Физика бумажного самолета (с) Lepers MishaRappe

ahtokca — 16.04.2011 — Ликбез Являясь отцом практически выпускницы средней школы, был втянут в смешную историю с неожиданным концом. В ней есть познавательная часть и трогательная жизненно–политическая.
Пост накануне дня космонавтики. Физика бумажного самолета.




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

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

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



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

Для опытов взяли три разные модели.

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

Для определения базовых параметров был проделан простейший эксперимент — полет бумажного самолетика фиксировался видеокамерой на фоне стены с нанесенной метрической разметкой. Поскольку известен межкадровый интервал для видеосъемки (1/30 секунды), можно легко вычислить скорость планирования. По падению высоты на соответствующих кадрах находятся угол планирования и аэродинамическое качество самолета.
В среднем, скорость самолетика — 5–6 м/с, что не так у ж и мало.
Аэродинамическое качество — порядка 8.



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



Аэродинамическую труба известна достаточно давно, ее применял в исследованиях еще Можайский, а Циолковский и Жуковский уже детально разработали современную технику эксперимента, которая принципиально не изменилась.

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





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

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

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



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





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

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


Турбулентный “хвост”.


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

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


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

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

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



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



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

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

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

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

А потянула бы дочь такую работу одна?

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

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

(с) Lepers MishaRappe


Золотой пост - нет сил прятать! Хорошо что есть такие папы, жаль что мало таких учителей.
Update: работа не моя. Автор lepers MishaRappe

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив