Pozornost! Správa webu rosuchebnik.ru nenese odpovědnost za obsah metodického vývoje ani za soulad vývoje s federálním státním vzdělávacím standardem.
- Účastnice: Položková Anastasia Petrovna
- Vedoucí: Gusarova Irina Viktorovna
úvod
Zdůvodnění výběru tématu
Z mnoha nabízených tematických možností jsem si vybral studium fyzikálních jevů spojených s letem letadla, protože dnes tak oblíbený a rozšířený způsob dopravy je zajímavým předmětem studia. Letoun je letadlo navržené k letu v atmosféře s pomocí elektrárny, která vytváří tah a křídla, které je nehybné vzhledem k ostatním částem zařízení a vytváří vztlak. Fyzika hraje v provozu letadla obrovskou roli. Denně létají tisíce letadel. Tisíce lidí svěřují své životy letadlům. Jak s tím souvisí fyzika? Právě tato otázka mě přiměla ke studiu tohoto tématu.
Relevantnost této práce je dána studiem historie objevování fyzikálních jevů při letu letadel, zdokonalováním jejich využití a také možností rozvíjet své badatelské schopnosti, rozšířit si obzory a základnu matematických a fyzikálních znalostí. , rozvíjet logické myšlení a trénovat intelekt.
Předmětem studia je školní fyzikální materiál pro ročníky 7-9.
Předmětem výzkumu jsou fyzikální jevy při letu letadla.
Hypotézou studie byl předpoklad: studované fyzikální jevy jsou základem letu letadla.
Účel studie: sledovat historii objevů fyziky související s letadly, jak tyto objevy ovlivnily vývoj společnosti. Prozkoumejte některé fyzikální jevy, ke kterým dochází během letu letadla, a navažte mezi nimi spojení.
Praktický význam práce je dán možností podrobného studia, seberozvoje a analýzy objevů.
Kapitola I Vědecký popis a vysvětlení jevů
1. Zvedací síla
Zjednodušená verze vzhledu vztlaku křídla, které je umístěno rovnoběžně s prouděním vzduchu. Konstrukce křídla je taková, že horní část jeho profilu má konvexní tvar. Proud vzduchu proudící kolem křídla je rozdělen na dva: horní a spodní. Rychlost spodního proudění zůstává téměř nezměněna. Rychlost toho horního se ale zvyšuje, protože musí za stejnou dobu urazit větší vzdálenost. Čím vyšší je rychlost proudění, tím nižší je tlak v něm. V důsledku toho se tlak nad křídlem snižuje. Rozdílem těchto tlaků vzniká vztlaková síla, která tlačí křídlo vzhůru a s ním stoupá i letadlo. A čím větší je tento rozdíl, tím větší je zvedací síla. Proč se objevuje vztlak, když má profil křídla konkávně-konvexní nebo bikonvexní symetrický tvar?
Profil křídla letadla je umístěn pod úhlem k proudění vzduchu. A proud vzduchu, který naráží na spodní plochu takového křídla, je zkosený a začíná se pohybovat dolů. Podle zákona zachování hybnosti bude na křídlo působit síla směřující opačným směrem, tedy nahoru.
Ve skutečnosti je vše mnohem složitější. Přicházející proud vzduchu působí na křídlo silou, která se nazývá celková aerodynamická síla. A zvedací síla je jednou ze složek této síly. Druhou složkou je tažná síla. Celkový vektor aerodynamické síly je součtem vektorů síly vztlaku a odporu. Vektor zdvihu je směrován kolmo k vektoru rychlosti proudícího vzduchu. A vektor brzdné síly je rovnoběžný.
Letadlo může vzlétnout pouze tehdy, je-li vztlaková síla větší než jeho hmotnost. Rozvíjí rychlost pomocí motorů. S rostoucí rychlostí se zvyšuje i vztlak. A letadlo stoupá vzhůru.
Pokud jsou vztlak a hmotnost letadla stejné, letí vodorovně. Letadlové motory vytvářejí tah – sílu, jejíž směr se shoduje se směrem pohybu letadla a je opačný ke směru odporu. Tah tlačí letadlo vzduchem. Při horizontálním letu konstantní rychlostí jsou tah a odpor vyváženy. Pokud zvýšíte tah, letadlo začne zrychlovat. Zvýší se ale i odpor. A brzy budou zase bilancovat. A letadlo poletí konstantní, ale vyšší rychlostí.
Pokud se rychlost sníží, vztlaková síla se zmenší a rovina začne klesat.
2. Gravitace
Gravitační síla zůstává stejná, ať je letadlo na zemi nebo ve vzduchu, a tak je příjemné vědět, že tato konstantní síla je stále s námi. Let je možný pouze při dopředné rychlosti. Dopředná rychlost je získána díky energii ze spalování paliva.
Pokud vzlétneme ze země a vzneseme se do určité výšky, máme již určité množství energie (hmotnost letadla), která může dát letadlu rychlost vpřed, když ji motor přestane vyvíjet. Pokud se motor zastaví v určité výšce nad zemí, váha dále táhne letadlo dopředu; letadlo nepadá, ale začíná klouzat, klouzat dolů, přičemž je neustále řízeno.
