Проекты

Быстрее ветра, или Может ли исследование сопротивления воздуха помочь создать модель нового транспортного средства

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Машиностроение, транспорт» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Аэродинамика
Авторы работы: ГБОУ Школа №2030
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 18−20 апреля 2019 года

Цель

Изучение характера влияния сопротивления воздуха на скорость движения транспортных средств, а также способов уменьшения этого влияния.

Задачи

  • Определить объект и предмет исследования.
  • Установить цели исследования.
  • Оценить актуальность исследования о влиянии сопротивления воздуха на скорость движения транспортных средств.
  • Изучить сопротивление воздуха теоретически.
  • Изучить процесс движения с учётом сопротивления воздуха.
  • Разработать план исследования.
  • Собрать необходимое оборудование.
  • Провести эксперименты.
  • Анализировать данные, полученные в ходе экспериментов.
  • Сделать выводы о том, как результаты наших экспериментов могут быть использованы в реальных устройствах.

Описание

На данный момент самым оптимальным и наиболее используемым способом снижения сопротивления воздуха во время движения транспортных средств является создание обтекаемой формы. Второй способ – нанесение на поверхность тела особых покрытий. Но если рассматривать движение тела в ограниченном объёме, то можем влиять и на плотность воздуха.

Авторы собрали установку для проведения экспериментов. Трубку Ньютона открыли, вынули камень, перо и ткань. Во всех опытах по трубке вертикально вниз движется мяч для настольного тенниса. На расстоянии 0,7 метра друг от друга напротив трубки закреплены датчики освещённости. Напротив них (с другой стороны трубки) – фонарики. При движении мячика по трубке он перекрывает световой поток от фонарика, и это позволяет очень точно определить время, за которое мячик проходит расстояние между датчиками. Верхний датчик располагается практически рядом с начальным положением мячика в трубке. Таким образом, можно считать начальную скорость мячика при его движении между двумя датчиками равной нулю.

Для контроля характера движения мячика (поступательного или вращательного) на мячик были нанесены линии чёрным маркером, и видеокамера фиксировала положение этих линий во время падения. Воздух из трубки откачивался с помощью электрического насоса.

Проведённые эксперименты:

  • «Поступательное движение тела в вакууме».

Вывод: после проведения эксперимента авторы выяснили, что при движении тела в вакууме скорость больше, чем при движении в воздухе.

  • «Эффект подушки».

Вывод: время падения увеличилось по сравнению с экспериментом № 1 в вакууме для обоих опытов. При движении тела с воздушной подушкой средняя скорость движения шара меньше, чем при движении с открытым концом. Воздушная подушка увеличивает время падения, уменьшает скорость. Таким образом, получается, что наличие воздушной подушки влияет на скорость и время движения тела (условия начала падения и размеры установки не меняются).

  • «Вращательное движение».

Сравнивая результаты этого опыта с результатами эксперимента № 1, видим, что вращающееся тело движется медленнее, чем в вакууме. Но движется заметно быстрее, чем при поступательном характере движения. Таким образом, можно сделать вывод о влиянии характера движения на скорость. Благодаря вращению тела скорость увеличивается, а значит, сила сопротивления воздуха уменьшается, так как во время эксперимента авторы меняют только характер движения, а остальные условия не изменяются. Это можно объяснить тем, что за счёт вращательного движения мы можем уменьшить силы инерции, которые создаются вследствие отрыва пограничного слоя обтекающего тело воздуха. Таким образом, уменьшается вихреобразование, не влияя на силу вязкого трения.

Результат

Авторами был сделан анализ влияния сопротивления воздуха на скорость движения транспортных средств. После этого были проведены необходимые эксперименты для изучения влияния сопротивления воздуха и оценки зависимости этого влияния от характера движения. Проведены необходимые расчёты, оценка погрешности измерений. Экспериментальные данные сравнили с результатами математического и компьютерного моделирования.

Благодаря вращательному движению скорость увеличивается почти на 30 %. Таким образом, можно использовать этот эффект для минимизации сопротивления. Авторы предлагают создать транспортное средство с вращающимся модулем в передней части. Такой транспорт будет иметь большую скорость движения и при этом расходовать меньшее количество топлива, что приведёт к уменьшению затрат.Сконструирован прототип: модель поезда, шар, тоннель.

Оснащение и оборудование

  • Трубка Ньютона
  • Цифровая лаборатория
  • Датчики освещённости
  • Штатив
  • Фонарики
  • Насос
  • Шланги
  • Шарики для настольного тенниса
  • Магнит подковообразный
  • Линейка метровая
  • Видеокамера с режимом замедленной съёмки