Вертолёт «Муха»: физика полёта
HTML-код
- Опубликовано: 3 июн 2024
- Вертолёт "Муха" - это игрушка, состоящая из пропеллера и палочки. При запуске он подлетает вверх на несколько метров. Удивительным образом тяга пропеллера при таком запуске остаётся практически постоянной, хотя скорость его вращения уменьшается в несколько раз. Это происходит из-за подстройки угла атаки, компенсирующей уменьшение скорости вращения.
Ключевые слова: воздушный пропеллер, угол атаки, аэродинамическая сила, подъёмная сила, теория полёта.
Благодарим вас за интерес к нашей работе!
Получить доступ к дополненным материалам и поддержать нас можно в нашем телеграм-канале: t.me/getaclass_channel/525
Новосибирский Государственный Университет
Физический факультет НГУ
www.nsu.ru/
![Эффект Джанибекова [Veritasium]](/img/1.gif)
Кинетическая энергия позитива двух авторов, даже если ты ничего не понимаешь, заставляет тебя смотреть эти ролики по инерции до конца и с удовольствием :)
хы )
Массу двух авторов условно примем 160 кг. Пополам будет 80. Ролик длится примерно 600 секунд. Если его скачать, он будет примерно метров на 300. Итого около 0.5 м/с. В квадрате - 0.25. четверть от 80 - примерно 20 джоулей. Ну как 4 удара бытового перфоратора. Маловато будет 😊
Или я где-то ошибся в расчётах или тут замешана темная энергия 😂
@@KarpovVM 🤣🤣
1984 год. На кордодроме в Тушино я нашел поломанный на концах самодельный углепластиковый винт от скоростной модели. Небольшого размаха и с огромным шагом. В авиамодельном кружке я, как смог, обрезал лохматые законцовки винта и отбалансировал его. Посадочный диаметр отлично подошел для корпуса от только-только появившихся тогда в продаже ручек BiC. Получившегося зверя я, конечно, потащил в техникум, где на переменках мы его запускали. Для раскрутки использовал примерно метр суровой нитки, в аккурат на размах руки. Ось пропеллера вставлялась в картонную трубку катушки ниток. Взлетал такой вертолёт громко шурша лопастями и очень высоко. До крыши четырехэтажного техникума точно поднимался.
Частенько на данном канале выходят видео про аэродинамику, мне как студенту авиационного института это очень нравится
Про изменение угла атаки в зависимости от вертикальной скорости очень понравилась. И про измерение момента инерции
Лет 40 назад выпускалась такая детская игрушка в виде пластмассового пистолета, внутри ствола была пружина,, внутрь которой вставлялся похожий пропеллер (только лопасти были не открытые, а внутри обода). При взводе механизма пружина проворачивалась на своей оси, а затем при нажатии курка резко освобождалась и пропеллер взлетал высоко...
о, только в комментарии о таком написал, у меня в детстве он был и тогда же куда-то пропал. У вас он есть в наличии?? Чтобы хотя бы сфотографировали, хочется его снова увидеть, как он выглядит и работает!
А муха тоже вертолёт, но без коробки передач
У меня такая со времён клуба висит. Ещё похожую модель "Бабочка" делали, на резиновом приводе с крыльями-стабилизаторами.
Эх, помню в моём далёком детстве, когда мне было где-то лет 5-8 то был у меня пистолетик, выполненный в виде то ли ракеты то ли бластера, уже с трудом вспоминается.. так вот он как раз стрелял подобными "мухами". Такой винт на палочке имел если правильно вспоминается то пружинку и спираль которая при отпускании курка пистолета раскручивала вертолётик и он вылетая вперёд через дуло сначала вперёд, а потом поднимался вверх. наверное палка являлась и грузом, который разворачивал пропеллер к верху. Жаль, что этот пистолет где-то подевался ещё в детстве, то ли он поломался.. а найти его по интернету мне так и не удалось, как будто больше ни у кого такого не было, в чём я сомневаюсь.. Может у кого в детстве такой был, отзовитесь, хоть бы взглянуть на него, чтобы вспомнить как он выглядит и работает!)
Спасибо вам за просвещение и за популяризацию науки! Я двоечник и всю жизнь задавался вопросом: А, на кой мне это?
Теперь оглядываюсь по сторонам, и волосы дыбом встают. Оказалось я и не двоечник вовсе, судя по всему что происходит, и как люди реагируют на разные вещи. А, уж понимание физики, математики, химии, можно и вовсе за скобки вынести😢
Большое спасибо, что напомнили детство! Мы пацанами делали винт из здоровенной жестяной банки из под селёдки. На стопятидесятый гвоздь деревянную катушку со штырьками, на катушку верёвку-пускач и винт. Крапиву рубил этот винт знатно...
