KÁROLY IRENEUSZ FIZIKAVERSENY

 

1998/1999

 

HÁZIDOLGOZAT 14-15 éves korosztály

Készítők:

 

Bustya Áron

Békéssy László

Kincses Mihály

Kísérletek papírrepülőkkel

I. A repülés fizikája

1.Bevezetés

Az aerodinamika sajátos és különleges papírrepülőkre alkalmazva. Fontos annak felismerése, hogy ugyanaz az elv amiért a papírrepülők és a teljes méretű repülők repülnek. Ugyanazon okokból emelkednek és süllyednek, stabilak vagy nem stabilak. Azonban a papírrepülők másképp néznek ki mint a legtöbb repülőgép Az ok amiért általában különböznek nagyon gyakorlati okokból következik, nem feltétlenül az aerodinamikának köszönhető. Néhány határozott aerodinamikai különbség van a papírrepülők és a teljes méretű gépek között Ezek a különbségek nem láthatók, de hatással vannak a papírrepülő repülésére.

2.     Miért különbözik a papírrepülők alakja a valódi repülőkétől?

A legtöbb nagy méretű repülőgépnek vannak szárnyai, egy farka, és egy törzse melyben a pilóták és az utasok vannak. A legtöbb papírrepülőnek csak egy szárnya van és az alján papírredő, amellyel megfogjuk, mikor eldobjuk a gépet. Számtalan oka van a különbözőségnek.

3.     Hajtogatási idő

A fő oka annak, hogy a papírrepülők különböznek az igazi repülőgépektől az az, hogy a papírrepülő tervező olyan gyorsan és könnyen készíti el a repcsit, ahogy csak lehetséges. Egy farok és egyéb darabok hozzátétele a papírrepülőhöz újabb redők készítését igényli és valószínűleg olló, szalag és ragasztó használatát is. A legegyszerűbb papírrepülő a repülő szárny, és ilyen a legtöbb papírrepülő.

4.     A farok nem szükséges

A farok csak az igazi repülőknél szükséges, a fékszárnyak okozta hajlító nyomaték (a gép orrának le és fel billegő mozgása) kiegyenlítésére. A fékszárnyak a szárny hátsó élén lévő irányító felületek, melyeket lehajlítanak azért, hogy a gép lassabban szállhasson le-és fel. A papírrepülőknek nincs szüksége lassúbb repülésre, ezért nincs szükség fékszárnyakra csak úgymint az azokat kiegyenlítő farokra sem.

 (1. és 2. ábrák)

  

Egy igazi gép farkának is van vertikálisan egy farka. A vertikális szárny egy nyílvessző tollaihoz hasonlóan működik, a gép orrát a haladási irányban tartja. A géptörzs ( a gép középső része, papírrepülőknél az a rész ahol a dobáskor tartjuk) úgy működik, mint a valódi gépek vertikális stabilizátora.  Néha a papírrepülőknél a szárnyvégek fölhajlítása segít az iránytartási stabilitásban. Papírrepülőkön a törzs és a szárnyvégek kombinációja pozitív iránystabilitást eredményez  függőleges  farok nélkül.

5.     Szárny alakja

Papírrepülők rendszerint rövid zömök szárnyakkal rendelkeznek A szárnyszélek közti távolságot fesztávnak, a szárny eleje és vége közti távolságot pedig húrnak nevezik. A fesztávolság arányát az átlag húrhoz  „formaarány”-nak nevezik és a szárnyak egyik fontos jellemzője. Szubszonikus gépeknél (hangsebesség alatti) a szárny légellenállását a fesztávolság növelésével és a húr csökkentésével csökkentik, mindkettő a formaarányt növeli. A formaarány emiatt egy jó jelzője az összes szárnyellenállásnak. Visszatérve a papírrepülőkre vagy papírsiklókra, megjegyezzük, hogy szárnyalakjuk jelentősen különbözik az igazi vitorlázókétól, mert náluk alacsony a szárnyak formaaránya. Néhány jelentős ok az eltérésre.

a.)    A papír silány építőanyag. Ezért nem készülnek a valódi gépek papírból. Bár a magas szárny- formaarány csökkenti a légellenállást, jobb építőanyagot kíván. A papír csekély erőssége nem teszi lehetővé a magas formaarányt.

b.)    Az alacsony formaarányú szárnyakat könnyebb redőzni.

c.)    .A papírrepülő kinézete általában nem a legfontosabb. Rendszerint azt szeretnénk, ha a papírrepülőnk jól repülne a teremben és nem érdekel a másik formatervezettebb (nehezebb meghajtani), amelyik ugyanazt tudja repülni.

