Вертолёт «Муха»: физика полёта

Также было бы интересно увидеть видео с листиками вертолётиками и анализом их движения, ведь у них одна лопасть, найти где находится центр масс и соответственно саму инерцию, проанализировать его кпд (ведь это сама природа вывела путём эволюции),возможно даже затронуть некоторые биологические аспекты (то, что основную массу они теряют, когда высыхают, что способствует дальним "перелётам" = больше таких деревьев), то как они способны переводить самостоятельно потенциальную энергию в вращательную (просто взяв горстку таких лепестков и подкинув они самостоятельно начнут вращаться снижая высоту), и может ли также ваша игрушка или что ей препятствует.

А муха тоже вертолёт, но без коробки передач

У меня такая со времён клуба висит. Ещё похожую модель "Бабочка" делали, на резиновом приводе с крыльями-стабилизаторами.

Спасибо вам за просвещение и за популяризацию науки! Я двоечник и всю жизнь задавался вопросом: А, на кой мне это?
Теперь оглядываюсь по сторонам, и волосы дыбом встают. Оказалось я и не двоечник вовсе, судя по всему что происходит, и как люди реагируют на разные вещи. А, уж понимание физики, математики, химии, можно и вовсе за скобки вынести😢

Полезная штука и приятная 👍
Спасибо большое за выпуск

Взять картонную трубку, вставить в неё эту "муху" с намотанной пусковой ниткой и дёрнуть, так и больше 50 об/с получить не проблема.

Может пропеллер на некотором этапе перестаёт отталкиваться от воздуха и по инерции вкручивается в него и летит как камень. Чем выше начальная скорость вращения, тем дольше вертолет будет в состоянии падения, тем меньше энергии передастся воздуху.

Можно воображать от маленьких угловых скоростей: если крутануть со скоростью 1 об/сек, то сколько начальной энергии перейдёт в потенциальную? Отрицательно число :) Начиная с какого-то количества оборотов "муха" со старта будет в зависшем состоянии - т.е. "нулевое КПД". От остального, что дальше накинем в угловую скорость, уже пойдёт в положительный учёт КПД.

мне стало интересно, можно ли оптимизировать максимальную высоту путем изменения массы винта, ведь она одновременно увеличивает общее количество хранимой энергии, то есть замедление вращения будет медленнее, но в то же время тяжелому винту будет труднее подниматься.

А сила трения, сопротивления воздуху, атмосфере?

Предположу, что чем выше — тем меньше плотность воздуха, а значит та энергия, которая не затрачена на движение воздуха, сохранилась как потенциальная

30 лет назад с чупа чупсом продавался такой винт и палочку надо было использовать от чупса.

Я думаю для ответа, тут лучше подойдёт термин авторотация. Необходимо раскрутить ротор до величины выше частоты авторотации, только тогда он взлетит вверх. И чем выше будет частота вращения от частоты авторотации тем выше вертолёт и взлетит. И думаю, частота вращения при движении вниз уже особо не изменялась.

Мы из жести подобное вырезали на трудах.

Кинетическая энергия позитива двух авторов, даже если ты ничего не понимаешь, заставляет тебя смотреть эти ролики по инерции до конца и с удовольствием :)

Видимо из-за того что доля энергии вращения лопастей переданная молекулам воздуха увеличивается с ростом скорости вращения, то в начальный момент времени аппарат приобретает более высокое ускорение и не успевает потратить энергию на трение воздуха. Соответственно, чем выше скорость вращения , тем еще большее ускорение- скорость, и соответственно потенциальная энергия

Ps посчитал, прирост составляет в районе 5-15 % за каждый акт удара

@getaclassphys - пожалуйста, разберите физику полёта комнатного бумеранга, запускаемого щелчком пальца (бумеранг делается просто - из картонки вырезается Г образная фигура с плечами по 3 см)
интересна сама физика возврата для такого простого-плоского объекта

Мы в детстве такие-же делали, а увидели мы их в зарубежном фильме, про бандитов захвативших школу... (Конец 90 годов примерно)... Потом мы их меняли на чупачупсы, юпи, иногда даже сникерсы в соседние дворы, потом весь микрорайон играл этими вертолетиками...

