Искусственная птица с бионическими движителями.

Ученический научно-исследовательский проект

Автор: Коломыцын Даниил, ученик 9 класса, ГБОУ СОШ № 1273, с углублённым изучением английского языка.
Тема работы: Искусственная птица с бионическими движителями.
Научный руководитель: Устюгина Галина Павловна, учитель физики.
Номинация:

Актуальность: Известно, что существует проблема повышения КПД движителей в летательных аппаратах, которое не превышает 50 %. Подсказкой для решения этой проблемы является машущий полет птиц уже потому, что КПД крыла птицы приближается к 95%.

Цель проекта: Создать такое устройство бионического движителя-крыла, которое приведет к появлению максимально возможной силы тяги в текучей среде (воздухе).

Гипотеза: создание крыловой поверхности гибкой и упругой, по форме близкой к форме крыла птицы, в соответствии с правилом U = 0,29, теоретически обоснованном в проекте «Почему летают птицы», 2004 год и в патенте РФ № 2285633. «Способ создания силы тяги в подвижных средах и устройство для его осуществления», позволит получить устойчивую силу тяги, превосходящую ее значение у крыльев махолета, не имеющего вышеперечисленных свойств.

Известная информация. Проектные работы учащихся 9-го класса Ивана Ручкина и Андрея Белых «Почему летают птицы» были удостоены дипломов 1-й степени в конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе-2004».

Перо птицы и воздушный полет (стр. 14–16) Г. Устюгина, Ю. Устюгин. Сегодня мало найдется людей, которые не летали бы на самолетах. За несколько часов полета можно оказаться совсем в другом месте земного шара, находящемся за многие тысячи километров от места вылета.

Конечно, перелет — это не всегда приятно, а иногда даже и опасно для жизни. А как летают птицы?

Казалось бы, очень просто. Взмахнули крыльями и взлетели, а дальше — свободный полет с головокружительными виражами. Человек понемногу, по мере понимания, выделяет из полета птицы отдельные элементы и «пристраивает» к своим летательным аппаратам.

Об одной такой «подсказке природы» — об устройстве пера птицы — и рассказывается в статье.

Маховое перо играет очень важную роль для полета птицы – именно оно является уникальным движителем, имеющим кпд ω 95 %.

При индивидуальных и переменных размерах каждого пера у разных птиц, оказалось, существует некий показатель — δ, характеризующий расстояние расположения пера от линии геометрического центра опахало (точка O) и определяющий функцию пера в составе крыла птицы, что согласуется с динамикой плоского гибкого тела в теоретической механике, согласно которой, особый смысл имеет взаимное расположение оси жесткости и центра приложения гидродинамических сил.

Оказалось, что расположение ствола на опахале, как у махового пера, необходимо для оптимального осуществления поступательного движения-полета птицы в текучей среде, которой является воздух.

Таким образом, изучение вопроса махового полета птиц привело к следующему выводу: если, на гибкое, упругое тело (пластину) обтекаемой формы, находящееся в текучей среде, действует знакопеременная периодическая сила перпендикулярно плоскости пластины, принуждающая точку захвата пластины совершать возвратно–поступательные движения, то возникает сила тяги вперед. При этом точка захвата пластины должна осуществляется в соответствии с правилом

δ=0.2887×L,
или U=δ/L=0.29 ,
где L— расстояние от фронтальной линии до задней линии пластины.

Журнал Квант № 1, 2012 год

Гипотеза: Возможно создать искусственную птицу с высоким кпд, при использовании бионических движителей -крыльев.

Первая модель птицы. Крыло – движитель выполнено в соответствии с правилом

δ=0.2887×L,
или U=δ/L=0.29,
где L— расстояние от фронтальной линии до задней линии пластины.

Однако, модель слишком тяжела для осуществления полета. F тяги = 0,4Н

Пробую новую форму крыла, исследования продолжаются….. , уменьшить силу тяжести не удается из-за тяжелых конструкционных материалов.

Выход найден: используем махолет ОТ ВИНТА . Изменив конструкцию крыльев, проверим нашу гипотезу.

Суть эксперимента:

Искусственная птица, подвешенная на нити, двигалась по окружности и, при установившемся равномерном движении, определялось: количество оборотов за 10 секунд, пройденный путь и сила тяги.

Для определения затраченной электрической энергии, использовались данные завода изготовителя (сила тока 0,1А и напряжение 3,7В), указанные внутри корпуса птицы на аккумуляторе.

Для расчета КПД использовались формулы: КПД = F×n×2πr/U×I×t,
где F - сила тяги, n -количество оборотов, r- радиус окружности , U-напряжение, I-сила тока, t- время.

Полученные результаты экспериментов с двумя птицами (птицы – махолета и птицы с бионическими движителями) заносились в таблицу .

Наши результаты:

При изготовлении моделей учитывались результаты исследований, содержащихся в проекте «Почему летают птицы» (Ярмарка идей на Юго -Западе. Москва – 2004). В частности, обнаруженное универсальное правило U = 0,29 у маховых перьев птиц, определяющее положение множество точек воздействия на крыловую поверхность возвратно-поступательной силы, приводящей к появлению силы тяги.

Для лабораторных испытаний изготовлен и применен электромеханический привод, осуществляющий поперечные колебания движителя в первой модели.

В ходе испытаний моделей движителей, изготовленных как из природных, так и синтетических полимерных материалов получено, что и в других случаях при знакопеременном воздействии силы, прикладываемой к движителю, возникает сила тяги, принуждающая модель двигаться поступательно вперед. Величина этой силы зависит от амплитуды и частоты колебаний, а также от площади поверхностности движителя.

Итоги работы: Эксперимент подтвердил рабочую гипотезу: Сила тяги и КПД птицы с бионическими крыльями-движителями выше, чем у махолета. К недостаткам работы относим относительно большую погрешность в измерениях, которая при сравнении однородных величин в 2-х экспериментах не оказывает заметного влияния на результат .

Исследования движителей принципиально подтвердили исходную гипотезу проекта. Искусственно замещая подъемную силу крыла прикладываемой силой и приводя крыловую поверхность в силу её гибкости к форме, близкой к форме крыла птицы, а также, используя правило U=0,29, добиваемся того, что возникает встречный поток воздуха, Поведение этого потока соответствует поведению аналогичного потока воздуха, в обычной картине возникновения подъемной силы крыла.

КПД нашего движителя по нашим оценкам оказалось равным 74%.

Использованная литература:

1. И.А. Азарьев. КПД МАХОЛЕТА. Журнал Авиация общего назначения. 12, 99 http://www.aviajournal.interami.corn/sections/journal/arh/magazine/archive/1299/st4_12 99.html.
2. "ПОЧЕМУ ЛЕТАЮТ ПТИЦЫ". Исследовательская работа РУЧКИНА ИВАНА, АЛЕКСЕЕВА КОНСТАНТИНА, БЕЛЫХ АНДРЕЯ. Школа № 1273. "Ярмарка идей. ЮЗ АО, Москва, 2004.
3. Отто Лилиенталь. Полет птиц как основа искусства летать. Институт компьютерных исследований. Москва-Ижевск.2002г., 232 стр.
4. Гидроаэродинамика. Л. Прандтль. R@C Dynamics.Москва-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2002, 572 стр.
5. Патент РФ № 2285633. «Способ создания силы тяги в подвижных средах и устройство для его осуществления».
6. Журнал «Квант» № 1. 2012 год. Статья «Перо птицы и воздушный полет»