Полёты наяву: тайны бумажного самолета

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Гимназия № 56»

(МАОУ «Гимназия № 56»)

Исследовательская работа

на тему:

«Полёты наяву: тайны бумажного самолета!»

Выполнил:

Ученик 2 «В» класса

МАОУ «Гимназия № 56»

Кручинский Илья

Классный руководитель:

Дьячкова Татьяна Валерьевна

Ижевск, 2022

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………..……...3

§ 1 Бумажный самолет. Почему он летает?..………………………………………….…....5

§ 2 Конструирование и запуск моделей бумажных самолетов ……………….………....11

§ 3 Практическая работа – подтверждение гипотезы на практике………...………….…14

Заключение………………………………………………………………………………….….21

Список источников и литературы……………………………………………………….…....22

Приложение 1. Макет брошюры «Полёты наяву: тайны бумажного самолета!» (Инструкции по моделированию)…………………………………………………………………………….23

Введение

Наблюдение за полетом в живой природе – полет птиц, насекомых и даже некоторых животных (белка-летяга) завораживает и увлекает, вызывая, одновременно неподдельный интерес. Невольно задаешься вопросом – Как это возможно? Еще большее восхищение вызывает полет различных конструкций – воздушный шар, параплан, вингсьют, самолет и др., созданных человеком.

На канале Скай Топ я случайно нашёл и посмотрел сначала документальный фильм «Удивительная авиакатастрофа, при которой никто не пострадал!», а потом и художественный фильм «Чудо на Гудзоне», снятый на основе реальных событий – истории аварийной посадки самолета Airbus A320-214 и спасения пассажиров рейса AWE 1549 15 января 2009 г. Я узнал, что избежать трагедии помогли навыки и опыт командира корабля не только в управлении самолетом и оперативности принятия решений, но его знания в области планирования. Благодаря им Чесли Салленбергер смог удержать самолет после отказа обоих двигателей, в результате столкновения на взлете со стаей птиц – канадских казарок. После потери тяги, самолет начал терять высоту, пролетая над один из самых густонаселенных городов мира – Нью Йорком. Пилоты смогли развернуть самолет, направить вдоль реки Гудзон. Они сумели пролететь выше моста Вашингтона, который был на их пути, и спланировать на воду напротив 48-й улицы Манхэттена, максимально погасив скорость самолета. Благодаря мастерству командира экипажа удар об воду оказался относительно мягким, самолет не разрушился, все пассажиры и члены экипажа были спасены.

Также я узнал, что задолго до данного инцидента, в СССР в 1963 г. советские летчики (второй пилот – Василий Чеченев) успешно посадили на воду реки Невы в Ленинграде, аварийный пассажирский самолет Ту-124, причем после приводнения, за медицинской помощью никто из пассажиров и членов экипажа даже не обратился.

Меня очень заинтересовали эти факты. Я прочитал несколько книг об истории самолетов и развитии самолетостроения, собрал несколько деревянных моделей самолетов – конструктор Lemmo, но, увы, запустить их не смог.

Тогда папа предложил мне обратить внимание на бумажные самолеты, сказав, что изучать особенности планирования, условия полета и модели можно с помощью этих простых и, на первых взгляд, детских и даже игрушечных самолетов.

Цель работы – выяснить, что влияет на дальность полёта бумажного самолета.

Задачи:

- изучить литературу по данной теме;

- рассмотреть варианты конструкций самолетов из бумаги и отобрать модели для эксперимента;

- собрать из конструктора Lego Mindstorms EV3 запускающее устройство для чистоты эксперимента;

- провести эксперимент по определению дальности полёта выбранных моделей и познакомить ребят с его результатами – подготовить брошюру со схемами моделей (Приложение 1).

Объект исследования – бумажные самолеты и их летные характеристики.

Предмет исследования – условия дальности полета бумажного самолета – форма и модель бумажного самолета, плотность бумаги его изготовления, скорость и угол броска, факторы внешней среды.