Čím výše je letadlo ve vzduchu, tím větší vzdálenost může letět bez motoru. Stálá gravitační síla se stává něčím jako stálým strážcem, který poskytuje letadlu neviditelnou energii, kterou potřebuje k pohybu vpřed.
3. Elektrifikace
Na odtokové hraně křídla je dobře viditelných 10 elektrostatických výbojů.
Statická elektřina pro letadla je vážný problém, který však lze úspěšně vyřešit.
V důsledku tření se vzduchem v letadle během letu se akumuluje náboj 200–300 μC, který zvyšuje potenciál na 200–300 kilovoltů.
Když se podvozek letadla přiblíží k přistávací dráze, dojde k asi metrovému elektrickému výboji k zemi, nejčastěji po povrchu gumových kol. Ve tmě je jasně vidět.
Statická elektřina nahromaděná během letu výrazně zhoršuje provoz radiokomunikačních zařízení a vede k poruchám digitálních zařízení. Po přistání letadla je statický náboj docela schopný zabít člověka.
Aby se předešlo negativním účinkům statické elektřiny, jsou na letadlech instalovány následující ochranné prostředky:
- Metalizační propojky spojující jednotlivé konstrukční prvky letadla mezi sebou a hmotou letadla.
- Výboje, které usnadňují tok statické elektřiny nashromážděné letadlem do atmosféry.
U letadel jsou ESD instalovány ve skupinách na koncích křídel a dalších vyčnívajících částech draku letadla.
Tělo jiskřiště dlouhé 10–15 cm představuje objemový rezistor s odporem 10–100 MOhm.
Kapitola II. Historie objevu, zajímavosti o uvažovaných jevech
1. Zvedací síla
Zvedání, také známé jako Archimedes, síla. Legenda praví, že král Volavka II. požádal myslitele, aby určil, zda je jeho koruna vyrobena z čistého zlata, aniž by poškodil samotnou královskou korunu. Zvážit Archimedovu korunu nebylo těžké, ale to nestačilo – bylo nutné určit objem koruny, aby bylo možné vypočítat hustotu kovu, ze kterého byla odlita, a určit, zda se jedná o čisté zlato. Pak se podle legendy Archimedes, zaujatý myšlenkami na to, jak určit objem koruny, ponořil do vany – a najednou si všiml, že hladina vody ve vaně stoupla. A pak si vědec uvědomil, že objem jeho těla vytlačil stejný objem vody, takže koruna, pokud by byla spuštěna do nádrže naplněné po okraj, by vytlačila objem vody rovný jejímu objemu. Bylo nalezeno řešení problému. A ve vývoji aerodynamiky v naší zemi sehrál vynikající roli profesor Nikolaj Egorovič Žukovskij (1847-1921) – „otec ruského letectví“. Žukovského zásluha spočívá v tom, že jako první vysvětlil vznik vztlakové síly křídla a formuloval větu pro výpočet této síly. Žukovského věta: Vztlaková síla segmentu křídla o nekonečném rozpětí je rovna součinu hustoty plynu (kapaliny), rychlosti plynu (kapaliny), rychlosti cirkulačního proudění a délky zvoleného segmentu křídla. Směr působení zdvihové síly se získá otočením vektoru rychlosti proudění v pravém úhlu proti cirkulaci. Před Žukovským byl výskyt vztlaku vysvětlován Newtonovou teorií nárazu, která popisuje částice vzduchu, které nejsou navzájem spojeny, narážející na proudnicové těleso. Tato teorie podceňuje zdvih křídla. Žukovskij poprvé představil mechanismus pro generování vztlaku křídla, který objevil na podzim roku 1904, na setkání Matematické společnosti 15. listopadu 1905.
2. Gravitace
Isaac Newton se procházel jabloňovým sadem na pozemku svých rodičů, když najednou na denní obloze uviděl měsíc. A právě tam, před jeho očima, se z větve odtrhlo jablko a spadlo na zem. Newton právě v této době pracoval na zákonech pohybu, už věděl, že jablko spadlo pod vlivem zemského gravitačního pole. Věděl také, že Měsíc nejen visí na obloze, ale otáčí se na oběžné dráze kolem Země, a proto na něj působí nějaká síla, která mu brání vymanit se z oběžné dráhy a letět v přímé linii pryč. do otevřeného prostoru. Pak ho napadlo, že to byla možná stejná síla, kvůli které jablko spadlo na zem a Měsíc zůstal na oběžné dráze kolem Země. Všichni věřili, že existuje pozemská gravitace působící na nedokonalou Zemi a existuje nebeská gravitace působící na dokonalá nebesa. Newton udělal následující – ve své mysli spojil tyto dva typy gravitace. Od tohoto historického okamžiku přestalo existovat umělé a falešné oddělení Země a zbytku Vesmíru.