d.)    Alacsony formaarányú szárnyak gyorsabbnak látszanak, különösen, ha hátradöntöttek. Az emberek az alacsony formaarányú, hátradöntött szárnyakhoz alacsony légellenállást, nagy sebességű repülést társítanak. Valójában egy repülőgép, amelyik csaknem 500 mérföld/óra sebességgel repül széles és magas formaarányú szárnyakkal lesz kisebb légellenállású. Ez sokaknak zavarba ejtő.  Ily módon gondolkodva, ha az alacsony formaarányú, hátradöntött szárnynak van a legkisebb légellenállása, az összes gép ilyen lenne. Az 800-1200 km/óra sebességgel repülő gépeknek legalacsonyabb a légellenállása eléggé hátradöntött  és magas formaarányú szárnyakkal A sugárhajtású gépek ilyenek. A 1200 km/óra fölötti sebességgel repülő vadászgépek és a Concorde alacsony formaarányú, hátradöntött szárnyakkal érik el a legalacsonyabb közegellenállást. Azonban az igazság nem változtatja meg azt a tényt, hogy az alacsony formaarányú, döntött szárny gyorsabbnak látszik.

6.     Egzotikus alakok

Valódi repülőgépeket bizonyos küldetések végrehajtására tökéletesítettek. Egy papírrepülő küldetése örömet nyújtani a pilótának. Néha ez a levegőben repülés csodálatos látványát jelenti. A repülést lehetővé tevő szárnyak, farkak, törzsek és más részek kombinációja szinte végtelen. A hagyományos papírrepülő terveken kívül számos egzotikus alakú létezik, melyek nem úgy néznek ki mintha repülnének. Van közöttük gyűrű vagy X-alakú esetleg modern űrhajó kinézetű.

7.     Röptetés

A papírrepülők jó röptetésének titkai gyakorlatilag megegyeznek azokkal a beállításokkal melyeket a felröppentés előtt végzünk. A legtöbb ember azt hiszi , hogy egy jó papírrepülőnek nincs szüksége beállításokra miután az alap hajtogatást befejeztük. Minden igazi repülőnek van karbantartó részlege, hogy elvégezze a kis beállításokat a gépen és minden papírrepülőnél szükséges kisebb beállításokat végezni a legjobb repülés érdekében.

8.     V-állás

A sok gyakori hiba közül az egyik, hogy a papírrepülő szárnyait bizonyos szögben lehajtva hagyjuk. Ez csökkenti a repülő oldalsó stabilitását.  Amit „V-alak” – nak neveznek az, az amikor a szárnyvégek a szárny legmagasabb részén vannak. Az oldalstabilitás segíti a repülő egyenes repülését vagy fokozatos fordulását. Oldalstabilitás nélkül a papírrepülő vagy a hátára fordul és leesik, vagy egy állandóan szűkülő spirálba megy amely spirális süllyedéssé válik. Tehát szárnyvégeket fel. (3.ábra)

9.     Mi a helyzet az áramvonalas alakkal?

A repülőgépek szárnyai „Íveltek”, ami azt jelenti, hogy általában görbült alakúak, az áramvonal tetején domború, alján csaknem sík. A papírrepülők szárnyainak viszont vékonynak kell lenni, hogy jól repüljön. Ráadásul nagyon kis görbületre van szükség és általában bármilyen görbület a szárny elejére korlátozódik. Mivel a legtöbb papírrepülő valójában repülő szárny, csak nagyon csekély mennyiségű görbület praktikus, mivel a sok görbület az orr bukdácsolását okozza, melyet farokkal kell kiegyenlíteni. Sík, görbületlen szárny használata a vezetőél mentén nagy nyomásesést eredményez , amely megfelelően segíti a turbulens határrétegbe való átmenetet, ami magyarázhatja a rovarok szárnyán található kis görbületet is.  A görbületlen vezetőélű, döntött szárnyak elősegítik az örvényes áramlást a vezetőél mögött, a felső felületen.

 

II.               Saját modellek vizsgálata

 

Rengeteg papírrepülőt hajtottunk általában a normál A/4-es méretű kb. 5g tömegű papírból. Versenyeztünk, mértünk teremben, szabadban. A vékonyabb és vastagabb papír nem igazán vált be. A legjobban sikerült repülőket lemértük, vizsgálatainkat az alábbi táblázatok és grafikonok mutatják.