А как вы на улице обороты померили? Прямо на видео на самом деле видно, или что-то хитрее?

Кроме изменения шага винта из-за эластичности материала, шаг винта меняется и при удалении от центра. При этом вклад разных концентрических зон ометаемых винтом изменяется с частотой. Какой из этого сделать вывод не знаю😅

Ответ:
Рост КПД (доля энергии на подъём вертолёта), очевидно, связан с ростом КПД крыла (которым является лопасть). При бОльшей скорости соотношение подъёмной силы и сопротивления становится более выгодным — что и приводит к обнаруженному эффекту.

Вообще я не понимаю ваш анализ. Я бы как минимум замерял не от начала, а от момента, когда вы его отпусаете, потому что иначе энергия потенциальная меряется от одной точки, вращательная от другой, ещё есть начальная вертикальная скорость, вобщем ничего непонятно.

А так - при достаточно малой скорости высота будет нулевая, и так посчитаный КПД при малых скоростях будет нулевой; как минимум такой эффект есть. В отсутствии ясности методики рассчётов лень проверять, достаточно ли этого эффекта.

Эмм, потому что трение о воздух вязкое? Т.е. чем быстрее двигается лопасть, тем меньше она перемешивает воздух и тем больше она работает как крыло?

Дык скорость то входит в аэродинамическую силу в квадрате, а в силу сопротивления воздуху как вязкое трение в 1 степени

Видимо при высокой скорости закрутки угол атаки падает позже и по этому кпд выше.

Я тоже на авиамодельном кружке делал такой летающий винт.

Про изменение угла атаки в зависимости от вертикальной скорости очень понравилась. И про измерение момента инерции

Частенько на данном канале выходят видео про аэродинамику, мне как студенту авиационного института это очень нравится

с детства не вспоминал про "муху" ))) ещё тогда хотел приделать маховик к палке но так и не реализовал задумку, изменилось бы что то? ..)

1984 год. На кордодроме в Тушино я нашел поломанный на концах самодельный углепластиковый винт от скоростной модели. Небольшого размаха и с огромным шагом. В авиамодельном кружке я, как смог, обрезал лохматые законцовки винта и отбалансировал его. Посадочный диаметр отлично подошел для корпуса от только-только появившихся тогда в продаже ручек BiC. Получившегося зверя я, конечно, потащил в техникум, где на переменках мы его запускали. Для раскрутки использовал примерно метр суровой нитки, в аккурат на размах руки. Ось пропеллера вставлялась в картонную трубку катушки ниток. Взлетал такой вертолёт громко шурша лопастями и очень высоко. До крыши четырехэтажного техникума точно поднимался.

Боже мой, я только на прошлой неделе закончил курсы на права пилота дрона, я 40 часов аэродинамику изучал и это в моем возрасте ! Ужас !

Большое спасибо, что напомнили детство! Мы пацанами делали винт из здоровенной жестяной банки из под селёдки. На стопятидесятый гвоздь деревянную катушку со штырьками, на катушку верёвку-пускач и винт. Крапиву рубил этот винт знатно...

Что-то непонятное. Вроде, по частям все разобрали, сложить не сумели. Пока винт создаёт тягу больше веса этой конструкции (не важно за счёт мотора или начальной приданной кинетической энергии вращения момента инерции) он летит вверх. Тяга стала меньше веса конструкции - вертолет перешёл в режим авторотации, где уже набегающий поток раскручивает винт, который создаёт аэродинамическое сопротивление падению. Мало того эта вся конструкция ща счёт вращающегося винта ещё и обладает "подъемной" силой как у крыла самолёта, поэтому вертолет к может спокойно совершать поступательное движение. А у вертолета вся физика отличается что ли от показанного здесь?