Полезная штука и приятная 👍
Спасибо большое за выпуск
Мы в детстве такие-же делали, а увидели мы их в зарубежном фильме, про бандитов захвативших школу... (Конец 90 годов примерно)... Потом мы их меняли на чупачупсы, юпи, иногда даже сникерсы в соседние дворы, потом весь микрорайон играл этими вертолетиками...
Бросается в глаза следующие два момента.
1. Доля энергии, ушедшей "в воздух" примерно одинакова. И это логично, учитывая, что при малых углах атаки, аэродинамическое сопротивление не зависит от угла атаки, а аэродинамическое качество (соотношение подъемной силы и силы сопротивления остается постоянным).
2. Обороты, при которых вертолет пошел вниз, почти одинаковы (22 и 19). При этом начальные обороты отличаются в полтора раза. А учитывая, что энергия это квадрат оборотов, то разница в энергиях и того больше. То, что "конечные" обороты близки тоже логично. Из первого эксперемента видно, что при 27 об/сек, вертолёт ещё довольно резво взлетает. Наверное, при порядка 20, он окажется "уравновешен" и уж точно он не начнёт падать ранее, чем замедлится до этих самых 27.
Есть предположение, что при взлете, вертолет и правда делает рывок. Но и потом винт продолжает работать.
Более того, мы знаем, что при 27 оборотов, вертолет еще довольно резво набирает высоту. Значит, какими бы не были начальные обороты, в наивысшей точке, они будут не более 27. Иначе вертолёт будет взлетать, а не падать.
Итого.
Имеем потери на воздух, определяемые как постоянный процент от исходной энергии (читай, квадрата начальных оборотов).
И затраты энергии на собственно взлет, которые определяются уже разностью между квадратом начальной скорости вращения и квадратом скорости вращения в момент, когда вертолет начал падать. Последняя плюс минус постоянна.
Допустим, мы запустили вертолет со скоростью 20 об/сек. В итоге он вообще не взлетел, а лишь завис на короткий промежуток времени. Но свой процент "на воздух" потерял. А с ростом начальных оборотов, вертолет начинает немного подлетать. То есть, появляется какой никакой "кпд". И чем выше начальные обороты, тем бОльшая часть скорости (энергии) начального вращения пойдет на набор высоты.
Винт будет двигаться вверх только в том случае, если сойдутся в нужной пропорции все составляющие: размер и форма винта, его масса, плотность воздуха, угловая скорость крыла, скорость ветра. И при этом нет никакого смысла рассматривать ту или иную энергию.
@@user-oq6kh2fe5m вот ни разу не спорю, что и форма винта и плотность воздуха и другие названные вами параметры определяют "полетит или не полетит".
Вот только не вижу в вашем комменте ответа на "контрольный вопрос ролика" (почему увеличение начальных оборотов повышает "кпд" вертолетика). И не очень представляю как можно ответить на него без "подсчета энергий". Впрочем, предложите свой вариант ответа. А пока это похоже на поговорку "в огороде бузина, а в Киеве дядька".
@@user-xw9ik2sv9s Так как нам не дали никаких начальных данных, о которых я написал, то ответ на вопрос прост и очевиден: чем больше обороты винта, тем сильнее "тяга" вверх. И у каждого винта в конкретных условиях будет свой минимум оборотов, при котором он хотя бы будет висеть на месте. И при этом не нужно высчитывать никакую энергию.
Ответ:
Рост КПД (доля энергии на подъём вертолёта), очевидно, связан с ростом КПД крыла (которым является лопасть). При бОльшей скорости соотношение подъёмной силы и сопротивления становится более выгодным - что и приводит к обнаруженному эффекту.
Боже мой, я только на прошлой неделе закончил курсы на права пилота дрона, я 40 часов аэродинамику изучал и это в моем возрасте ! Ужас !
Я тоже на авиамодельном кружке делал такой летающий винт.
На бумажных кольцах висит планка. Если по планке резко ударить, то она сломается. Если на планку плавно нажать, то разорвутся кольца. Возможно есть некоторая аналогия между поведением планки и движением пропеллера. Если пропеллер резко отбрасывает воздух, то в движение вовлекается только воздух, который находится вблизи от пропеллера. Это движение воздуха является более направленным. Если пропеллер более плавно отбрасывает воздух, то в движение вовлекается и воздух, который находится дальше от пропеллера. По этой причине движение воздуха становится более хаотичным. Отсюда более низкая эффективность работы пропеллера.
