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论述航模制作中的物理学原理_参考网

论述航模制作中的物理学原理

2019-03-28 01:36:35 祖国2019年4期

航模制作是集多种学科为一体的活动,是一项智力类的实践活动。实践证明通过航模制作不仅可以提高自己的实践动手能力和创新能力,而且还可以磨练自己的意志、激发拼搏向上的积极性。随着我国航天事业的不断发展,我国航模制作者越来越多。制作航模需要了解航模制作的基本结构及原理,因此利用多年的制作经验,通过在学校航空模型社团活动中掌握的相关航模制作基本原理知识等,提出航模制作中所涉及到的物理原理,以此为其它航模制作者提供理论经验参考,为我国航模制作事业的发展而做出自己的贡献。

一、航模历史发展

飞机模型是人类研制载人飞行器的重要手段,航模制作对普及航空知识、培养航空人才起着关键性的作用。我国航空模型一词最早出现于1913年,在19世纪40年代我国航模运动得到发展并且在1947年举办了首届航空模型比赛,1978年我国加入世界航空联合会,标志着我国航模运动正式走向世界。随着我国航空职业的不断发展,我国航模制作者的人数越来越多,例如在2018年举办的第二十届“飞向北京” 全国青少年航空模型比赛中共有1700余名运动员、2275人次参赛,创新历史之最。通过对航模比赛的研究,目前我国航模比赛的种类主要包括(见表1):

二、航模制作所涉及的物理学原理

航模制作的过程是应用各种学科知识的过程,尤其是在航模制作的过程中需要涉及到较多的物理学原理。结合近些年对航模制作过程的研究,其所涉及的物理学知识主要集中在以下几个方面:

(一)航模外形与空气阻力

事物在运动的过程中受到的空气作用力在运动方向的分力称之为空气阻力。物理学原理表明任何事物在运动的过程中都会受到空气阻力的影响,空气阻力公式原理说明物体的速度低于200米/秒时,可认为阻力与物体速度大小的平方成正比;速度达到400~600米/秒时,空气阻力和速度大小的三次方成正比;在速度很大的情况下,阻力与速度大小的高次方成正比。因此如何降低空气阻力是航模制作者所需要面临的主要问题之一。物理学原理告知我们水滴状的形状能够适应空气动力学,因为水滴降落的状态所受到空气阻力的影响最小,这样可以提高航模飞行速度。但是由于我们在制作航模过程中基于技术、材料等因素的影响并不能将航模外形设计成水滴形状。对此我们可以借鉴水滴降落状态的原理,结合汽车流水线设计方法,在航模外形设计上采取流线化的制作工艺手段。采取流线化的外观设计可以减少空气的阻力,其原理主要是:利用空气的流动原理,考虑到影响空气流动的因素,采取降低空气阻力的设计方案。通过与指导教师、同学之间的交流采取流水性的外观设计方案。在航模制作的过程中利用3D打印技术设计出较为光滑的平滑界面,这样当航模在飞行的过程中遇到空气阻力时就会借助平滑界面的优势将空气阻力降低到最小,降低破坏性旋涡的出现,实现航模飞行速度的稳定。同时还要通过襟翼设计将航模飞行中所遇到的流动空气“铲除”到上方,以此减少空气向下的压力,通过作用力与反作用力保证航模向上的飞行力。

(二)外形与物体分割关系

航模外凸会增加空气阻力,因此在航模制作的过程中尽可能的将航模外观设计的简单些,尤其是对于边角突出的部分要进行磨圆处理,以此减少空气阻力。当然航模飞行的过程中会因为速度的不同而对大气造成影响,进而会直接干扰到航模的飞行速度。例如当航模飞行速度低于影响流体流速时,就不会产生漩涡,进而航模的流动损耗就会小,反之则反之。因此在航模制作的过程中必须要考虑到飞行流速对大气层的影响,具体到航模制作中则需要对航模机翼的迎角进行设计,如果迎角过大则会直接导致大气流体被分割,进而产生下压力,导致航模飞行速度下降。

(三)空气动力学知识

航模制作过程中必须要考虑到空气阻力对航模升高的影响,一般航模升高装置主要包括缝翼、导流片等,其外形较为复杂。根据相关资料,航模阻力主要包括压阻、波阻以及诱导阻力等等。因此在航模设计中需要应用到物理公式“P=F/S ”。根据该公式可以看出航模机翼部分的面积越大其所受到的力就会越大。因此为了提高航模的升高速度,降低空气阻力采取增加航模機翼面积的方式提升航模的性能。另外根据伯努利定理原理(体积一定的流体具有能量守恒的特点),因此根据该原理,在不改变空气流动方向的前提下,如何保证航模飞行的稳定性是航模制作者所必需要面临的问题。例如在实践中经常出现航模飞行到一定高度后会出现摇摆等现象,因此经过与其他同学的探讨分析后,决定在机翼表面设计上入手:一方面增加机翼的表面面积。另一方面要优化机翼结构。机翼上采取弯曲设计,机翼下表面采取平直设计的方案。这样可以保证空上表面的流动路径要长于下表面空气流动路径,有效地避免了空气阻力影响。最重要的是通过此种设计可以在不改变空气流动的情况下,实现了大气压的下降,进而使得航模机翼上下表面产生不同的大气压,产生的大气压可以保证航模重力平衡,有效解决了航模在高空中出现的上下摇晃的现象。

三、结语

综上所述,航模制作是融合多个物理学原理知识的智力类实践活动,通过航模制作不仅可以巩固学生的物理知识,而且还可以增强学生之间的团结互助、积极拼搏的精神。航模制作的过程是不断创新的过程,需要学生要灵活应用物理学原理知识,结合实践创造经验不断进行数据计算和操作改进。总之通过制作航模使我深深地认识到物理学知识的重要性,我们要想创造出更完善的航模就必须要加强学习,端正学习态度,提高动手能力,以此为我国航模事业而贡献自己的力量。

参考文献:

[1]涂清洪.航模制作活动下学生动手操作能力的增强[J].艺术科技,2017,(11).

[2]陈修远.浅谈航空航模展为制作航模带来的启示[J].科技风,2018,(02).

[3]郭卫刚,孟浩.航模运动在飞行原理课程中的教学实践[J].教育教学论坛,2017,(10).

(作者简介:郑雨昆,现就读于石家庄精英中学高三A7班。)

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