Какие бывают воздушные змеи

Кто из вас не запускал воздушного змея? Но все ли знают, какие они бывают? Когда появились?

...Впервые воздушный змей поднялся в небо 25 веков назад. В то время никто не мог объяснить, почему взлетает змей и какие силы действуют на него в полете.

Вначале змеи запускали для забавы, увеселений. В странах Востока, например, устраивались битвы воздушных змеев. В небо запускали двух змеев, предварительно смазав клеем и посыпав толченым стеклом бечевки, удерживающие их на привязи. Победителем считался тот, кому пepвому удавалось перепилить бечёвку противника.

Позднее воздушные змеи стали использовать и для научных целей. В своих опытах по изучению атмосферного электричества американский физик Бенджамин Франклин использовал очень большие воздушные змеи. Подъемная сила некоторых из них была настолько велика, что ученому с трудом удавалось удерживать их на привязи. Воздушные змеи помогли Франклину доказать электрическое происхождение молнии, установить наличие двух зарядов положительного и отрицательного- и проверить идею молниеотвода.

А в конце прошлого века и начале нынешнего воздушные змеи широко применялись и для метеорологических исследований. С их помощью ученые поднимали приборы на высоту более 1000 м и измеряли скорость ветра, температуру и влажность воздуха, атмосферное давление...

В наше время интерес к воздушным змеям тоже не потерян.

Творческая мысль изобретателей многих стран рождает все новые и новые конструкции воздушных змеев: дископланов, махолётов и т. д.

На этой страничке мы расскажем о двадцати трех змеях. В нашей подборке есть и простые, нетрудоёмкие модели, есть и посложнее. Среди них нет двух одинаковых: все змеи отличаются друг от друга либо своими лётными качествами, либо конструкцией, либо технологией изготовления.

Любой воздушный змей из этой подборки можно сделать в домашних условиях из подручных материалов. Специально для начинающих моделистов мы отобрали четыре конструкции. О них мы рассказываем более подробно (на рисунке они объединены).

Итак, воздушные змеи...

ВОЗДУШНЫЕ ЗМЕИ ПРОСТЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Это бумажные модели для начинающих. Одни можно сделать за час-два, а другие - всего за несколько минут. Такие змеи хорошо летают и не требуют сложного управления. Итак, сначала...

Бумажные птички

Опыт многих исследователей показал, что изогнутая поверхность воздушного змея обладает большей подъемной силой и устойчивостью, чем такая же по размеру, но плоская.

Простейшие воздушные змеи американского инженера Раймонда Ниннея удивительно похожи на маленьких птичек. Они хорошо летают, демонстрируя в полете отличную устойчивость. На рисунке 1 их несколько (см. а, б, в). Всего за две-три минуты изобретатель вырезает из плотной бумаги или тонкого картона, шпона, фольги прямоугольник (соотношение сторон 4:5) и сгибает из него птичку. Затем прикрепляет к корпусу в одном или двух местах уздечку - и змей готов. Таким способом можно делать модели любых размеров - все зависит от прочности материала.

Следующая конструкция (рис. 2а) разработана американским изобретателем Даниэлем Карьяном. Не правда ли, она чем-то напоминает птичек Ниннея? Обратите внимание, что этому змею жесткость придает каркас, собранный из сосновых или еловых палочек, и замкнутые в полукольцо крылья. Для обшивки каркаса автор предлагает использовать ткань: шелк, саржу, тонкое полотно. Желающие могут поэкспериментировать с двух- или трёхкрылой конструкцией. Изобретатель считает, что, если на длинный стержень прикрепить несколько геометрически подобных крыльев, получится очень забавный воздушный змей (рис. 2б).

И птички Раймонда Ниннея, и змеи Даниэля Карьяна будут летать даже в больших комнатах и коридорах, но с одним условием: запускающий их человек должен перемещаться с постоянной скоростью.

Плоские воздушные змеи

Сначала все воздушные змеи снабжались мочальными хвостами. Но... Как-то раз канадский метеоролог Эди, много занимавшийся воздушными змеями, обратил внимание, что жители одной малайской деревеньки пускали бесхвостых змеев неправильной четырехугольной формы. Наблюдения помогли метеорологу сконструировать свой воздушный змей, который вы видите на рисунке 3. Этот четырехугольник с попарно равными сторонами напоминает параллелограмм. Такая фигура получается, когда складывают основаниями два треугольника, из которых один, АВД, - равносторонний, а другой, АСВ, - равнобедренный, причем АВ:СД как 4:5. Сторона АВ по концам стянута металлической струной чуть меньшего размера. Поэтому она слегка выгнута. Уздечка прикреплена в точках О и Д, а ткань (обшивка) натянута в верхней части, где образует две небольшие складки. Под действием ветра змей выгибается и приобретает форму тупого клина. В полёте его передние кромки как бы отбрасывают набегающий поток воздуха в обе стороны, поэтому змей устойчив.

Спустя сорок лет англичанин Г. Ирвин улучшил конструкцию Эди (рис. 4).

