ЗАКОН БЕРНУЛЛИ
И АНТИКРЫЛО ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ
Творческая работа участника
IX -ой Всероссийской дистанционной ученической конференции.
Смирнов Егор, ученик 7 класса б
МОУ гимназии «Перспектива»
Советского района города Самары
e-mail: yacenter@yandex.ru
Научный руководитель:
Кузнецова Алла Викторовна,
учитель физики МОУ гимназии «Перспектива»
Советского района города Самары
e-mail: allunua1@rambler.ru
Увлечение автора этой работы рисованием гоночных автомобилей позволило задуматься над такой необычной деталью, как антикрыло. Для чего автомобилю колёса и мотор ясно всем. А этот элемент зачем? Почему эта конструкция у разных болидов расположена по-разному? Нужно ли антикрыло только сзади или ещё и спереди? Антикрыло и спойлер – это одно и то же? Их придумали только для дизайна или они имеют функциональное значение? Само название подсказало: чтобы знать, что такое антикрыло, нужно понять, что такое крыло.
Цели работы: проанализировать, какие физические явления возникают при движении гоночного автомобиля на крутых поворотах, объяснить их с помощью законов физики. Высказать свои предложения по увеличению сцепления гоночного автомобиля с дорожным покрытием на крутых поворотах.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить закон Даниила Бернулли. Провести опыты, наглядно
подтверждающие действие закона Бернулли.
2. Объяснить принцип действия крыла самолёта, опираясь на исследования Н.Е.Жуковского
3. Дать определение терминов: «крыло», «антикрыло», «спойлер»
4. Описать предлагаемые конструкции антикрыла, проанализировать их плюсы и минусы.
5. Сделать макет антикрыла.
Главная идея, проблема работы.
В современных гоночных автомобилях следует более эффективно использовать прижимную силу. Опираясь на знания закона Д. Бернулли и исследования Н.Е Жуковского, можно создать разъёмную конструкцию антикрыла, которая улучшит сцепление автомобиля с дорожным покрытием в момент прохождения крутых поворотов, а на прямых участках не добавит лишний вес, и не снизит общую скорость прохождения трассы.
Знания, полученные в процессе изучения физических явлений и законов, позволяют не только объяснить, как работают созданные для различных нужд человека машины и другие технические конструкции. Они помогают использовать достижения технического прогресса с максимальной пользой для себя и с наименьшей опасностью для себя и окружающих.
Предметом исследования данной работы
является антикрыло, которое позволяет обеспечить гоночным автомобилям устойчивость на дорогах в сочетании с большой скоростью движения.
Движение автомобиля происходит в воздушной среде, которая взаимодействуя с ним, создаёт препятствия движению.
Явления, возникающие вследствие такого движения, можно объяснить с помощью закона, установленного в 1738 году выдающимся швейцарским физиком и математиком Даниилом Бернулли. Он был иностранным членом Базельской академии наук, почётным членом Берлинской и Парижской академии наук. С 1725 по 1733 годы был академиком Петербургской академии наук, а позже её почётным иностранным членом. Именно опираясь на знание этого закона, не менее известный русский учёный Н.Е. Жуковский (1847-1921) - основоположник современной аэродинамики, сделал расчёты, позволяющие каждому из нас летать на самолётах.
Теоретическая часть проведённого исследования
содержит объяснение таких понятий, как крыло, подъёмная сила, антикрыло, прижимная сила, спойлер, турбулентность, центробежная сила.
Практическая часть данной работы
заключается в том, чтобы на основе полученных знаний проверить и уяснить действие закона Бернулли для жидкостей и газов и рассмотреть варианты конструкций антикрыла, способствующих улучшению сцепления гоночного автомобиля с дорожным покрытием.