Тут дело идет только в давлении. Когда ротор делает некоторое движение в точке где он был создаеться некторое давление которое ускоряет его. А скорость будет постепенно уменьшаться. Ключевое слово постепенно. В таком случаи если мы знаем что лопости имеют высокую скорость и соответственно давление на воздух которая его поднимает, мы можем сделать вывод что чем сильнее его раскрутить то давление будем иметь большую силу. И потратит больше времени на остановку. В таком случае Большая скорость + ПОСТЕПЕННОЕ замедление, будет толкать вертолёт сильнее чем от слабого маха.
Либо простыми смолами Вложил больше энергии=Получил меньше > Вложил меньше=получил ещё меньше
Я такое делал на авиамодельном кружке :) Коассно летает если винт с липы или березы. Пластиковый слишком тяжелый.
В один слой печатай.
@@darkfrei2 , я про готовые нейлоновые пропы тех времен.
Липа с берёзой несравнимы :)
@@sergeyv.voronin3053 Липа и береза могут быть одинаковой плотности ,зависит от места произрастания.
@@dmytromykhailiuta9268 тогдащние были тьяжёлые, а этот лёгкий. Но я не уверен, что лёгкий - это всегда хорошо. Ведь тёжёлый запасает больше энергии. А если в разгон воздуха перекачивается меньше, значит больше остаётся на подъём. Правда, здесь есть ещё одна проблема: ведь у тяжёлого пропеллера в верхней точке должно оставаться больше вращательной энергии. В общем, пока что это дело тёмное.
Когда-нибудь дождусь, что лабу сделают с несколькими измерениями, среднеквадратичным отклонением, приведением коэффициента Стьюдента, с пакетом случайных, приборных и абсолютных погрешностей и тогда заживём! Почему взрослые увиливают от страданий, которые навязывают детям?😂
--
Если добрались до винтов, то есть интересный вопрос: почему производители коптеров для увеличения подъёмной силы используют многовинтовые схемы (6, 8, 12), вместо увеличения размеров и мощности 4-винтовой схемы? Почему производители вертолётов и вовсе используют одновинтовую схему?
Оптимизировать можно. Что бы дольше летел, увеличить инерцию можно, утяжелить винт - увеличится масса, тяжелее взлетать будет. Длина шнура раскрутки то же ограничение.
Можно воображать от маленьких угловых скоростей: если крутануть со скоростью 1 об/сек, то сколько начальной энергии перейдёт в потенциальную? Отрицательно число :) Начиная с какого-то количества оборотов "муха" со старта будет в зависшем состоянии - т.е. "нулевое КПД". От остального, что дальше накинем в угловую скорость, уже пойдёт в положительный учёт КПД.
Также было бы интересно увидеть видео с листиками вертолётиками и анализом их движения, ведь у них одна лопасть, найти где находится центр масс и соответственно саму инерцию, проанализировать его кпд (ведь это сама природа вывела путём эволюции),возможно даже затронуть некоторые биологические аспекты (то, что основную массу они теряют, когда высыхают, что способствует дальним "перелётам" = больше таких деревьев), то как они способны переводить самостоятельно потенциальную энергию в вращательную (просто взяв горстку таких лепестков и подкинув они самостоятельно начнут вращаться снижая высоту), и может ли также ваша игрушка или что ей препятствует.
Это свосем разные режимы. Наш вертолёт не авторотирует, он вращается за счёт вложенной в него стартовой энергии. А на авторотации с таким углом установки лопастей он не полетит. Кстати, у нас есть ролики про авторотацию, и самый важный из них называется "Почему у ветряка три лопасти", рекомендую его посмотреть.
@@user-ts9dm2mn3i Сомневаюсь я насчёт авторотации: вращение задней кромкой вперёд идёт с заметным срывом потока, это для него не дучший режим.
Возможно сдесь ситуация похове с маятником. Болше скорости и кинетической энергии в начале переходит в больше энергии пптенцялной.
Если бы как то сдержать вералет на постоянной высоте - больше энергии двогалобы воздух.
Не знаю как объяснить инерционнуюьсоставляющую. Но она как снаряд пушки. Ппдсыпать больше пороха - увеличится начальная скорость и снарад ппдлетит выше - увеличится потенял. Но инерця изменится немного. Считаем выстрел в вверх.
Массу винта мы не меняли. Размер тоже. Возможно потому же инерция мало изменилась.
Извините если это глупости. Я очень давно учился в школе и никаких формул не ппмэю уже.
Сппсибо за вашу работу
30 лет назад с чупа чупсом продавался такой винт и палочку надо было использовать от чупса.