Возможно сдесь ситуация похове с маятником. Болше скорости и кинетической энергии в начале переходит в больше энергии пптенцялной.

Если бы как то сдержать вералет на постоянной высоте - больше энергии двогалобы воздух.

Не знаю как объяснить инерционнуюьсоставляющую. Но она как снаряд пушки. Ппдсыпать больше пороха - увеличится начальная скорость и снарад ппдлетит выше - увеличится потенял. Но инерця изменится немного. Считаем выстрел в вверх.

Массу винта мы не меняли. Размер тоже. Возможно потому же инерция мало изменилась.

Извините если это глупости. Я очень давно учился в школе и никаких формул не ппмэю уже.

Сппсибо за вашу работу

Потому, что подъемная сила пропорциональна квадрату скорости вращения, а сила сопротивления первой скорости вращения?

на видеозаписях экспериментов заметно, что вертушку Вы не только раскручиваете, но еще и подбрасываете, что тоже должно вносить вклад в mgh

Когда-нибудь дождусь, что лабу сделают с несколькими измерениями, среднеквадратичным отклонением, приведением коэффициента Стьюдента, с пакетом случайных, приборных и абсолютных погрешностей и тогда заживём! Почему взрослые увиливают от страданий, которые навязывают детям?😂
--
Если добрались до винтов, то есть интересный вопрос: почему производители коптеров для увеличения подъёмной силы используют многовинтовые схемы (6, 8, 12), вместо увеличения размеров и мощности 4-винтовой схемы? Почему производители вертолётов и вовсе используют одновинтовую схему?

Оптимизировать можно. Что бы дольше летел, увеличить инерцию можно, утяжелить винт - увеличится масса, тяжелее взлетать будет. Длина шнура раскрутки то же ограничение.

А почему он на разных скоростях вращения начинает падать? 17/22 Ведь его масса неизменна. Это погрешность измерений или какие-нить восходящие потоки?

Бросается в глаза следующие два момента.
1. Доля энергии, ушедшей "в воздух" примерно одинакова. И это логично, учитывая, что при малых углах атаки, аэродинамическое сопротивление не зависит от угла атаки, а аэродинамическое качество (соотношение подъемной силы и силы сопротивления остается постоянным).
2. Обороты, при которых вертолет пошел вниз, почти одинаковы (22 и 19). При этом начальные обороты отличаются в полтора раза. А учитывая, что энергия это квадрат оборотов, то разница в энергиях и того больше. То, что "конечные" обороты близки тоже логично. Из первого эксперемента видно, что при 27 об/сек, вертолёт ещё довольно резво взлетает. Наверное, при порядка 20, он окажется "уравновешен" и уж точно он не начнёт падать ранее, чем замедлится до этих самых 27.
Есть предположение, что при взлете, вертолет и правда делает рывок. Но и потом винт продолжает работать.
Более того, мы знаем, что при 27 оборотов, вертолет еще довольно резво набирает высоту. Значит, какими бы не были начальные обороты, в наивысшей точке, они будут не более 27. Иначе вертолёт будет взлетать, а не падать.
Итого.
Имеем потери на воздух, определяемые как постоянный процент от исходной энергии (читай, квадрата начальных оборотов).
И затраты энергии на собственно взлет, которые определяются уже разностью между квадратом начальной скорости вращения и квадратом скорости вращения в момент, когда вертолет начал падать. Последняя плюс минус постоянна.
Допустим, мы запустили вертолет со скоростью 20 об/сек. В итоге он вообще не взлетел, а лишь завис на короткий промежуток времени. Но свой процент "на воздух" потерял. А с ростом начальных оборотов, вертолет начинает немного подлетать. То есть, появляется какой никакой "кпд". И чем выше начальные обороты, тем бОльшая часть скорости (энергии) начального вращения пойдет на набор высоты.

Плотность воздуха?

Вроде как эпюра крыла должна была получиться, но не получилось...

