Левитация в аэродинамическом потоке

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ГБОУ Лицей № 1502 при МЭИ

Левитация в аэродинамическом потоке

Научно-исследовательская работа

Учащиеся 10-ж класса: Егошин Д.А.,

Чуднов И.И.

Научный руководитель-учитель физики: Петрова М.А.

Москва, 2017 г.

Содержание

Введение

Глава 1. Виды левитации и применение

Глава 2. Теоретические основы левитации в аэродинамическом потоке

Глава 3. Экспериментальное исследование левитации

Заключение

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

сила тяжести левитация угол срыва

Введение

В наши дни одним из перспективных направлений развития науки является поиск и совершенствование различных методов бесконтактного взаимодействия с телами, левитации. Так как наш проект по изучению влияния скорости воздушного потока на угол срыва посвящен аэродинамической левитации, то подробнее остановимся на её актуальности на сегодняшний день. С развитием компьютерных технологий производителям все чаще требуется производить крайне тонкие полупроводниковые пластины, которые могут быть повреждены руками людей или щупами роботов. Это вынуждает производителя транспортировать по производству эти детали бесконтактным путем (с помощью левитации). Также при взлёте или посадке самолётов требуется расчет углов срыва воздушных потоков с крыльев, во избежание инцидентов, связанных с опасностью для жизни людей. Целью нашей работы стало определение углов срыва экспериментально и теоретически и установление зависимости между углом срыва и скоростью воздушного потока. Приступив к выполнению поставленной цели, мы придерживались следующего плана:1) Изучить явление аэродинамической левитации;2) Смоделировать левитацию предмета в воздушном потоке; 3) Выполнить сравнение значений расчетного и экспериментального углов срыва.

Глава 1Виды левитации и применение

На данный момент науке известно более десятка видов левитации[1-3]. Рассмотрим наиболее часто используемые из них: аэродинамическую, магнитную, оптическую и акустическую. Каждый из этих видов имеет свои преимущества и недостатки, остановимся на них подробнее. Начнем с аэродинамической левитации. Она является наименее наукоёмким и дорогостоящим видом. При использовании данного метода предмет левитирует за счет восходящих потоков воздуха, которые уравновешивают силу тяжести, но в следствии турбулентности потока отсутствует стабильность горизонтального положения тела, что нельзя сказать об остальных трех видах. Магнитная левитация, как и аэродинамическая, потенциально, может быть использована для подъёма бесконечно тяжелых грузов, но в отличие от аэродинамической левитации у магнитной есть ограничения по материалу: могут быть использованы только проводящие материалы [2]. Оптическая левитация, в отличие от двух выше представленных видов, не может похвастаться такой грузоподъёмностью (её грузоподъёмность составляет от 0,1 до 1 нH) и диаметр объекта должен быть не больше 50мкм. Акустическая левитация тоже ограничена в грузоподъёмности (до 10мН) и в размере тела (не больше 1/8 длины волны), зато, как и оптическая, не зависит от материала левитируемого тела[3,4].

Глава 2Теоретические основы левитации в аэродинамическом потоке

Перед проведением эксперимента были изучены основные законы:

Второй закон Ньютона:

=ma(1)

где F - сила, m - масса тела, a - ускорение тела.

Подъемная сила аэродинамического потока[3,6] определяется по формуле:

F_под=S (2)

где F_под - подъемная сила, - коэффициент подъемной силы [5], S - площадь взаимодействия, - плотность воздуха, - скорость восходящего потока.

Сила сопротивления воздуха [3,6]:

F_сопр=С_x(Re)S (3)

где F_сопр - сила сопротивления, С_x - коэффициент лобового сопротивления [5], Re - число Рейнольдса [6], S - площадь взаимодействия, - плотность воздуха.

