэродинамики

При увеличении скорости потока
динамическая составляющая давления (обусловлено кинетической энергией движущейся жидкости) возрастает, а
статическая (обусловленная потенциальной энергией жидкости, находящейся под давлением) уменьшается.

Основы гидро- и аэродинамики

При уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает.
Гидравлическое сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости потока
Мощность увеличивается пропорционально третьей степени скорости

Эффект Магнуса - физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа.

Образуется сила, воздействующая на тело и направленная перпендикулярно направлению потока.

Модели шариков с отверстиями разной формы

Эксперименты с шариком

Результат противоречит первоначальной гипотезе!

Шарик сначала парит в воздухе;
Затем начинает раскручиваться
(при этом дырка вращается в вертикальной плоскости)

Во всех случаях наблюдается эффект вращения и подъема

У шарика со смещенным отверстием вращение происходит не в одной и той же плоскости (с прецессией, как говорят научным языком).

Очень важным является проток воздуха через дырку.
Если отверстие закрыть, то вращение прекращается.

Изменение положения центра тяжести шарика относительно его геометрического центра.

«Устройство» потока:

Поток «прижимается» к шарику с той его стороны, которая движется по потоку

Поток «отталкивается», отклоняясь в сторону, с противоположной стороны

Шарик смещается относительно центра струи

«Устройство» потока:

в соответствии с законом Бернулли, давление в струе меньше, чем в окружающем воздухе,
поэтому стоит только шарику сместиться, как на край, выходящий за пределы струи, начинает действовать сила, возвращающая его обратно

Pс < Pв

F

А почему же шарик вращается?

Отверстие изменяет структуру потока вокруг шарика.
Возникает момент силы трения, закручивающий шарик.
Возникает поперечная сила (сила Магнуса), которая смещает устойчивое положение шарика относительно оси потока.

Mтр

FМ

а)

в)

б)

г)

Дополнительный подъем:

в некоторых положениях
сила, смещающая шарик от центра струи, направлена не горизонтально,
а имеет
вертикальную компоненту.

Этого не происходит в противоположном положении, так как здесь ничто не мешает потоку оторваться от шарика

г)

На шарик по вертикали действуют три силы:
сила тяжести F = m g;
сила сопротивления воздуха Fс = kρv2S;
вертикальная составляющая силы Магнуса FМ ≈ ρd2v2sin β;
k — коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела,
ρ — плотность воздуха,
v - скорость набегающего потока,
S — площадь лобового сечения шарика.

Некоторые оценки опытов.

Fт

FМ

Fс

Изменение скорости в струе с высотой можно оценить из закона сохранения импульса

Сечения струи выразим через высоты h1 и h2 и угол расхождения струи β

Высота подъема шарика

h1 и h2 - высота струи,
β - угол расхождения струи
d - диаметр шарика
h1 — сечение струи на выходе из трубы,
v1 - скорость струи на выходе из трубы

Подставляя данные наших опытов, получаем:

Почему летает самолет?

Крылья самолета должны создавать подъемную силу.

Подъемная сила есть следствие трех причин:
1) особой формы крыла,
2) его положения относительно набегающего потока воздуха – «угла атаки»;
3) скорости полета.

Выводы: теоретические основы

Основой гидро- и аэродинамики является закон Бернулли и его следствия;
Существенно:
Зависимость давления от скорости потока;
Зависимость давления от сечения потока;
Зависимость сопротивления от скорости потока;
Эффект Магнуса: возникновение силы, направленной перпендикулярно направлению потока.

Выводы на основе экспериментов:

Во всех случаях наблюдается эффект вращения и подъема;
Шарик без дырки висит точно на оси потока и не вертится, т.к. давление в струе меньше, чем в окружающем воздухе;
У шарика со смещенным отверстием вращение происходит не в одной и той же плоскости (с прецессией);

Выводы работы:

Отверстие изменяет структуру потока вокруг шарика;
Дополнительный подъем шарика с дыркой вызван вертикальной компонентой силы Магнуса;
Аналогично, пилот самолета имеет возможность влиять на угол атаки крыла и скорость полета самолета, изменяя форму крыла.

Оценки наших опытов

высота подъема шарика определяется формулой



в нашем случае равна 19 см
что согласуется с экспериментальными данными.

Я больше не боюсь летать!

Самолет держится в потоке, созданном мотором, также устойчиво, как и шарик в струе фена.

Список литературы

Белоцерковский, С. М. Моделирование турбулентности струй и следов на основе метода дискретных вихрей [Текст]/ С. М. Белоцерковский, А. С. Гиневский. - М.: Наука, 2014. – С. 147.
Белоцерковский, С. М. О моделировании на ЭВМ турбулентных струй и следов методом дискретных вихрей [Текст]/ С. М. Белоцерковский. - М.: Наука, 2012. - С. 246-248.
Белоцерковский, С.М. Компьютерная концепция вихревой турбулентности [Текст]/ С.М. Белоцерковский, А.С. Гиневский // Белоцерковский, С.М. Нелинейная механика. Т. 3. - Изв. вузов. - 2015. - С. 72-93.
Кузьмин, С. Шарик с дыркой в струе пылесоса. [Текст]// Квант. – 2008. - № 2. – С. 23-25.
Кухлинг, Х. Справочник по физике [Текст]/ Х. Кухлинг. - М.: Мир, 2015 – С. 247-265; 423.