Методы исследования
1. Имперические (изучение и анализ литературы, наблюдение)
2. Теоретические (сравнение, систематизация)
3. Практические (самостоятельное проведение опытов, иллюстрирующих действие законов физики и изготовление модели антикрыла)
План работы
Глава 1. Ознакомление с законом Даниила Бернулли
Глава 2. Принцип действия крыла самолёта
Глава 3. Антикрыло и спойлер автомобиля
Глава 4. Конструкции антикрыла, позволяющие увеличить сцепление гоночного автомобиля с дорожным покрытием. Главные выводы работы, её назначение и применение.
Заключение. Самооценка результатов работы. Дальнейшие цели и планы.
Список источников
Приложения. Рисунки. Фото.
Глава 1. Ознакомление с Законом Даниила Бернулли
В 18 веке математик и механик Даниил Бернулли проводил опыт с трубой разной толщины, по которой текла жидкость (рисунок 1) Предположим, что жидкость течет по горизонтальной трубе, сечение которой в разных местах различное. Выделим мысленно несколько сечений в трубе, их площади: S1 S2, S3. S4.
За какой-то промежуток времени t через каждое из этих сечений должна пройти жидкость одного и того же объема. Вся жидкость, которая за время t проходит через первое сечение, должна за это же время пройти и все остальные отрезки меньшего диаметра. Если бы это было не так и через сечение площадью S3 за время t прошло меньше жидкости, чем через сечение площадью S1 , то избыток жидкости должен был где-то накапливаться. Но жидкость заполняет трубу, и накапливаться ей негде. Заметим, что мы считаем, что жидкость несжимаема и повсюду имеет один и тот же объем. Как же может жидкость, протекшая через первое сечение, «успеть» за то же время протечь и через значительно меньшее сечение площадью S3 ? Очевидно, что для этого при прохождении узких частей трубы скорость движения жидкости должна быть больше, чем при прохождении широких.
В разных по толщине отрезках трубы вертикально впаяна трубка – манометр. В узких местах трубы, высота столбика жидкости меньше, чем в широких. Это значит, что в узких местах давление меньше.
Давление жидкости, текущей в трубе, больше в тех частях трубы, где скорость ее движения меньше, и, наоборот, в тех частях, где скорость больше, давление меньше. В этом и состоит Закон Бернулли. [1, с. 92.]
Уравнение Бернулли
описывает наиболее простой случай течения жидкости: течение стационарно, жидкость идеальна, то есть пренебрегаем вязкостью и сжимаемостью. Трубка потока горизонтальна.
Простые опыты помогают понять, как действует закон Бернулли.
Опыт 1: если взять полоску бумаги и дуть вдоль ее верхней поверхности, то полоска поднимается вверх. Это происходит потому, что в струе воздуха, продуваемом над листом, скорость больше, чем под листом, а давление меньше, чем под листом. Эта разность давлений и поднимает лист вверх (рисунок 2).
Опыт 2: если в струю воздуха положить легкий теннисный шарик, то он будет “плясать” в струе, даже если её расположить слегка наклонно. Почему? Скорость воздушной струи создаваемой феном большая, значит давление в этой области низкое. Скорость воздуха во всей комнате небольшая, значит давление – высокое. (рисунок 3) Область высокого давления не даст шарику упасть из области низкого.
Опыт 3: запустим два кораблика в одном направлении (рисунок 4).
Они начнут сближаться и столкнуться. Между бортами получается как бы водяной канал. (рисунок 5)
В узком месте между корабликами давление оказывается ниже, чем в пространстве вокруг них, более высокое давление окружающей воды сближает их и сталкивает.
Именно закон Бернулли позволил понять, почему в 1912 году небольшой броненосный крейсер “Гаук”, проходя мимо самого большого корабля в мире “Олимпик”, словно повинуясь какой-то невидимой силе, повернулся носом к большому пароходу, не слушаясь руля, двинулся прямо на него и врезался носом в бок «Олимпика». Удар был так силен, что «Гаук» проделал в борту «Олимпика» большую пробоину.