 

Név

Idő 1

Idő 2

Idő 3

Idő 4

Idő 5

Idő 6

Idő 7

Idő 8

Idő 9

Átlagidő

Hunter

3,34

3,85

2,87

2,94

3,29

 

 

 

 

3,26

Banshee

3,72

3,91

3,34

3,14

3,76

4,59

4,23

4,3

 

3,87

YF-23

3,49

3,3

3,31

 

 

 

 

 

 

3,37

X-32

4,32

4,01

3,25

 

 

 

 

 

 

3,86

X-35

3,44

2,83

3,21

 

 

 

 

 

 

3,16

Shark

2,08

4,48

4,44

3,25

 

 

 

 

 

3,56

Z- type

3,43

3,34

3,7

 

 

 

 

 

 

3,49

Kamikaze 2

2,27

2,17

3,08

3,64

 

 

 

 

 

2,79

Eagle

6,09

8,87

6,5

6,43

8,25

7,3

7,43

8,1

8,75

7,52

AEROdisznó

3,43

2,77

3,3

3,26

3,57

4,74

 

 

 

3,51

 1. táblázat: Modelljeink repülési ideje (másodpercben)

 

 1. diagramm: Repülési idők összehasonlítása

 

Név

Út 1

Út 2

Út 3

Út 4

Út 5

Átlagút

Hunter

12,85

12,7

12,6

16,5

16,5

14,23

Banshee

6,1

10,3

10,6

19

 

11,50

YF-23

19,45

17,5

15,35

18,1

 

17,60

X-32

17,1

10,8

12,9

 

 

13,60

X-35

15,7

9,3

12,3

 

 

12,43

Shark

9,5

16

15

 

 

13,50

Z- type

20,3

17,8

15,25

 

 

17,78

Kamikaze 2

9,12

5,3

4,25

 

 

6,22

Eagle

9,5

10,8

13,1

17,6

20,5

14,30

AEROdisznó

5,25

8,3

15,5

 

 

9,68

 2. táblázat: Modelljeink által megtett út (méterben)

 

 2. diagramm: Repülési utak összehasonlítása

 

Név

Átlagút

Átlagidő

Átlagsebesség

Hunter

14,23

3,26

4,37

Banshee

11,5

3,87

2,97

YF-23

17,6

3,37

5,22

X-32

13,6

3,86

3,52

X-35

12,43

3,16

3,93

Shark

13,5

3,56

3,79

Z- type

17,78

3,49

5,09

Kamikaze 2

6,22

2,79

2,23

Eagle

14,3

7,52

1,90

AEROdisznó

9,68

3,51

2,76

 3. táblázat: Út és idő összesítése

 

 3. diagramm: Átlagsebességek összehasonlítása

 

 

Név

Érték

Időrekord

Eagle

8,87 s

Útrekord

Eagle

20,5 m

Átlagidőrekord

Eagle

7,52 s

Átlagútrekord

Z-type

17,78 m

 4. táblázat: A legjobb teljesítmények

 

III.           Felhasznált irodalom

 

Az elméleti rész Ken Blackburn :Paper airplane aerodinamics munkájának felhasználásával történt.

 

Néhány az általunk látogatott weboldalak közül:

 

www.geocities.com/kblackbu

http://koolpaperairplanes.hypermart.net/Favorites.htm

www.luminet.net

 

IV.            Köszönetnyilvánítás

 

Köszönetünket fejezzük ki iskolánk, a bajai Szent László ÁMK vezetésének, amiért biztosították számunkra a korszerű eszközöket dolgozatunk elkészítéséhez. Köszönjük fizika tanárunknak, Jaloveczki Józsefnek a sok hasznos elméleti és gyakorlati tanácsot.

 

© Készítette:     Bustya Áron 9.B – Békéssy László 9.B

 

 

V.              Mellékletek

 

 

1.     A saját modelljeink

 

A következő képeken a szakkörösök papírrepülőznek

 

1. kép Áron a Banshee –vel

    2. kép  Az X-32 modell

3. kép Laci és az X-32

4. kép X – 35 –ös modell

5. kép X –35

6. kép YF –23

 7. kép Misi az YF23-mal

8. kép „Aerodisznó”

9. kép „Aerodisznó”

9. kép „Banshee”

10. kép „Eagle”

11. kép „Hunter”

12. kép „Kamikazee”

13. kép „Voodoo”

14-15.kép A nagyon szépen repülő „Voodoo”

16. kép „Shark”

17. kép „ZTYPE”

 

2.     Csak néhány papírrepülő a világhálón találtakból