Исследование способов уменьшения сопротивления воздуха в закрытых пространствах за счёт вращательного движения

Актуальность

Воздух является неотъемлемой частью человеческой жизни. Люди не смогли бы существовать без него, а некоторые физические явления никогда бы не происходили.  Но в наше время роста тенденции сохранения природных ресурсов и ускорения темпа жизни общества уменьшение воздействия некоторых факторов выходит на передний план. Одним из таких факторов является сопротивление воздуха. Оно присутствует везде, но особенно заметно его воздействие на скоростной транспорт. Уменьшение сопротивления воздуха в таких местах, как туннель, даст новый толчок в развитии транспортных средств. Локомотивам в метро это позволит набирать скорость быстрее, работать более экономно и эффективно; уменьшит количество составов, необходимых для каждой ветки, и увеличит преимущества общественного транспорта в сравнении с личным. В горнодобывающей промышленности экономная поставка сырья из шахт увеличит продуктивность множества предприятий этой сферы. Также исследования уменьшения сопротивления воздуха в закрытых пространствах помогут нам адаптировать и применять некоторые идеи на открытых пространствах. Это во многом увеличивает потенциал наших исследований.

Цель

Изучить влияние скорости вращения тела на сопротивление воздуха.

Задачи

1. Изучение теории о движении тел с вращательным движением в воздухе.

2. Подготовка оборудования.

3. Проведение экспериментов.

         3.1. Скорость шара много меньше скорости ветра.

         3.2. Скорость шара близка к скорости ветра.

4. Анализ полученных результатов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Мотор
• Силиконовая скатерть
• Цифровая лаборатория
• Датчик силы
• Воздуходувка
• Фен
• Деревянные обручи
• Медная проволока
• Нить
• Источник питания 9V(Крона)
• Разъём для кроны
• Плата Arduino Nano

Описание

В первую очередь автор нашёл и изучил исследования прошлых лет на похожую тему, учебные материалы по аэродинамике. Одним из примеров такого материала является соответствующая глава из пособия К.А. Путилова «Курс физики».

Упростив модель, автор решил воспользоваться формулой расчёта силы сопротивления воздуха при нулевой подъёмной силе. Дальнейшие расчёты будут производиться по этой формуле. Затем автор собрал установку: трубу из силиконовой скатерти и из деревянных обручей, шар, внутрь которого были помещены моторчик, плата управления и источник питания. Автор закрепил шар в трубе так, что по вертикальной оси он двигаться не мог, а горизонтальная ось была закреплена за датчик силы с помощью верёвки. Далее автор создавал постоянные потоки воздуха в трубе и замерял показатели датчика. Затем усреднял значения и преобразовывал в график; по полученным значениям считал безразмерный аэродинамический коэффициент и строил график для него. Конечной частью работы являлся анализ полученных результатов.  

Результаты работы/выводы

По результатам реализации проекта автор:

1. Изучил причины возникновения и виды сопротивления воздуха.
2. Нашёл формулу зависимости сопротивления воздуха от квадрата скорости.
3. Измерил значение сопротивления воздуха в замкнутых пространствах при разных скоростях.
4. Получил зависимость силы сопротивления от скорости и зависимость безразмерного аэродинамического коэффициента от скорости вращения.
5. Подвёл итог – гипотеза опровергнута.

Вращательное движение увеличивает сопротивление воздуха.

Перспективы использования результатов работы

К сожалению, вращательное движение увеличивает сопротивление воздуха. Из-за этого его нельзя использовать для ускорения транспорта. Поэтому его надбавку к силе сопротивления можно использовать в системах торможения, в которых надо резко остановить транспорт. Так как использование вращательного движения для торможения – довольно трудно осуществимая и энергозатратная затея, результаты исследования ещё не скоро могут быть внедрены на московском транспорте, но авторы постараются приблизить этот момент.  

Награды/достижения

Конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2022 года – призёр

Мнение автора

«Моя работа дополнила серию возможных исследований в аэродинамике. Пусть мне пока не удалось «ускорить» транспорт, но получилось найти интересное и неочевидное явление физики. Я благодарен проекту «Инженерный класс в московской школе» за предоставленную возможность и конференции «Инженеры будущего» за объективную оценку моих трудов. Конференция была проведена грандиозно, и я многое для себя почерпнул»