Опыт 4: Сколько нужно раз дунуть, чтобы наполнить воздухом пакет объёмом 50 литров? Многие называют не менее 5 раз. Если знать закон Бернулли, ответ – один раз! Важно дуть на расстоянии от пакета и с большой скоростью. Скорость струи воздуха больше, чем скорость окружающей среды. По закону Бернулли: скорость выше, значит давление в области струи воздуха ниже, чем вокруг. Воздушные массы из области повышенного давления движутся в область пониженного давления, «засасывая» вместе с воздухом из лёгких, окружающий воздух (рисунок 6).
Проведённые опыты показывают, что закон Бернулли относится не только к жидкости, но и к газу.
Глава 2. Принцип действия крыла самолёта
Рассмотрим обычное крыло самолёта: его нижняя поверхность плоская, верхняя — выпуклая (рисунок 7).
Набегающий поток воздуха разделяется крылом на две части — верхнюю и нижнюю, — при этом по выпуклой верхней части путь длиннее, чем по нижней прямой части.
Скорость потока сверху крыла должна быть больше, чем снизу, значит давление над крылом будет ниже давления под крылом, что вызывает подъёмную силу. [11]
Для того, чтобы поднять самолёт в воздух нужно соблюдение многих условий. Необходимо правильно выбрать профиль – форму крыла. Важно рассчитать под каким углом к направлению воздушного потока должно быть направлено крыло, т.е. найти верный угол атаки. [12]
Теорию крыла, позволяющую делать такие расчеты на основе закона Бернулли создал русский ученый, основатель аэродинамики. Н. Е. Жуковский Он сделал точные математические расчёты, объяснил что такое турбулентность, лобовое сопротивление, профиль крыла, угол атаки, подъёмная сила. [5, с.34]
Глава 3. Антикрыло гоночного автомобиля и спойлер
Антикрыло – полная противоположность крыла. Для того, чтобы получить правильную его форму, нужно перевернуть крыло самолёта. Если крыло создаёт подъёмную силу, то антикрыло создаёт прижимную силу. [ 7 ]
Антикрылья уже давно появились на гоночных автомобилях. Они предназначены для увеличения сцепления автомобиля с дорожным покрытием. Специалисты считают, что если принять за 100% значение всех элементов гоночного автомобиля, то на долю антикрыла придется более 40%. [ 13]
Не следует путать антикрыло и спойлер (в переводе с английского to spoil — портить). Разница между ними в том, что антикрыло в разрезе имеет вид перевернутого крыла, потому создает прижимную силу, а спойлер лишь направляет воздушный поток, уменьшая коэффициент сопротивления воздуху.
Антикрыло и спойлер должны проектироваться для конкретного автомобиля, устанавливаться в нужном месте, под верным углом. Они должны обязательно испытываться в аэродинамической трубе. Только тогда эти элементы будут полезны и безопасны.
В специальной литературе высказывается мнение, что угол атаки у спойлера и антикрыла в будущем будут регулироваться с помощью бортового компьютера. [ 13]
Глава 4. Конструкции антикрыла, позволяющие увеличить сцепление гоночного автомобиля с дорожным покрытием.
Вспомним что происходит с мотогонщиками на крутых виражах. (рисунок 8). Им приходится переносить свой центр тяжести, чтобы противостоять центробежной силе, стремящейся опрокинуть мотоцикл.
У автомобиля, к сожалению, центр тяжести не переносится, и крен на повороте приходится ослаблять другими способами. Рассмотрим несколько возможных способов.
Конструкция №1 (рисунок 9)
Установим антикрыло спереди гоночного автомобиля и сзади.
Каждое из них разделим на две части: крыло и антикрыло. Эта конструкция должна держаться на продольной оси так, чтобы при перевороте на 180o крыло заменялось на антикрыло, а антикрыло на крыло. Это позволит при крутом повороте создавать прижимную силу на ближней (внутренней) к центру поворота стороне автомобиля, и в то же время – подъёмную силу на дальней (внешней) от центра поворота стороне автомобиля. Заштрихованные на рисунке участки переднего и заднего антикрыльев создают прижимную силу на правое переднее и правое заднее колёса автомобиля. Незаштрихованные – создают подъёмную силу на левом переднем и левом заднем колёсах (рисунок 9). Обе силы, и прижимная, и подъёмная противодействуют центробежной силе, стремящейся опрокинуть автомобиль через левые колёса.