Эх, помню в моём далёком детстве, когда мне было где-то лет 5-8 то был у меня пистолетик, выполненный в виде то ли ракеты то ли бластера, уже с трудом вспоминается.. так вот он как раз стрелял подобными "мухами". Такой винт на палочке имел если правильно вспоминается то пружинку и спираль которая при отпускании курка пистолета раскручивала вертолётик и он вылетая вперёд через дуло сначала вперёд, а потом поднимался вверх. наверное палка являлась и грузом, который разворачивал пропеллер к верху. Жаль, что этот пистолет где-то подевался ещё в детстве, то ли он поломался.. а найти его по интернету мне так и не удалось, как будто больше ни у кого такого не было, в чём я сомневаюсь.. Может у кого в детстве такой был, отзовитесь, хоть бы взглянуть на него, чтобы вспомнить как он выглядит и работает!)

Доля потенциальной энергии , в зависимости от скорости вращения , возрастает потому , что подъёмная сила увеличивается пропорционально кубу скорости ( в третьей степени ) , а кинетическая энергия , только , квадрату ( т.е. второй степени ) .

Когда измеряли КПД вертолётика, существенная ошибка за счёт подбрасывания его экспериментатором. Его б запускать не с рук, а с некого неподвижного кронштейна раскручивая дёргая за намотанную нить.

Тут дело идет только в давлении. Когда ротор делает некоторое движение в точке где он был создаеться некторое давление которое ускоряет его. А скорость будет постепенно уменьшаться. Ключевое слово постепенно. В таком случаи если мы знаем что лопости имеют высокую скорость и соответственно давление на воздух которая его поднимает, мы можем сделать вывод что чем сильнее его раскрутить то давление будем иметь большую силу. И потратит больше времени на остановку. В таком случае Большая скорость + ПОСТЕПЕННОЕ замедление, будет толкать вертолёт сильнее чем от слабого маха.
Либо простыми смолами Вложил больше энергии=Получил меньше > Вложил меньше=получил ещё меньше

Расскажите пожалуйста про режим авторотации. Я видел ролики где говорилось, что режим авторотации создается тем, что различные части винта имеют различные эффективные углы атаки - чем ближе к центру тем эффективный угол атаки больше. И в центральной части авторотирующего винта подьемная сила будет направлена частично вперед, раскручивая винт. А совсем близко к центру эффективный угол атаки такой большой, что происходит срыв потока и эта часть винта не дает никакой пользы.

Меня интересует вопрос: Кто-нибудь делает на авторотирующих винтах переменный профиль с различным углом в зависимости от расстояния до оси вращения, как, например, мы видим на пропеллерах? Как это будет влиять на режим авторотации?

Есть такое понятие, как КПД винта, в том плане, какая доля энергии передаётся с тягой поступательному движению аппарата, по отношению к общей энергии, часть которой идёт на разгон струи отбрасываемого воздуха.
Очевидно, что для неподвижно вращающегося винта этот КПД равен нулю, с ростом скорости поступательного движения он возрастает. Во втором случае средняя скорость подъёма больше - и КПД больше.

4-10 А про индуктивную скорость вы специально забыли упомянуть? Потому что если у вас лопасть имеет угол установки 11 градусов, то это совершенно не означает, что угол атаки лопасти будет 11 градусов. Винт, создавая подъемную силу, отбрасывает воздух вниз, поэтому на лопасти угол атаки будет существенно меньше.

В опыте на улице хорошо заметно, что вертолётик стартовал со вкладом в кинетическую энергию. Проще говоря помогли ему взлететь, подбросили

А вообще у вертолёта тем больше КПД чем быстрее движется поскольку на поддержание в воздухе тратится условно примерно один и тот же объём энергии, а чем больше остаётся на подъём, тем больше и остаётся на совемшение полезной работы

Чем болше енергии влияет на вертолетике тем болше верталетик набирает оборот и чем болше оборота тем болше подемная сила влияет на вертолетике