KONVENAT 5.0

Volantes ad Oceanum de industria! 
Все права защищены © 2018
Технологии

В данном материале рассмотрим усовершенствование конструкции летающего диска, который массово продается в различных магазинах и позиционируется как игрушка для активного отдыха. Однако следует заметить, что аэродинамика такого диска очень сложная, а использование этой игрушки в постройке летательных аппаратов имеет большие перспективы.

Итак, что же представляет собой эта игрушка? Это диск из противоударного пластика, либо иного другого материала. Который имеет плавные закругления или бортики по периметру диска. Благодаря такой форме диск очень хорошо летает. При броске – диску придается вращательное движение, которое позволяет диску стабильно лететь на большие расстояния. Если бросить диск под определенны углом к горизонту, при этом задав ему вращательное движение, то можно заставить диск возвращаться в точку старта по аналогии с бумерангом. Чтобы получить эффект бумеранга, надо запускать диск при значительном положительном угле атаки (наклон плоскости вверх, по отношению к горизонту). Если уменьшить угол атаки, тогда диск на завершающем этапе полета будет уходить вверх, а затем начнет спускаться по крутой траектории. А при запуске параллельно горизонту диск пролетит значительное расстояние практически прямо с незначительным изменением траектории движения в сторону вращения. Это явление деривации, такое же явление присутствует и при выстреле из огнестрельного оружия. Пуля при вращении отклоняется от первоначальной траектории. При стрельбе на дальние дистанции следует учитывать это явление. Все это в общем можно объяснить явлением гироскопического эффекта и эффекта Магнуса.

Теперь попробуем улучшить характеристики диска. Можно сделать углубления на поверхности ободка диска. Неглубокие, глухие отверстия глубиной от одного до трех миллиметров и диаметром от четырех до восьми миллиметров немного увеличат дальность полета. Тут следует обратится к опыту Льва Николаевича Щукина – создателя уникального летательного аппарата – ЭКИПа. Чтобы не допустить потери энергии на образование вихря сзади аппарата – Щукин применил оригинальное решение в виде бороздок на краю поверхности аппарата.  Можно вспомнить о форме мяча для гольфа. Вокруг шара создается мощный вихрь, на который тратится много энергии. По сути шарик для гольфа вращаясь в полете, крутит вокруг себя воздух. Чтобы уменьшить влияние вихря на дальность полета шарика – его поверхность имеет углубления, они создают на поверхности пограничный слой из множества микровихрей, которые отводят большую часть набегающего потока от поверхности шара. При полете диск вращаясь, увлекает за собой за счет сил трения достаточно сильный вихрь. На периметре диска скорость его вращения максимальная и вихрь имеет большую силу. Если убрать часть потерь на создание этого вихря, тогда энергия будет тратится на сообщение поступательного движения диску. Расположение углублений можно сделать в шахматном порядке, или группами.
Рис. 1 Примерный вид профиля диска с порогами и углублениями для создания микровихрей. 

Кроме этого углубления увеличивают подъемную силу. Согласно закона Бернулли диск держится в полете за счет разницы скоростей и давлений над и под диском. Точно так же летает самолет. При определенной траектории полета вихрь сверху отрывается от поверхности и устремляется под диск. Скорость движения воздуха под диском возрастает, подъемная сила падает и диск стремится к земле. Углубления частично разрушают вихрь и не дают ему попасть под диск. Таким образом они помогают сохранить подъемную силу и опять же увеличат дальность полета. Чтобы разбить основной поток вихря под диском, можно установить ребра под поверхностью диска. Эффект примерно такой же, что и от углублений. Ребра разобьют поток вихря снизу на множество мелких. Получается наложение множества вихрей друг на друга и на основной поток, это частично увеличит подъёмную силу.

Рис. 2 Ребро элемента диска. Служит для разделения вихря на множество микровихрей. 

Сам диск следует изготавливать определенной формы и размера. Если соблюдать условие м(г/см2) = 0,4Д(см) + 16, где  м – вес диска в граммах, отнесенный к площади проекции диска на плоскость в см2; Д – диаметр диска в см. Данная формула определяет удельную нагрузку на единицу площади поверхности диска. Если м – мало, то диск будет взмывать вверх и его полет окажется неустойчивым. Если м – велико, тогда диск будет слишком тяжелым и подъемной силы окажется недостаточно для длительного полета.

Еще одно усовершенствование связано с интересным опытом. Шарик спускается по ступенькам быстрее, чем шарик, спускающийся по наклонной плоскости. Казалось бы, что расстояние, которое преодолевает шарик по наклонной плоскости меньше и он должен будет быстрее достигнуть конца маршрута. Однако это не так. Описываемый опыт част показывают на различных олимпиадах по физике. Криволинейная траектория называется брахистохроной (от греч. самое короткое и время. Такое явление так же применяется при строительстве гидросооружений. Если требуется увеличить пропускную способность наклонного желоба, то используют множество порогов или ступеней. Потоки воды срываются с острых граней порогов и в этих местах образуется два и более потока.


Рис. 3 Брахистохрона шарика.

Часть потока начинает двигаться по касательной к направлению потока всей массы жидкости, а часть потока завихряется и преобразуется во вращательное движение. За счет сложения скоростей разных потоков их суммарная скорость в области за порогом будет выше. При частом расположении потоков множественные зоны завихрений ускоряют основной поток массы воды и он бежит быстрее.


Рис.4 Кадр из передачи "Разрушители легенд" Опыт с тремя шариками. 

Применительно к диску ступени или пороги на ободе диска ускоряют движение потока воздуха над диском в приграничной зоне и тем самым увеличивают подъемную силу диска. Сложность изготовления таких порогов на борту диска обусловлена расчетами и необходимостью проведения испытаний. Суть испытаний заключается в исследовании соотношения размеров порогов и размера самого диска до наступления явления диссинации (исчезновения) вихрей, когда габариты порогов не способны создавать завихрения в пограничном слое. Для моделей летательных аппаратов высота порогов измеряется миллиметрами и не должен превышать 1-3мм.

 Мой канал на YouTube Смотреть!