Актуальность: Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

Методы исследования:

1) методы сбора и обобщения информации;

2) методы моделирования;

3) метод эксперимента и сравнительного анализа полученных результатов.

Этапы исследования:

1) подготовительный – поиск и обработка информации;

2) исследовательский – проведение эксперимента, сравнение и фиксация результатов.

ГИПОТЕЗА. Я предполагаю, что дальность полёта бумажного самолета при соблюдении прочих равных условий – скорость и угол броска (запускающее устройство и традиционный бросок) зависит от формы самолета (крыло и нос) и плотности бумаги для его изготовления.

§ 1 Бумажный самолет. Почему он летает?

Бумажный самолет – планер – самолёт, сделанный из бумаги. Он является распространенной формой аэрогами, одной из ветвей оригами (японского искусства складывания бумаги). Датой создания бумажных самолётиков считают 1909 г.

В 1930 г. Джек Нортроп, основатель компании Lockheed Corporation, начал использовать бумажные самолётики для тестирования новых идей при конструкции реальных самолётов.

Спортивные состязания по запусканию самолетов из бумаги Red Bull Paper Wings на мировом уровне придумал британец Энди Чиплинг. Многие годы он с друзьями занимался созданием бумажных моделей, в 1989 г. основал Ассоциацию Бумажного Авиастроения. Именно он написал свод правил по запуску бумажных самолетов, которые используют специалисты книги рекордов Гиннеса и которые стали официальными установками мирового первенства.

В 2006 г. впервые состоялся чемпионат мира по запусканию бумажных самолётиков.

Соревнования включают состязания по трем дисциплинам:

1) самая длинная дистанция (дальность полета);

2) самое долгое планирование (время полета);

3) аэробатика – креативность полёта (выполнение фигур высшего пилотажа).

Рекорд дальности полета установил в 2012 г. бывший защитник Berkley Джо Айюб – 69 метров и 14 сантиметров. Рекорд времени, которое бумажный самолетик провел в воздухе (29,2 сек.) установлен в 2010 г. и принадлежит Такуо Тоду.

Полет любого самолета, как настоящего, так и бумажного самолета определяют: подъемная сила – направленная вверх сила, возникающая при движении самолета в воздушной среде;

сила тяжести – сила, вызываемая притяжением Земли;

сила сопротивления воздуха – это сила, препятствующая движению вперед;

тяга – сила, возникающая при работе двигателя самолета.

У бумажного самолета нет двигателя, а значит, сила тяги не действует. Движение бумажного самолета обеспечивает лишь энергия вашего броска. При конструировании бумажного самолета важно учитывать соотношение этих сил – их баланс.

ПЛАНИРОВАНИЕ – основной режим полёта бумажного самолета.

Для того чтобы отправить самолет на максимальную дистанцию, нужно как можно сильнее бросить его вперед и вверх под углом примерно 45 градусов (по параболе). Следует забросить самолет на максимальную высоту, чтобы он дольше планировал вниз.

Бумажный самолет должен выдержать короткий и быстрый бросок.

Крылья бумажных самолетов. Для бумажных самолетов действует правило: чем тоньше крыло, тем лучше. Крылья бумажного самолета – плоские, они имеют меньшее сопротивление, чем толстые или изогнутые. Крылья бумажного самолета должны быть очень тонкими.

А крылья настоящего самолета могут быть достаточно толстыми.

Форма крыльев у бумажных самолетов чаще всего бывает либо прямоугольной, либо

треугольной. Предыдущий рекордсмен по продолжительности полета (то есть времени пребывания самолета в воздухе) имел почти прямоугольную форму. У нынешнего рекордсмена в районе носа – форма треугольная, но его хвост прямоугольный. При проектировании бумажного самолета нужно обратить внимание на важную деталь – относительное удлинение, или, говоря проще, отношение длины крыла к его ширине. Идеальная форма для планера предполагает очень длинные и узкие крылья, похожие на крылья чайки или альбатроса. Такая конфигурация крыла имеет большое относительное удлинение – иными словами, расстояние от одной оконечности крыла до другой значительно выше, чем расстояние от передней кромки крыла до задней. Однако создание бумажного самолета с крылом, напоминающим крыло чайки, представляет непростую задачу для конструктора. Бумажные крылья должны выдержать мощный бросок, поэтому сконструировать крылья с высоким относительным удлинением для бумажного самолета очень трудно.

