Летающий диск

21 Март 2012
By

Летающий диск — забавное развлечение, можно бросать его в цель, можно заставить выписывать в воздухе замысловатые фигуры (рис. 1). Слегка потренировавшись и научившись бросать под определенным углом и одновременно сообщая диску интенсивное вращательное движение, вы заставите его возвращаться обратно, как бумеранг. При этом плоскость диска должна иметь значительный положительный угол атаки (наклон плоскости вверх по отношению к горизонту). Если угол атаки при броске отрицателен, диск в конце полета взмоет вверх, а потом начнет спускаться по более крутой траектории. При незначительном положительном угле атаки и не очень сильном вращении диск полетит по траектории, близкой к прямой.

Каждому бросающему хочется, чтобы его диск летел дальше. И тут успеха можно добиться не только силой. Попробуйте сделать на ободке диска лунки диаметром 4—6 мм и глубиной 1,5—3 мм, и ваш диск полетит дальше (см. рис. 2). Дело тут в том, что вращающийся диск, увлекая за счет сил трения воздух, создает достаточно сильный вихрь. На ободке диска, в зоне, где окружная скорость максимальна, вихревое движение воздуха имеет наибольшую интенсивность. На создание вихревого движения затрачивается энергия. Если интенсивность вихря уменьшить, часть энергии будет расходоваться уже не на бесполезное вращение воздуха, а на сообщение диску поступательного движения. Лунки как раз и снижают интенсивность самого мощного вихря: при вращении в них образуются микровихри, которые, вырываясь из лунок, противодействуют основному вихрю, тормозят его.

Лунки на ободке диска можно расположить цепочкой, в шахматном порядке (рис. 2) или в каком-либо ином. Тут широкий простор для экспериментирования.
Ломимо вышеописанного, лунки дают еще один эффект. Диск держится в воздухе, подобно крылу самолета, за счет подъемной силы, обусловленной разностью скоростей и (соответственно закону Бернулли) давлений над и под диском. При некоторь.х углах атаки вихрь отрывается от ободка диска и попадает под его внутреннюю поверхность. При этом скорость движения воздуха под диском увеличивается, а подъемная сила соответственно падает. Диск устремляется к земле. Лунки же, снижая интенсивность вихря, которая определяется его скоростью, обеспечивают меньшее падение подъемной силы. С ними диск полетит дальше. Примерно то же самое обеспечивает другое усовершенствование. Если на внутренней поверхности диска выполнить 8—12 ребер высотой в 3—10 мм, дальность полета при той же силе бросания возрастет (рис. 3).

Вы уже, наверное, догадываетесь, в чем тут дело. Вихри образуются с обеих сторон диска. Нижний вихрь, обосновавшийся под его внутренней поверхностью, только вредит делу. Ребрышки вызывают возникновение более мелких вихрей. Взаимодействуя с основными, они также снижают его интенсивность. В итоге давление под диском слегка возрастает, а подъемная сила увеличивается.

Этот эффект от ребер особенно заметен, если при изготовлении диска выдержано условие:

где В — вес диска в граммах, отнесенный к площади проекции диска на плоскость в см2; д __ диаметр диска в см.Формула определяет оптималыную удельную нагрузку на единицу площади поверхности диска (аналогичный параметр используется в авиации). Слишком легкий диск (В — мало) будет взмывать вверх. Тяжелый (В — велико) далеко не улетит — подъемной силы окажется недостаточно.

Наконец, еще одно усовершенствование (рис. 4), также позволяющее диску лететь дальше, но уже из-за несколько иного эффекта.
Вы уже заметили ступеньки на наружной поверхности диска в зоне наибольших скоростей. Гидротехникам хорошо известно, что пропускную способность наклонного лотка, по которому жидкость спускают вниз, можно увеличить, если сделать в лотке ступеньки. Дело опять же в вихрях, которые срываются с острия ступеньки. Частички жидкости, обтекающей ступеньки, приобретают двоякое движение: поступательное по касательной к направлению потока всей массы жидкости и вращательное, обусловленное появлением вихря. В дело вступает правило сложения скоростей, имеющих разное направление. В результате суммарная скорость потока в зоне за ступенькой становится выше. Если ступеньки часто следуют друг за другом, каждая из них как бы подталкивает поток, и он бежит быстрее.

В нашем случае ступеньки слегка увеличивают скорость пограничного потока воздуха, обтекающего наружную поверхность диска. А чем выше скорость, тем выше подъемная сила и тем дольше диск держится в воздухе.

Кстати, похожий эффект известен и в механике. Его подметил советский изобретатель А. Ми-турич. Он установил, что по наклонной плоскости со ступеньками шарик скатывается быстрее, чем по гладкой. Проверьте это, и, возможно, вам в голову придет идея, как полезно использовать такую особенность. Что касается ступенек для жидкости или воздуха, то они дают эффект только при определенном соотношении скорости обтекающего потока и величины вихрей. Их размеры зависят от так называемого масштаба дис-синации (исчезновения) вихрей Применительно к диску нужнь масштаб будет достигнут, есл высота ступенек составит от 0,5 до 2 мм.

А теперь несколько слов о том, как сделать диск, если у вас нет готового. В любом случае нужно сделать форму по наружной поверхности диска. Его диаметр 20—30 см, высота 1,5— 4 см. (Авиамоделисты могут взять за основу излюбленные и проверенные на моделях отношения ширины крыла к его толщине.) Далее можно выклеить диск либо из папье-маше (слоев бумаги на клею), либо из какой-либо ткани (например, на эпоксидной смоле).

В любом случае следует стремиться выполнить условие, заданное приведенной выше формулой. После того как заготовка диска готова, приступайте к усовершенствованиям. Ребрышки проще всего выклеить. Для дисков заводского изготовления (из полиэтилена) ребрышки можно вырезать из тонкого алюминия и закрепить их на внутренней поверхности, как показано на рисунке 3, с помощью небольших ушек. Можно сделать и по-другому: например, спаять каркас из проволоки (в виде паука) и вложить его внутрь диска.

К. ЧИРИКОВ, инженер
Журнал “Юный техник” №9-77г.

Tags: , , , ,

Оставить комментарий


Ссылки: