Вертолёт «Муха»: физика полёта

Вертолёт "Муха" — это игрушка, состоящая из пропеллера и палочки. При запуске он подлетает вверх на несколько метров. Удивительным образом тяга пропеллера при таком запуске остаётся практически постоянной, хотя скорость его вращения уменьшается в несколько раз. Это происходит из-за подстройки угла атаки, компенсирующей уменьшение скорости вращения.

Ключевые слова: воздушный пропеллер, угол атаки, аэродинамическая сила, подъёмная сила, теория полёта.

Благодарим вас за интерес к нашей работе!

Новосибирский Государственный Университет
Физический факультет НГУ

[antongoncharuk]

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

[otonochogames]

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.

[ВасилийКуралесов-хш]

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

[Aleksio]

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

[waaaghtech]

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.

[SerNerey]

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

[alexeustace]

Лет 40 назад выпускалась такая детская игрушка в виде пластмассового пистолета, внутри ствола была пружина, , внутрь которой вставлялся похожий пропеллер (только лопасти были не открытые, а внутри обода). При взводе механизма пружина проворачивалась на своей оси, а затем при нажатии курка резко освобождалась и пропеллер взлетал высоко...

[СергейИванов-йфк]

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.

[Дмитрий-щщя]

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...

[Pubvoice]

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!)

[ИванИванов-бдф]

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😢

[Totsam]

Полезная штука и приятная 👍
Спасибо большое за выпуск

[АндрейДубинин-хщ]

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...

[SeduSYTB]

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.

[КонстантинСергиенко-яя]

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.

[Хозяйство-нй]

На бумажных кольцах висит планка. Если по планке резко ударить, то она сломается. Если на планку плавно нажать, то разорвутся кольца. Возможно есть некоторая аналогия между поведением планки и движением пропеллера. Если пропеллер резко отбрасывает воздух, то в движение вовлекается только воздух, который находится вблизи от пропеллера. Это движение воздуха является более направленным. Если пропеллер более плавно отбрасывает воздух, то в движение вовлекается и воздух, который находится дальше от пропеллера. По этой причине движение воздуха становится более хаотичным. Отсюда более низкая эффективность работы пропеллера.

[detoutsurtout]

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

[ДмитрийСергеев-кз]

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

[Aleksio]

Я тоже на авиамодельном кружке делал такой летающий винт.

[dmytromykhailiuta]

Я такое делал на авиамодельном кружке :) Коассно летает если винт с липы или березы. Пластиковый слишком тяжелый.