При проектировании бумажного самолета важно учитывать отношение длины крыла к его ширине.

Треугольная форма крыла – преимущества: слои бумаги можно перемещать к центру самолета, что повысит степень жесткости (в результате самолет станет крепче и выдержит более мощный бросок). У самолета треугольной формы вес может быть расположен чуть дальше к хвосту, поскольку центр давления крыла расположен ближе к задней кромке крыла.

Прямоугольная форма крыла – преимущества: в большей эффективности планера: он сможет пролететь значительно дальше в расчете на каждый метр потери высоты. У самолета прямоугольной формы почти половина веса бумаги должна приходиться на носовую часть, чтобы центр тяжести располагался перед центром давления.

Форма бумажных самолетов определяет, где будет находиться его центр давления (точка приложения подъемных сил).

Центр тяжести должен располагаться перед центром давления – это позволяет самолету двигаться вперед после броска. Центр тяжести у бумажного самолетика можно определить с помощью иголки и нитки. Проткните самолет иголкой и позвольте ему повиснуть на нитке.

Точка, в которой самолет будет балансировать с идеально плоскими крыльями, и есть центр тяжести.

Правила центров. Чем дальше центр давления находиться позади центра тяжести, тем сильнее тенденция самолета к полёту вперед.

Если центр давления:

1) впереди центра тяжести, то возможны внезапные перевороты;

2) совпадает с центром тяжести, то самолет имеет чрезмерную маневренность;

3) находится немного позади центра тяжести, то самолет будет иметь высокую маневренность;

4) немного подальше, то в полёте будет появляться большая устойчивость;

5) сильно дальше, то получится дротик для дартс.

Компромисс между формой крыла и центром тяжести – основа конструирования бумажных самолетов. Чтобы планер летел дальше, его не нужно бросать слишком высоко, поэтому можно отчасти пожертвовать жесткостью конструкции в пользу более широких крыльев (это позволяет планеру дольше оставаться в воздухе).

Стабильность при полёте определяется ещё и углом поперечного изгиба плоскости крыла – в конструкции самолета это угол крепления крыльев к фюзеляжу самолета. Если крылья расположены выше горизонтали – они имеют положительный угол поперечного изгиба плоскости крыла. Если же крылья находятся ниже горизонтали, то отрицательный.

Положительный угол помогает поместить центр давления выше центра тяжести, тем самым создавая условия устойчивого полета. Поэтому при запуске бумажного самолета, мы всегда поправляем его крылья, приподнимая наверх.

Баланс между четырьмя силами, о которых мы говорили, – это первый

шаг к созданию хорошей летающей машины. Второй шаг – корректирующие маневры или действия, приводящие к определенному поведению самолета. Именно здесь вступают в игру управляющие поверхности. Термин управляющая поверхность описывает движущуюся часть любой внешней поверхности летательного аппарата. Для самолета – это руль направления, руль высоты и элероны. Рули высоты контролируют движение самолета вверх и вниз, рули направления – движение вправо и влево, а элероны контролируют

крен.

Для бумажных самолетов руль высоты и руль направления представляют собой самые важные управляющие поверхности. С технической точки зрения, у большинства бумажных самолетов используется так называемое сопрягающееся крыло. Это означает, что основное крыло плавно переходит в хвост. На таких крыльях некоторые функции управления совмещаются. К примеру, руль высоты работает как элерон и поэтому называется элевон.

§ 2 Конструирование и запуск моделей бумажных самолетов

Для проведения эксперимента были рассмотрены самые разные модели бумажных самолетов. Методом случайной выборки в качестве моделируемых объектов были выбраны следующие модели самолетов (табл. 1).

Таблица 1 – Модели бумажных самолетов

* Инструкции по сборке моделей представлены в специально подготовленной брошюре.