3. Elektrifikace
Elektrifikace – jde o jevy, při nichž tělesa získávají vlastnosti přitahování jiných těles; elektrifikace se týká vždy dvou těles. V tomto případě jsou obě tělesa elektrifikována. Při kontaktu dochází k elektrifikaci. Řecký filozof Thales z Milétu, který žil v letech 624-547. př. n. l. zjistil, že jantar, třený do kožešiny, získává schopnost přitahovat malé předměty – chmýří, brčka atd. Po řadu staletí byla tato vlastnost připisována pouze jantaru, z jehož názvu pochází slovo „elektřina“. Zrození doktríny elektřiny je spojeno se jménem Williama Gilberta (1540-1603). Byl jedním z prvních vědců, kteří schválili zkušenost, experiment jako základ výzkumu. Ukázal, že tření elektrizuje nejen jantar, ale i mnoho dalších látek a že přitahují nejen prachové částice, ale také kovy, dřevo, listí, oblázky a dokonce i vodu a olej.
Výkon
Při studiu fyzikálních jevů jsem měl touhu studovat jejich aplikace podrobněji. Úžasným faktem a malým objevem je, že okolní jevy podléhají a vysvětlují obecné zákony a zákonitosti ve fyzice.
Současná porucha všech motorů je u tří nebo čtyřmotorových letadel extrémně vzácným scénářem. Moderní dopravní letadla však stále častěji používají 2 motory, částečně kvůli zvýšené spolehlivosti zařízení.
Na počátku 80. století bylo asi 20 % všech leteckých nehod způsobeno selháním zařízení a pouze 80 % bylo způsobeno lidským faktorem. V XNUMX. století se situace radikálně změnila a nyní je za XNUMX % incidentů zodpovědný lidský faktor.
I přes sníženou pravděpodobnost poruchy motoru stále není nulová a takové případy se stávají. Jedním z důvodů může být prolétání hejnem ptáků. Bohužel je nemožné ochránit motory před ptáky, ale to se téměř vždy děje v malé výšce, během vzletu nebo přistání. V takové situaci nemají piloti jinou možnost, než se pokusit přistát na letišti (nebo někde poblíž), odkud právě startovali nebo se blížili, resp.
Něco podobného se v roce 2019 stalo s Airbusem A321 Ural Airlines, který se po startu srazil s racky a byl nucen přistát v kukuřičném poli poblíž letiště Žukovskij. Dalším příkladem je příběh A320, nyní známý jako „Zázrak na Hudsonu“. Poté bylo letadlo uzemněno na vodě krátce po startu z letiště v New Yorku.
Co se ale stane, když motory selžou ve vysokých nadmořských výškách a daleko od jakýchkoli letišť? Jak dlouho může letadlo letět? Letadlo se drží ve vzduchu díky na něj působící vztlakové síle, ke které dochází pouze v pohybu. Za normálních podmínek je pohyb řízen tahem proudových motorů, ale pokud jsou všechny motory vypnuty, stojí piloti před volbou: ztratit rychlost při zachování výšky, nebo ztratit výšku při zachování rychlosti.
Pokud zvolíte první možnost, rychlost letadla se bude postupně snižovat natolik, že upadne do vývrtky. Proto musí piloti udržovat požadovanou rychlost změnou výšky. Vzdálenost, kterou může letadlo urazit za klouzavých podmínek, závisí na počáteční výšce letu, aerodynamické kvalitě a povětrnostních podmínkách.
Aerodynamická kvalita (K) je poměr vztlaku k odporu. Li K je 10, pak za každý kilometr ztracené výšky letadlo uletí 10 km. U moderních dopravních letadel, jako je Airbus A330 nebo Boeing 787, je tento poměr 15 a 20. Komerční lety obvykle operují ve výšce ~10 km, takže za klidného počasí z takové výšky mohou klouzat asi 150 – 200 km, než se dotknou země. Je to hodně nebo málo? Historie zná několik příkladů, kdy se to ukázalo jako dostačující.
Kluzák Gimli
V červenci 1983 došlo Boeingu 767 společnosti Air Canada během letu z Montrealu do Edmontonu palivo. Kanada v té době postupně přecházela na systém metrického měření a kvůli chybě se do nádrží letadla natankovalo nedostatečné množství paliva.
V okamžiku vypnutí druhého motoru bylo letadlo ve výšce 10700 104 metrů. Nejbližší letiště ve Winnipegu bylo 72 km daleko, ale posádka se rozhodla přistát na staré ranveji na letecké základně Gimli, vzdálené XNUMX km. Pás byl v té době přeměněn na motokárovou dráhu a při absenci hluku motoru bylo přistání boeingu pro návštěvníky velkým překvapením. Naštěstí nebyly žádné oběti.
Azorský kluzák
Další incident se odehrál v srpnu 2001. V důsledku nesprávné instalace hydraulických komponent došlo k úniku paliva v letadle Air Transat Airbus A330. A330 letěl z Toronta do Lisabonu, ale po zjištění závady byl odkloněn na Azory.
Druhý motor se vypnul 5.5 hodiny po odletu, v tu chvíli byla výška letu 10000 121 metrů. Velitel letadla se stejně jako v předchozím případě ukázal jako zkušený pilot kluzáku. Jeho dosavadní schopnosti mu umožnily překonat XNUMX km bez motorů a úspěšně přistát na ranveji letecké základny Lajes.
