Штучний птах з біонічними рушіями Науково-дослідна робота
Автор:Коломіцин Данило, учень 9 класу, ГБОУ ЗОШ № 1273, з поглибленим вивченням англійської мови.Тема роботи:Штучний птах з біонічними рушіями.Науковий керівник:Устюгіна Галина Павлівна, вчитель фізики.Номінація:
Актуальність:Відомо, що існує проблема підвищення ККД рушіїв у літальних апаратах, що не перевищує 50%. Підказкою для вирішення цієї проблеми є політ птахів, що махає, вже тому, що ККД крила птиці наближається до 95%.
Мета проекту:Створити такий пристрій біонічного рушія-крила, що призведе до появи максимально можливої сили тяги в текучому середовищі (повітря).
Гіпотеза:створення крильової поверхні гнучкою та пружною, за формою близькою до форми крила птиці, відповідно до правила U = 0,29, теоретично обґрунтованого у проекті «Чому літають птахи», 2004 рік та в патенті України № 2285633. «Спосіб створення сили тяги в рухомих середовищах і пристрій для його здійснення», дозволить отримати стійку силу тяги, що перевищує її значення у крил махолету, що не має перерахованих вище властивостей.
Відома інформація.Проектні роботи учнів 9-го класу Івана Ручкіна та Андрія Білих «Чому літають птахи» були удостоєні дипломів 1-го ступеня у конкурсі «Ярмарок ідей на Південному Заході-2004».
Перо птиці та повітряний політ (стор. 14–16) Г. Устюгіна, Ю. Устюгін. Сьогодні мало знайдеться людей, які б не літали на літаках. За кілька годин польоту можна опинитися зовсім в іншому місці земної кулі, що знаходиться за багато тисяч кілометрів від місця вильоту.
Звичайно, переліт - це не завжди приємно, а іноді навіть небезпечно для життя.А як літають птахи?
Здавалося б дуже просто. Змахнули крилами і злетіли, а далі — вільний політ із запаморочливими віражами. Людина потроху, принаймні розуміння, виділяє з польоту птахи окремі елементи і «прилаштовує» до своїх літальних апаратів.
Про одну таку «підказку природи» — про влаштування пера птаха — і розповідається у статті.
Махове перо відіграє дуже важливу роль для польоту птиці - саме воно є унікальним рушієм, що має ккд 95%.
При індивідуальних і змінних розмірах кожного пера у різних птахів, виявилося, існує певний показник -δ, що характеризує відстань розташування пера від лінії геометричного центру опахало (точка O) і визначає функцію пера у складі крила птиці, що узгоджується з динамікою плоского гнучкого тіла в теоретичній механіці, згідно з якою, особливий сенс має взаємне розташування осі жорсткості та центру застосування гідродинамічних сил.
Виявилося, що розташування стовбура на опахалі, як у махового пера, необхідне для оптимального здійснення поступального руху-польоту птиці в текучому середовищі, яким є повітря.
Таким чином, вивчення питання махового польоту птахів призвело до наступного висновку: якщо, на гнучке, пружне тіло (пластину) обтічної форми, що знаходиться в текучому середовищі, діє знакозмінна періодична сила перпендикулярно площині пластини, що примушує точку захвату пластин. з'являється сила тяги вперед. При цьому точка захоплення пластини повинна здійснюватись відповідно до правила
δ=0.2887×L,абоU=δ/L=0.29, де L-відстань від фронтальної лінії до задньої лінії пластини.
Журнал Квант №1, 2012 рік
Гіпотеза:Можливо створити штучний птах з високим ккд, при використанні біонічних рушіїв-крил.
Перша модель птиці.Крило – рушій виконано відповідно до правила
δ=0.2887×L, абоU=δ/L=0.29, де L-відстань від фронтальної лінії до задньої лінії пластини.
Проте, модель надто важка реалізації польоту.F тяги = 0,4Н
Пробую нову форму крила, дослідження продовжуються ....., зменшити силу тяжкості не вдається через важкі конструкційні матеріали.
Вихід знайдено: використовуємо махолет ВІД ВІНТА. Змінивши конструкцію крил, перевіримо нашу гіпотезу.
Штучний птах, підвішений на нитці, рухався по колу і, при рівномірному русі, що встановився, визначалося: кількість обертів за 10 секунд, пройдений шлях і сила тяги.
Для визначення витраченої електричної енергії використовувалися дані заводу виробника (сила струму 0,1А і напруга 3,7В), зазначені всередині корпусу птиці на акумуляторі.
Для розрахунку ККД використовувалися формули:ККД = F×n×2πr/U×I×t, де F - сила тяги, n-кількість оборотів, r-радіус кола , U-напруга, I -сила струму, t-час.
Отримані результати експериментів із двома птахами (птахи – махолету та птахи з біонічними рушіями) заносилися до таблиці.
При виготовленні моделей враховувалися результати досліджень, що містяться у проекті «Чому літають птахи» (Ярмарок ідей на Південному Заході. Москва – 2004). Зокрема, виявлене універсальне правило U = 0,29 у махового пір'я птахів, що визначає положення безлічі точок впливу на крилову поверхню зворотно-поступальної сили, що призводить до появи сили тяги.
Для лабораторнихвипробувань виготовлений та застосований електромеханічний привід, що здійснює поперечні коливання рушія у першій моделі.
У ході випробувань моделей рушіїв, виготовлених як із природних, так і синтетичних полімерних матеріалів отримано, що і в інших випадках при знаковозмінному впливі сили, що прикладається до рушія, виникає сила тяги, що змушує модель рухатися поступово вперед. Величина цієї сили залежить від амплітуди та частоти коливань, а також від площі поверхневості двигуна.
Підсумки роботи:Експеримент підтвердив робочу гіпотезу: Сила тяги та ККД птиці з біонічними крилами-рушіями вище, ніж у махолету. До недоліків роботи відносимо відносно велику похибку у вимірах, яка при порівнянні однорідних величин у 2-х експериментах не надає помітного впливу на результат.
Дослідження рушіїв принципово підтвердили вихідну гіпотезу проекту. Штучно заміщаючи підйомну силу крила силою, що прикладається, і приводячи крилову поверхню в силу її гнучкості до форми, близької до форми крила птиці, а також, використовуючи правило U=0,29, добиваємося того, що виникає зустрічний потік повітря, Поведінка цього потоку відповідає поведінці аналогічної потоку повітря, у звичайній картині виникнення підйомної сили крила.
ККД нашого рушія за нашими оцінками дорівнювало 74%.