Центробежная сила возникает во время движения автомобиля на повороте и направлена по радиусу от центра кривой поворота (рисунок 9)
В момент приближения к правому повороту пилот болида переворачивает на оси плоскость антикрыла таким образом, чтобы заштрихованная часть – являлась антикрылом и создавала прижимную силу на правую сторону автомобиля, а левая часть – превращалась в крыло, создающее подъёмную силу на левой стороне.
Недостатки первого варианта:
1. Во время движения болида на прямолинейном отрезке трассы оба антикрыла создают неустойчивость и мешают движению автомобиля
2. Есть такой промежуток времени, когда конструкция во время переворота вокруг оси, встаёт вертикально и увеличивает лобовое сопротивление воздуха
3. Данная конструкция не учитывает исследования Н.Е. Жуковского о том, что профиль крыла и угол атаки должны быть выбраны особым образом. При перевороте конструкции профиль крыла и угол атаки принимают неверное положение с точки зрения аэродинамики.
Слишком много минусов, но ход мыслей верный. Нужно создать прижимную силу на стороне, противоположной той, куда центробежная сила клонит автомобиль при повороте.
Конструкция №2 (рисунок 10)
Сделаем конструкции без оси вращения – закрепим их спереди и сзади болида неподвижно. Будем менять их объёмную геометрию изнутри при помощи воздушного компрессора. Будем надувать нижнюю часть правого участка конструкции при повороте на право, имитируя антикрыло.
На ровном прямолинейном участке трассы будем сдувать выпуклости, превращая конструкцию в плоский спойлер. При левом повороте будем «воспроизводить» крыло и антикрыло с противоположной стороны.
Менять форму такой конструкции можно не только нагнетая воздух в полости конструкции, но и механически с помощью подвижного каркаса, обтянутого пластичным материалом (резиной или полимером).
Все минусы первой конструкции во второй конструкции отсутствуют:
1. отсутствует дестабилизация на ровных участках трассы,
2. нет необходимости в вертикальном положении конструкции, потому не создаётся лобовое сопротивление;
3. профиль крыла и угол атаки всегда выбираются правильно.
Минус этой конструкции – это сложность в выборе материала для её создания. Любой материал от постоянного деформирования быстро приходит в негодность.
Конструкция №3 (рисунок 11)
Последние поколения спортивных автомобилей имеют антикрылья и спойлеры с регулируемым углом атаки. Можно предложить сделать антикрылья (или спойлер) разъёмными так, чтобы пилот мог управлять каждой «половинкой» отдельно.
При правом повороте меняем положение правых частей передней и задней конструкции, соответственно при левом – левых, увеличивая угол атаки и создавая прижимную силу для внутренних по отношению к центру поворота колёс автомобиля.
Для вычисления прижимной силы антикрыла можно использовать формулу для подъёмной силы. :
Y - подъёмная (прижимная сила);
- плотность воздуха;
- квадрат скорости полёта;
S - площадь крыла;
- угол атаки;
k - коэффициент пропорциональности [II.5]
Расчёт прижимной силы и результаты испытаний в аэродинамической трубе помогут подобрать наиболее оптимальную конструкцию антикрыла для конкретного болида.
На прямых участках трассы, меняя угол атаки, можно создать и подъёмную силу, уменьшив вес автомобиля. Это увеличит скорость. На прямых участках нет центробежной силы, нет крена, следовательно, сцепления достаточно.
Новизна предложенных конструкций в том, что они разъёмные. Две самостоятельно регулируемые части позволяют пилоту болида создавать прижимную и подъёмную силу там, где она нужна, в зависимости от направления поворота.
