Презентация научно исследовательская работа студентов Падение тел в воздухе

Научно - исследовательская работа «Падение тел в воздухе» Электроугли Действующие лица Студент 2 курсаКозлов Антон РуководительИльина Т. В. Студент 2 курса Репкин Павел Студентка 1 курса Казанцева Диана Студент 2 курса Еньков Алексей Студент 1 курса Черешнев Алексей Цели Знакомство с основными физическими параметрами падения тел в воздушной среде (g, C x)Экспериментальное определение ускорения свободного падения.Экспериментальное определение коэффициента лобового сопротивления.Причины гибели и спасения десантников Свободное падение тел 1. Исследовательская работа позволила познать условия падения тел в воздушной среде.Первый этап работы содержит экспериментальную проверку гипотезы Галилео Галилея «Влияют ли на характер падения форма, масса и размер тел?» Опыты Бросали два листа ученической тетради. Убедились, что скомканный лист падает быстрее, не скомканный – медленнее.Большие и маленькие железные шарики бросали с шести и десятиметровой высоты, отмечали момент удара о землю. Результат: шары падали одновременно. Почему? Сопротивление воздуха практически незаметно на малых высотах. Проверка гипотезы Галилео Галилея Одинаковые листы падали одновременно Скомканный лист падает быстрее Не скомканный падает медленнее В пустоте перо и свинцовый шарик падают одинаково Из трубки Ньютона откачали воздух. Поставили вертикально. Все три предмета – птичье перо, пробка и дробинка упали одновременно.В трубке заполненной воздухом, тела падали в следующем порядке: дробинка, пробка, перо. Трефилов В. Н.студент 1 курса Причина, как отметил ещё Галилео Галилей, - сопротивление воздуха. Большие и маленькие шарыпадали одновременно Сопротивление воздуха практически незаметно на малых высотах. Определение ускорения свободного падения g 2. Следующий этап нашей работы, экспериментальное определение g – ускорения свободного падения.Известно, что при свободном падении скорость увеличивается прямо пропорционально времени: V = g  t. Это равноускоренное движение.В лаборатории имеется электронная установка по кинематике для определения «g» Установка КМП - 1 для определения «g» Экспериментальное определение ускорения свободного падения g Монорельс с электромагнитомДва контактных датчика Пульт управленияПровода соединительныеШарик массой 14 гЛовушкаЭлектронный секундомерИсточник электрической энергии Оборудование и схема установки Последовательность проведения эксперимента Цепь питания электромагнита замыкали и снизу к нему «подвешивали» шарик. При размыкании цепи шарик начинал падать, задевал пластинки датчиков, и электронный секундомер отсчитывал время его свободного падения до данной точки. На монорельс с метровой шкалой и укреплённым на нём электромагнитом ставились два датчика (с пластинками) в положения, соответствующие начальному положению шарика и текущей точке отсчёта. Таблица №1 Для каждой точки вычисляли ускорение свободного падения по формуле: g = 2h / t2. Среднее значение g = 9,81 м / с2.Результаты эксперимента представлены в таблице №1 №опыта Время паденияt, c ПеремещениеS, м Ускорениесвободного падения g, м / с 2 1 0,145 0,1 9,52 2 0,2 0,2 10 3 0,245 0.3 9,99 4 0,285 0,4 9,86 5 0,32 0,5 9,76 6 0,35 0,6 9,76 7 0,38 0,7 9,69 8 0,4 0,8 10 9 0,43 0,9 9,73 10 0,45 1 9,86 Аэродинамическая труба Аэродинамическая труба это установка, создающая поток воздуха для изучения явлений обтекания тел. С помощью Аэродинамической трубы определяются силы, возникающие при полёте самолётов, вертолётов, ракет и космических кораблей при движении подводных судов. Исследуются их устойчивость и управляемость; отыскиваются оптимальные формы самолётов, ракет, космических и подводных кораблей, а также автомобилей и поездов; определяются ветровые нагрузки, а также нагрузки от взрывных волн, действующие на здания и сооружения — мосты, мачты Спортивная аэродинамическая труба в Самаре для тренировок парашютистов Наша аэродинамическая труба Экспериментальное определение коэффициента лобового сопротивления В прессе и на ТВ появляются сведения о чудесных спасениях спортсменов – десантниках, упавших с нераскрытым парашютом. Почему это происходит? В нашей лаборатории имеются установки для определения ускорения свободного падения g. Имеется модель аэродинамической трубы с аэродинамическими весами для определения коэффициента лобового сопротивления C x. C x и g являются основными параметрами при определении скорости свободного падения. Подготовка установки к эксперименту Методика определения коэффициента лобового сопротивления тел различной формы В аэродинамике С х – коэффициент лобового сопротивления безразмерная величина с максимальным значением равным 1 (Сx max = 1) и минимальным значением близким к нулю (Сx min ≠ 0. У фюзеляжей скоростных самолётов С х  0,08 0,1)Исходя из этих величин С х плоской пластины равен 1. У сферы С х  0,5.