Запуск моделей был осуществлен двумя способам:

традиционный запуск – энергия броска запуск с помощью специально собранного из конструктора Lego Mindstorms EV3 запускающего устройства для чистоты эксперимента

Запускающее устройство было собрано самостоятельно, используя навыки Лего-конструирования.

Для изготовления запускающего устройства были использованы следующие детали конструктора Lego Mindstorms EV3:

Модуль EV3 – 1 шт.

Большой мотор – 2 шт.

Кабель, 25 см – 2 шт.

Балка, 15-модульная – 5 шт.

Балка, 13-модульная – 4 шт.

Балка, 11-модульная – 1 шт.

Балка, 9-модульная – 7 шт.

Балка, 7-модульная – 1 шт.

Балка, 5-модульная – 7 шт.

Р ама, 5x11-модульная – 1 шт.

Двойное коническое зубчатое колесо, 36 зубьев – 2 шт.

Угловая балка, 3x5-модульная – 2 шт.

Двойное коническое зубчатое колесо – 2 шт.

Втулка, ½-модульная, желтая – 6 шт.

Ось с головкой, 8-модульная – 2 шт.

Ось с головкой, 4-модульная – 2 шт.

Соединительный штифт с фрикционной муфтой – 22 шт.

Соединительный штифт с фрикционной муфтой/осью – 2 шт.

Ступица, 43,2x26 мм – 2 шт.

Низкопрофильная шина, 56x28 мм – 2 шт.

§ 3 Практическая работа – подтверждение гипотезы на практике

В ходе выполнения исследовательской работы были изучены различные источники, апробированы 13 моделей бумажных самолетов, проведена конструкторская сборка запускающего устройства, составлены сравнительные таблицы для подтверждения гипотезы.

ГИПОТЕЗА. Я предполагаю, что дальность полёта бумажного самолета при соблюдении прочих равных условий – скорость и угол движения (запускающее устройство и традиционный бросок) зависит от формы самолета (крыло и нос) и плотности бумаги для его изготовления.

Для подтверждения гипотезы были задействованы методы моделирования, эксперимента и сравнительного анализа полученных результатов

Инструментарий эксперимента:

1) запускающее устройство – 1 шт.

2) модели бумажных самолетов – 13 шт.

3) рулетка на 7 м – 1 шт.

4) рулетка на 5 м – 1 шт.

В ходе эксперимента мы попробовали установить, как изменяется дальность полета бумажного самолета при соблюдении прочих равных условий – отсутствие факторов внешнего воздействия (ветер, осадки и др.) – запуск в помещении, скорость и угол движения (запускающее устройство и традиционный бросок) в зависимости от формы самолета (крыло и нос) и плотности бумаги для его изготовления.

Нас интересовали в первую очередь дальность полета, его направленность и планирование.

В домашних условиях был проведен эксперимент по запуску бумажных моделей. Традиционным способом – бросок из-за головы – были запущены все 13 моделей бумажных самолетов. Было проведено по 3 попытки. Полученные результаты с определением среднего значения дальности полета внесены в сравнительную таблицу.

Аналогичным образом – 3 попытки и фиксация результатов в сравнительной таблице – был проведен запуск бумажных самолетов с помощью запускающего устройства. Изначально идея с запускающим устройством рассматривалась как основная.

Было выдвинуто предположение, что именно запускающее устройство поможем обеспечить чистоту эксперимента – заданность направления движения и сила броска.

Полученные результаты внесены в таблицу (табл. 2).

Таблица 2 – Дальность полета бумажных самолетов, запущенных традиционным способом и с помощью запускающего устройства, м

Вывод: запускающее устройство работает от двигателя и всем моделям обеспечивает равные условия запуска. Дальность полета определяется мощностью двигателя и имеет близкие значения.

При этом дальность полета оказалась меньше, чем при традиционном броске. Вероятнее всего у запускающего устройства недостаточная мощность и резкость броска.