Все три конструкции не учитывают явление турбулентности. Турбуле́нтность (лат. Turbulentus — бурный, (беспорядочный) – это вихревые потоки, возникающие при увеличении скорости течения жидкости или газа, в результате обтекания тела средой. [ 14]
Так, как одно антикрыло или спойлер расположено спереди, турбулентность, возникшая в результате его обтекания воздушной средой, отразится на всём автомобиле. Прямолинейные потоки превращаются в вихревые и препятствуют возникновению подъёмной силы у самолёта. (рисунок 12). Для их устранения в самолётах используют винглеты (англ. Winglet «крылышко») — небольшие дополнительные элементы на концах крыльев самолёта в виде крылышек [9] Такие же винглеты можно устанавливать и на концах антикрыла или спойлера.
Вывод:
В результате проведённых исследований поставленные цели достигнуты. Однако, без проведения аэродинамических испытаний окончательные выводы по возможности улучшения устойчивости гоночного автомобиля на поворотах делать рано. Но имеется теоретическая возможность использования разъёмного, подвижного антикрыла для ослабления крена автомобиля путём создания прижимной силы на нужной стороне болида с учётом направления поворота.
Сегодня эти конструкции уместны лишь для гоночных болидов и для европейских автобанов, где минимальная скорость автомобиля составляет 150 км/ч.
В наших условиях владельцам обычных автомобилей важно знать, что антикрыло и спойлер при обычных городских скоростях 60 км/ч не выполняют своего прямого предназначения. Спойлер, как правило, выполняет лишь скромную функцию грязезащиты. У нас практическое освоение антикрыла и спойлера – это дело будущего, но исследовать возможности этих конструкций необходимо уже сейчас.
Заключение.
Работа над данной темой позволила получить знания о действии подъёмной и прижимной силы. Мы узнали принцип действия крыла самолёта и антикрыла гоночного автомобиля. Теперь нам известна разница между спойлером и антикрылом. Поняли что такое центробежная сила и турбулентность. Выясняли, что исследования Даниила Бернулли и Николая Егоровича Жуковского актуальны и сейчас, несмотря на давность их открытия.
В продолжение данной работы было бы интересно исследовать принцип работы подводного крыла, которое устанавливается на скоростных речных и морских судах.
Список источников
1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика. 9 класс.- М.: “Просвещение”, 1998
2. Мякишев Г.Я., Физика. Механика.10 класс. Для углублённого изучения физики – М.: “Дрофа”, 2005
3. Перельман Я.И., Занимательная физика. .- М.: «Время», 1968
4. Уокер Дж., Физический фейерверк. (вопросы и ответы по физике) – М.: “Мир”, 2005
5. Храмов Ю.А., Физика. Биографический справочник .- М.: “Просвещение”, 1995
6. Н.М. Шахмаев, С.М. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев Физика – 9 , 1989г.
7.Антикрыло.//http://ru.wikipedia.org/
8.Аэродинамика// http://www.tuning-mag.ru/articles/tema/
9. Законцовки крыла//http://wildtatra.info/i/fizicheskie-zakony-dvizheniya-avtomobilya
10. Значение слова «Турбулентность» в Большой Советской Энциклопедии//http://bse.sci-lib.com/article11
11. Крыло самолёта// http://ru.wikipedia.org/wiki/
12. Монахов С.С., Жуковский Николай Егорович//http://space.hobby.ru/firsts/ zhukovsky.
13. Спойлер, антикрыло и дефлектор – к чему все это? // http://www.autolabs.ru/workshop/external_tuning/
14.Турбулентность//http://ru.wikipedia.org/wiki
15. http://www.znaypdd.ru/forces.php
На главную сайта СГОУ "Яблочко"
© Центр дистанционного образования "Эйдос", 2011
© Смирнов Егор Валентинович, 2011
http://eidos.ru/
E-mail: info@eidos.ru