с детства не вспоминал про "муху" ))) ещё тогда хотел приделать маховик к палке но так и не реализовал задумку, изменилось бы что то? ..)
мне стало интересно, можно ли оптимизировать максимальную высоту путем изменения массы винта, ведь она одновременно увеличивает общее количество хранимой энергии, то есть замедление вращения будет медленнее, но в то же время тяжелому винту будет труднее подниматься.
Вот это очень хороший вопрос! Я бы даже сказал, самый лучший.
По идее чем выше масса лопастей (но при той же энергии, т.е. вращение медленнее), то энергия вращения лопастей будет медленнее передаваться молекулам воздуха и переходить в поступательное движения. Т.е. лучше при той же энергии вращения уменьшать массу лопастей (момент инерции)
Можно рассчитать оптимальный пропеллер, исходя из энергии, которую способен передать пропеллеру стартёр 💪
винт при быстром вращении имеет больший момент инерции и его труднее замедлить, а следовательно, угол атаки изменяется медленнее, чем при медленном вращении винта, и из-за этого набирает большую высоту.
Я думаю для ответа, тут лучше подойдёт термин авторотация. Необходимо раскрутить ротор до величины выше частоты авторотации, только тогда он взлетит вверх. И чем выше будет частота вращения от частоты авторотации тем выше вертолёт и взлетит. И думаю, частота вращения при движении вниз уже особо не изменялась.
Авторотация не подходит совсем. Такой пропеллер авторотировать не будет; а если и будет, то только вращаясь в противоположную сторону, задней кромкой впёрёд.
Согласен, думаю тут частота вращения по модулю как раз и будет одинаковой. Если запустить этот вертолет в авторотацию, например, с высокого здания и засечь максимальную частоту вращения. Эта частота и будет равна частоте вращения на верху приведенных запусков.
А почему он на разных скоростях вращения начинает падать? 17/22 Ведь его масса неизменна. Это погрешность измерений или какие-нить восходящие потоки?
19 - 22, думаю что это погрешность.
тяга растет, а притяжение земли константа, ускорение вниз меньше => длиннее путь
Расскажите пожалуйста про режим авторотации. Я видел ролики где говорилось, что режим авторотации создается тем, что различные части винта имеют различные эффективные углы атаки - чем ближе к центру тем эффективный угол атаки больше. И в центральной части авторотирующего винта подьемная сила будет направлена частично вперед, раскручивая винт. А совсем близко к центру эффективный угол атаки такой большой, что происходит срыв потока и эта часть винта не дает никакой пользы.
Меня интересует вопрос: Кто-нибудь делает на авторотирующих винтах переменный профиль с различным углом в зависимости от расстояния до оси вращения, как, например, мы видим на пропеллерах? Как это будет влиять на режим авторотации?
@getaclassphys - пожалуйста, разберите физику полёта комнатного бумеранга, запускаемого щелчком пальца (бумеранг делается просто - из картонки вырезается Г образная фигура с плечами по 3 см)
интересна сама физика возврата для такого простого-плоского объекта
Взять картонную трубку, вставить в неё эту "муху" с намотанной пусковой ниткой и дёрнуть, так и больше 50 об/с получить не проблема.
Видимо из-за того что доля энергии вращения лопастей переданная молекулам воздуха увеличивается с ростом скорости вращения, то в начальный момент времени аппарат приобретает более высокое ускорение и не успевает потратить энергию на трение воздуха. Соответственно, чем выше скорость вращения , тем еще большее ускорение- скорость, и соответственно потенциальная энергия
Ps посчитал, прирост составляет в районе 5-15 % за каждый акт удара
Мы из жести подобное вырезали на трудах.
Доля потенциальной энергии , в зависимости от скорости вращения , возрастает потому , что подъёмная сила увеличивается пропорционально кубу скорости ( в третьей степени ) , а кинетическая энергия , только , квадрату ( т.е. второй степени ) .
Что-то непонятное. Вроде, по частям все разобрали, сложить не сумели. Пока винт создаёт тягу больше веса этой конструкции (не важно за счёт мотора или начальной приданной кинетической энергии вращения момента инерции) он летит вверх. Тяга стала меньше веса конструкции - вертолет перешёл в режим авторотации, где уже набегающий поток раскручивает винт, который создаёт аэродинамическое сопротивление падению. Мало того эта вся конструкция ща счёт вращающегося винта ещё и обладает "подъемной" силой как у крыла самолёта, поэтому вертолет к может спокойно совершать поступательное движение. А у вертолета вся физика отличается что ли от показанного здесь?