Результаты проведенного эксперимента позволяют сделать следующие выводы:

дальность полета запускаемых моделей бумажных самолетов оказалась больше при традиционном броске (запуск осуществлялся из положения стоя, рука поднята вверх и заведена за голову, бросок вперед и вверх под углом 450);

дальше всех улетели бумажные самолеты моделей «Планер 1», «Ястреб» и «Ультра» – это самолеты, которые имеют в своей конструкций – заостренный нос и длинные, достаточно узкие крылья.

«Планер 1» – летит плавно и далеко

«Ястреб» – летит быстро и далеко

«Ультра» – летит плавно и далеко

Сила и энергия броска обеспечили большую дальность полета бумажного самолета в сравнении с запускающим устройством.

С помощью моих одноклассников мы продолжили эксперимент с традиционным запуском самолетов.

Каждый из моих одноклассников запустил по 5 моделей выбранных самолетов. Полученные результаты были занесены в сравнительную таблицу (табл. 3).

Таблица 3 – Дальность полета бумажных самолетов, запущенных традиционным способом моими одноклассниками.

Продолжение таблицы 3

При этом следует помнить, что при традиционном броске сила и энергия не являются постоянными величинами, их показатели зависят от очередности попытки, от направления и силы запуска, от умения человека выбрать правильную траекторию полета бумажного самолета и др.

Проведя сравнительный анализ результатов, выберем три модели, имеющие наибольшую дальность полета, и продолжим эксперимент. Рассмотрим дальность полета этих моделей, выполненных из бумаги разной плотности – офисная бумага, тетрадный лист и газетный лист (табл. 4).

Таблица 4 – Дальность полета бумажных самолетов, выполненных из бумаги разной плотности, м

Результаты проведенного эксперимента с бумагой разной плотности позволяют сделать следующие выводы:

самолеты, сделанные из разной бумаги, летают по-разному;

самолеты из более плотной бумаги летят дальше, в полёте ведут себя стабильно;

самолеты из тонкой бумаги – летит медленнее, плавнее, но менее стабильно.

Победил самолёт модели «Ястреб», сделанный из офисной бумаги, он пролетел 15 метров. Вторая часть гипотезы подтвердилась!

ГИПОТЕЗА ПОДТВЕРЖДЕНА!

В результате проведенного исследования и эксперимента были подтверждены все составляющие гипотезы – дальность полёта бумажного самолета при соблюдении прочих равных условий зависит:

от скорости и угла движения (запускающее устройство и традиционный бросок).

Запускающее устройство работает от двигателя и обеспечивает равные условия запуска. Дальность полета самолета, запущенного устройством, оказалась меньше, чем при традиционном броске. Вероятнее всего у запускающего устройства недостаточная мощность и резкость броска.

Традиционный бросок осуществлялся из положения стоя, рука поднята вверх и заведена за голову, бросок вперед и вверх под углом 450;

2) от формы самолета (крыло и нос) – дальше всех улетели бумажные самолеты моделей «Планер 1», «Ястреб» и «Ультра» – это самолеты, которые имеют в своей конструкций – заостренный нос и длинные, достаточно узкие крылья, модели «Ястреб» и «Ультра» имеют дополнительные закрылки;

3) от плотности бумаги для его изготовления – были собраны самолеты моделей «Планер 1», «Ястреб» и «Ультра» из офисной бумаги, тетрадного и газетного листов. Были выполнены 3 попытки по запуску каждой модели. Было выявлено, что самолеты, сделанные из разной бумаги, летают по-разному: самолеты из более плотной бумаги летят дальше и стабильнее, из более тонкой бумаги – летят медленнее, плавнее и имеют меньшую дальность полета.

Заключение

В начале работы было принято решение исключить влияние факторов внешней среды (ветер, осадки и т.д.). Поэтому запуск моделей бумажных самолётов осуществлялся в помещении.

Для обеспечения равных условий запуска моделей, было сконструировано запускающее устройство на базе «Lego Mindstorms EV3». Оно показало высокую стабильность запуска бумажных самолетов, по сравнению с человеком. Однако, дальность полета получилась небольшой. При традиционном способе запуска удалось получить большую резкость и силу броска, чем у двигателей из конструктора Lego.