Главной целью левитации является преодоление силы тяжести, поэтому основополагающим законом для расчета угла срыва является второй закон Ньютона (1). Также в проекте использованы формулы для расчетов подъёмной силы потока (2) и лобового сопротивления воздуха (3).Был рассчитан угол срыва с целью проверки воспроизведения практических результатов с теоретическими данными. С помощью второго закона Ньютона в проекции на ось абцисс (1)расписаны силы, воздействующие на тело. Исходя из формул (2), (3) рассчитаны силы сопротивления воздуха и подъёмная сила потока. На основании второго закона Ньютона в проекции на ось Хопределен угол срыва:

(4)

Подставив в (4) данные полученные с помощью прямых измерений (диаметр тела, скорость воздушного потока, ускорение тела) рассчитан теоретический угол срыва. Таким образом, с помощью формул (1-3)описано явление аэродинамической левитации и с помощью (4) рассчитан угол срыва.

Глава 3 Экспериментальное исследование левитации

После изучения теории был выполнен эксперимент. Методика проведения эксперимента заключалась в следующем: 1) Сборка установки; 2)Взвешивание шара, установление скорости аэродинамических потоков при разных мощностях воздушной пушки; 3)Выполнение измерений углов срыва; 4) Обработка результатов эксперимента. Была собрана установка, состоящая из двух штативов к которым прикреплена воздушная пушка, анемометр и акселерометр(Приложение 1, рис.1, 2).Предполагаемое тело было размещено в потоке, испускаемом воздушной пушкой сначала с мощностью равной 1540 Вт, а затем с мощностью равной 1760 Вт. При этом высота расположения датчиков оставалась постоянной и составляла 0,06 метра. С помощью программного обеспечения «SPARKVIEW» [7] и анемометра Pasco были построены графики зависимости скорости (м/с) от времени (с) для двух мощностей и получены значения средних скоростей(Приложение 2, рис. 1, 2). С помощью транспортира были определены углы срывов.

После расчета углов срыва теоретические и экспериментальные данные были занесены в таблицу(Приложение 3, табл.1)и использовав экспериментально полученные точки построены графики зависимости углов срыва от скорости потока(Приложение 3, рис. 1, 2).

Результаты полученные аналитическим и практическим путями показали высокую воспроизводимость результатов, а графики линейную зависимость угла срыва от скорости восходящего потока воздуха.

Заключение

Применение аэродинамической левитации позволило осуществлять транспортировку микро- и нано- деталей бесконтактным методом в микроэлектронике. С помощью экспериментальной установки PASCOразработана физическая модель левитации тела. Экспериментально установлена и доказана линейная зависимость угла срыва от скорости воздушного потока. Проведенный анализ расчетного и экспериментального углов срыва показал высокую воспроизводимость результатов.

В 2017/2018 учебном году планируется проведение дальнейших исследований определения зависимостей коэффициента лобового сопротивления от формы тела, от скорости потока и проверка уравнения неразрывности с целью определения наивыгоднейшего угла атаки крылового профиля.

Список литературы

1.УразаевВ. Техническая левитация: обзор методов // Технологии в электронной промышленности, 2007, № 6.

2.Мартыненко Ю. О проблемах левитации тел в силовых полях // МЭИ, 1996.

3.Кобушкин В. К. Минимальная физика // Изд-во Ленинградского университета, 1970. - 240 с.

4.Джордж У. Физический фейерверк // Изд. Мир, 1989. - 288 с.

5.Ляховец Д., Пупыкин Е. Новые возможности для определения коэффициента лобового сопротивления тел различной формы

6.АлешкевичВ.А., Деденко Л.Г. Механика сплошных сред // Лекции, физический факультет МГУ, 1998. - 92 с.

7.Мерзляков А.В., Яковлева И.А., Петрова М.А. Методические рекомендации по организации и проведению проектных работ на оборудование PASCO // 48 с.

Приложение 1

Схема экспериментальной установки

Рис.1 Схема экспериментальной установки 1-шар; 2-штативы; 3-анемометр; 4-воздушная пушка

Рис.2Фото экспериментальной установки

Приложение 2

Рис.1 Изменение скорости воздушного потока от времени при мощности 1540 Вт

Рис.2 Изменение скорости воздушного потока от времени при мощности 1760 Вт

Приложение 3

Таблица 1 - Сравнительный анализ расчетного и экспериментального углов срыва при мощности 1540 Вт и 1760 Вт

Рис. 1,2 - Зависимости углов срыва от мощности воздушного потока при мощности 1540 и 1760 Вт соответственно

Размещено на Allbest.ru