Коэффициент лобового сопротивления капли определяли с помощью модели аэродинамической трубы и аэродинамических весов. Тарировка шкалы аэродинамических весов При отклонении стрелки весов на n –делений, определяем максимальное значение силы лобового сопротивления Q. Первая продувка – плоскаяпластина Отклонение стрелки весов при продувке плоской ПЛАСТИНЫ Экспериментальная установка Начало отсчёта для пластины С х – коэффициентлобового сопротивления плоской пластины равен 1 Вторая продувка - сфера Стрелка весов отклоняется на величину n /3 в этом случае Q n = 3 Q сф. Экспериментальная установка С х сферы  0,5 С х – коэффициентлобового сопротивления сферы примерно равен 0,5 Третья продувка – падающая капля Аналогично определили силу лобового сопротивления падающей капли Q п.к. по формуле Q п. к. / Q n = С х / 1В результате коэффициент лобового сопротивления определили по формуле: С х = Q п. к. / Q n Экспериментальная установка С х – коэффициентлобового сопротивления падающей каплиравен примерно 0,15 График Q = f (C x)падающих тел различной формы с миделем М = d2 / 4 = const На графике: Ось ординат Q – сила лобового сопротивления Ось абсцисс С х – коэффициент лобового сопротивления. l продувка (оранжевая кривая ) Q = f (С х ) показания весов пластины на оси ординат 1; показания сферы - 0,35; показания капли  0,15l l продувка (синяя линия),точки см. на графике.l l l продувка (красная линия), точки см. на графике.Зелёная линия это среднее арифметическое показание трёх экспериментов. Это прямая пропорциональная зависимость Q = C x S  V 2 / 2. График – прямая линия с угловым коэффициентом равным S  V 2 / 2. Три эксперимента близких к теоретической Q = f (C x ) Объяснение к графику Q = f (C x)Три эксперимента На нашей установке проводили продувки с пластиной и сферой.Фиксировали на весах условные единицы У.Е. лобового сопротивления Q.По результатам эксперимента построили графики, приняв, как постулат, что С х пл. = 1, С х сф. = 0,5В пропорциональном сравнении Q = f (C x) продували тело падающей капли и определяли С х. 1 эксперимент оранжевая кривая2 эксперимент синяя кривая3 эксперимент красная кривая.Зелёная кривая – средняя арифметическая от трёх экспериментов. Формула Жуковского даёт возможность определить скорость падения тел с различной формой С помощью аэродинамической трубы мы осуществили продувку твёрдых тел формы: падающей капли, сферы и плоской пластины.Определили их коэффициенты лобового сопротивления. Человеческое тело при падении может менять свою позу от близкой к падающей капле, сфере (эмбрион) и плоской пластины (лягушке). Q = C x S  V 2 / 2 Q – сила лобового сопротивленияС х – коэффициент лобового сопротивления - плотность воздухаS – мидельV – скорость тела Восходящие потоки воздуха Опытный десантник должен знать законы плавания в воздушном океане.Искать потоки воздуха, способствующих уменьшению скорости паденияАналогия: птицы парят в восходящих потоках не взмахивая крыльями. В случае нераскрытого парашюта десантник должен принять позу лягушки (плоской пластины с С х = 0,9) – это его спасёт. В бессознательном состоянии человеческое тело принимает форму падающей капли с С х  0,25 – это гибель. Если падающий потерял сознание Поток воздуха выпрямит его фигуру (в виде капли).В этом случае: С х  0,5 S  0,25 м 2 V  250 м / с Скорость падения будет в шесть раз больше чем у падающего в позе распластанной лягушке. Шансов выжить близки к нулю! Ц Т Ц Т Зависимость коэффициента лобового сопротивления от позы десантника С х = 0,6 Поза эмбриона С х = 0,9Поза лягушки С х = 0,25 Поза падающей капли Вариант спасения Гибель Гибель V V V Ц Т Упавший с высоты 1200 метров с нераскрывшимся парашютом и чудом выживший «…при падении ключ от квартиры согнулся вдвое, а шариковая ручка поломалась. Комбинезон зашил на груди и продолжаю в нем ходить. Некоторое время приберегал еще два кольца и подушку от парашюта, но потом выбросил, подумав, что сохранять все это дома — плохая примета. Парашют, который меня так подвел, просто списали в установленном порядке …». Капитан Николай Павлюк снова летает на боевых вертолетахОн сделал всё, чтобы остаться в живых. Библиография Мартынов А. К. Практическая аэродинамика. – М. Машгиз, 1960.Эллиот Л. Падающие тела, утверждения Аристотеля – М.: Наука, 1975.Энциклопедический словарь юного техника. – М.: Педагогика, 1989.Энциклопедический словарь юного физика. – М.: педагогика, 1984.Ильина Т. В. газета Первое сентября №35, 2004 г. исследование свободного падения в воздухе.Ильина Т. В. научно – практическая конференция «Деятельностный подход в преподавании предметов естественно математического цикла, МИОО, М. -2004 г.»,myshared.ru/slide/1021827, 2015г.