В ходе эксперимента, был выработан оптимальный способ броска. Нужно запускать самолёт из-за головы, при этом смотреть вперед и немного вверх. Бросать необходимо плавно, но достаточно сильно и, самое главное, нужно вовремя разжать пальцы.

Существует большое количество разнообразных схем создания бумажных самолётов. Опытным путём удалось установить влияние формы самолёта на его лётные характеристики. Дальше всех улетели бумажные самолеты моделей «Планер 1», «Ястреб» и «Ультра» – это самолеты, которые имеют в своей конструкций – заостренный нос и длинные, достаточно узкие крылья. С данными моделями самолётов был продолжен эксперимент.

Было решено проверить лётные качества самолетов, сделанных из различной бумаги. Для испытаний взяли газетную бумагу, бумага для принтера (офисная) и тетрадный лист. По итогам эксперимента можно сделать вывод о том, что самолеты, сделанные из разной бумаги, летают по-разному – из более плотной бумаги летят дальше, а из более тонкой бумаги – плавнее и имеют меньшую дальность полета.

Итак, поставленная цель достигнута, задачи выполнены. Запуск бумажных самолетов – это не только детская и очень увлекательная игра, но изучение законов физики на таком интересном и наглядном примере.

Таким образом, создание бумажных самолетов – это целая наука. Каждый бросок – эксперимент. Каждый самолет и каждый запуск состоят из гипотез, экспериментальных конструкций, проб, промежуточных результатов. Вот и получается, что игра в бумажные самолетики – это погружение в мир науки.

Список литературы

1) Акимов, Н. В. Исследовательский проект «Мой бумажный самолёт отправляется в полёт» / Н. В. Акимов, Е. В. Савельева. // Юный ученый. – 2018. – № 4 (18). – С. 93–95. URL: https://moluch.ru/young/archive/18/1276 / (дата обращения: 24.02.2022).

2) Как сделать бумажный самолетик. URL: https://fishki-net.turbopages.org/fishki.net/s/3516263-kak-sdelaty-bumazhnyj-samoletik-12-luchshih-shem.html (дата обращения: 12.02.2022).

3) Коллинз Дж. Самолеты из бумаги / Джон Коллинз; пер. с англ. П. Миронова. – М.: Манн, иванов и Фербер, 2014. – 160 с. URL: https://www.mann-ivanov-ferber.ru/assets/files/bookparts/samolety_iz_bumagi/samolety_iz_bumagi_read.pdf (дата обращения: 03.03.2022).

4) Модели бумажных самолетов / Это интересно! Поделки, игры, опыты и занятия для детей. URL: https://www.tavika.ru/2012/04/21.html (дата обращения: 18.02.2022).

5) Почему они летают? URL: https://www.mann-ivanov-ferber.ru/assets/files/bookparts/samolety_iz_bumagi/samolet_1.pdf (дата обращения: 24.02.2022).

6) Приготовьтесь к удару! Подлинная история «Чуда на Гудзоне». URL: https://aif.ru/society/ptransport/prigotovtes_k_udaru_podlinnaya_istoriya_chuda_na_gudzone (дата обращения: 24.02.2022).

7) Удивительная авиакатастрофа, при которой никто не пострадал! URL: https://youtu.be/Qqc0OiWQEuU (дата обращения: 15.02.2022).

8) Чудо на Гудзоне – фильм и реальные события. URL: https://zen.yandex.ru/media/mirvkarmane1972/-chudo-na-gudzone-film-i-realnye-sobytiia-kak-piloty-a320-posadili-avariinyi-samolet-na-reku-v-niuiorke-vyjili-vse-615f3129df0785274807bdca (дата обращения: 24.02.2022).

8) How This Guy Folds and Flies World Record Paper Airplanes. URL: https://youtu.be/3BNg4fDJC8A (дата обращения: 28.02.2022).

Приложение 1

Макет брошюры «Полёты наяву: тайны бумажного самолета!»

( Инструкции по моделированию)