авторотации здесь нет вообще, пропеллер всё время тормозится о воздух. При таком угле установки лопастей она скорее всего вообще невозможна. (Посмотрите наш ролик про автожир, там всё довольно подробно разобрано.)
на видеозаписях экспериментов заметно, что вертушку Вы не только раскручиваете, но еще и подбрасываете, что тоже должно вносить вклад в mgh
От этого практически не зависит, ведь пропеллер практически сразу выходит на режим, в котором скорость вертикального движения жёстко связана со скоростью вращения, так что всё, что было до этого, система сразу же "забывает".
А можно посмотреть, как вы ножики делали?
Покупается сапожный ножик, закаливается, точится, наклеиваются и обрабатываются щёчки из дерева.
Когда измеряли КПД вертолётика, существенная ошибка за счёт подбрасывания его экспериментатором. Его б запускать не с рук, а с некого неподвижного кронштейна раскручивая дёргая за намотанную нить.
Відповідь : на подолання сили спокою і початку руху вверх , чим менше зусилля, тим важче йому подолати силу спокою
А как вы на улице обороты померили? Прямо на видео на самом деле видно, или что-то хитрее?
Видно, хотя с трудом.
Видимо при высокой скорости закрутки угол атаки падает позже и по этому кпд выше.
1 сила начальная, 2 лопасть её конфигурация. 3 давление и температура окружающей среды. так мне объесняли.
Дык скорость то входит в аэродинамическую силу в квадрате, а в силу сопротивления воздуху как вязкое трение в 1 степени
Говорят, эту штуку, как и всё остальное, изобрели китайцы.
Спасибо!
Потому, что подъемная сила пропорциональна квадрату скорости вращения, а сила сопротивления первой скорости вращения?
сила сопротивления здесь тоже пропорциональна квадрату вращения, вязким торможением можно пренебречь. (Хотя пропеллер уже малость "покоцанный", особенно на концах лопастей - но это опять скорее мелкая турбулентность, нежели вязкое трение.)
Кроме изменения шага винта из-за эластичности материала, шаг винта меняется и при удалении от центра. При этом вклад разных концентрических зон ометаемых винтом изменяется с частотой. Какой из этого сделать вывод не знаю😅
Предположу, что чем выше - тем меньше плотность воздуха, а значит та энергия, которая не затрачена на движение воздуха, сохранилась как потенциальная
Вы думаете прлотность воздуха заметно меняется на 5 метрах высоты?
@@schetnikov Ну, вообще глупая мысль, но самолёты ведь летают по барометрическомкому высотомеру, и пилоты определяют свою высоту с точностью до 10 фт (3 м), значит есть небольшие различия плотности воздуха... Вот я и подумал про это...
Может пропеллер на некотором этапе перестаёт отталкиваться от воздуха и по инерции вкручивается в него и летит как камень. Чем выше начальная скорость вращения, тем дольше вертолет будет в состоянии падения, тем меньше энергии передастся воздуху.
А сила трения, сопротивления воздуху, атмосфере?
Кажется, про неё в ролике всё время говорилось, когда обсуждалось замедление вращения.
Плотность воздуха?
Эмм, потому что трение о воздух вязкое? Т.е. чем быстрее двигается лопасть, тем меньше она перемешивает воздух и тем больше она работает как крыло?
Вряд ли оно вязкое, скорее торможение происхоит из-за закачки энергии в конецевые вихри.
Вроде как эпюра крыла должна была получиться, но не получилось...
Вообще я не понимаю ваш анализ. Я бы как минимум замерял не от начала, а от момента, когда вы его отпусаете, потому что иначе энергия потенциальная меряется от одной точки, вращательная от другой, ещё есть начальная вертикальная скорость, вобщем ничего непонятно.
А так - при достаточно малой скорости высота будет нулевая, и так посчитаный КПД при малых скоростях будет нулевой; как минимум такой эффект есть. В отсутствии ясности методики рассчётов лень проверять, достаточно ли этого эффекта.
По хорошему надо брать разность кинетических энергий вражения на старте и наверху, а дальше смотреть, как эта разность распределяется между энергией подъёма и тем, что ушло в воздух.
Абсолютно интуитивное и неконструктивное с точки зрения физики мнение, по поводу последнего вопроса: т. к. атмосферное давление остается таким же количество воздуха "загоняемого" винтом остается таким же, для проверки данного утверждения стоило бы провести эксперимент в лаборатории, с возможностью изменения давления, и посмотреть зависимость давления от КПД.
Он ведь летит, а не на месте стоит, это пропеллер, а не вентилятор: как тогда давление измерить? (Так мы и так знаем, что сила давления равна подъёмной силе).