Известно, что срыв потока воздуха за передней кромкой приводит к образованию области завихрений над тупоугольным змеем. В результате при порывистом ветре устойчивость нарушается. Ирвин сделал просто - он вырезал в обшивке два треугольных окна, и набегающий поток стал устремляться в эти окна. Положение змея в полете стабилизировалось.

Модель, изображенная на рисунке 5, предложена французом А. Милье. Она состоит из деревянной рейки АВ, стянутой струной в дугу (хорда АВ составляет 9/10 длины рейки). В точках О и О₁ к рейке крепятся две одинаковые планки СД и EF (АО₁ = ОВ = 0,2 * АВ). Подобно рейке АВ, планки тоже стянуты струной в дугу и образуют в плане равносторонний шестиугольник. Концы всех реек скреплены еще одной струной, проходящей через вершины шестиугольника.

Воздушный змей, который вы видите на рисунке 6, хорошо известен в Корее. Его четырехугольная рама, склеенная из бамбуковых палочек, обтянута тканью. Если размер двух сторон принять равным 800 мм, а двух других - 700 мм, то диаметр отверстия посередине должен быть 300 мм.

Посмотрите на рисунок 7. Эту модель воздушного змея, похожего на хищную птицу, придумал американец Сэнди Ланга. Изобретатель впервые попробовал испытать на ней принципы полета, заимствованные у природы. Фюзеляж и хвостовое оперение Ланга сделал из одной деревянной рейки. С одного конца он расщепил её, а в отверстия деревянной втулки вставил круглые рейки несущих крыльев. Расщепленную часть хвоста, концы крыльев и нос связал толстой леской - получилась очень гибкая конструкция. А рейки крыльев еще и подрессорил резиновыми амортизаторами. Воздушный змей Ланга чутко реагирует на малейшие порывы ветра. В полете он, словно бабочка, взмахивает крыльями, меняя тем самым и величину подъемной силы, и силу сопротивления, и устойчивость.

Коробчатые воздушные змеи

На рисунке 8 изображен один из вариантов коробчатого змея, В полёте он устойчив, потому что его несущие плоскости ориентированы к набегающему потоку под оптимальным углом атаки (подъемная сила, возникающая на них, больше). Кроме того, поперечное сечение его может быть не только квадратным, но и ромбическим. Для ромбического отношение между вертикальной и горизонтальной диагоналями равно 2:3. Глубина коробки составляет 0,7 длины большей стороны змея.

Каркас состоит из четырёх продольных и четырёх распорных реек прямоугольного сечения. На рисунке показано, как соединяются распорка с продольной рейкой.

А вот русский изобретатель Иван Конин предложил конструкцию коробчатого змея, несколько напоминающего самолёт. У него два крыла (рис. 9). Благодаря им змей быстрее поднимается вверх, сохраняет устойчивость в полете и не опрокидывается при внезапных боковых порывах ветра.

ВОЗДУШНЫЕ ЗМЕИ СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

И по конструкции, и по использованию материалов, и по времени изготовления эти летательные аппараты отличаются от предыдущих. Они более современны и сложны. Но, наверное, тем приятнее будет опытным моделистам повозиться с ними: разобраться в схеме, понять принцип полёта, уловить некоторые особенности.

На реактивной тяге

Многие из вас, вероятно, наблюдали, что, если река широко разливается, скорость ее течения становится значительно меньше. И наоборот: в узком месте скорость потока резко увеличивается. В воздухе, как и в воде, тоже действует этот физический закон. Попробуйте направить воздушный поток в широкий конец конической трубы (суживающийся диффузор), и вы увидите, как изменится скорость воздуха: на выходе она будет больше, чем на входе. Чтобы на практике получить реактивную тягу (а именно так можно расценить изменение скорости потока в трубе), требуется одно условие: закрепить диффузор на большой пластине.

Когда плоский змей находится в воздухе, под ним создается зона повышенного давления, а над ним - пониженного. Под влиянием разности давлений поток воздуха врывается в диффузор и проходит по трубе. Но диффузор конический, поэтому скорость выходящего потока будет больше входящего (вспомним реку). Значит, диффузор работает как реактивный двигатель.

На рисунке 1 вы видите воздушный змей англичанина Фредерика Бенсона, в конструкции которого использован эффект диффузора. Изобретатель утверждает, что реактивная тяга не только увеличивает скорость подъема воздушного змея, но и придаст ему дополнительную устойчивость в полёте.

Устроен реактивный змей довольно просто. Две прямоугольные поперечины скреплены в центре крест-накрест и связаны по краям прочной нитью. На этот каркас установлен согнутый из плотной бумаги или фольги диффузор. Обшивка обычная: бумага, ткань...

По принципу АВП

Известно, что аппараты на воздушной подушке (АВП) приподнимаются благодаря разности давлений: под днищем давление всегда больше, чем сверху. А устойчивость аппарата создается особым устройством, равномерно распределяющим поток воздуха по всему периметру.

Американский инженер Франклин Белл доказал, что и в воздухе могут летать аппараты, подобные АВП. Фантазия? Нет. Модель воздушного змея - тому свидетель (рис. 3).

Гладкие днище и борта, небольшой киль, плавные обводы корпуса - сложная конструкция. Но зато набегающий поток воздуха без срывов и завихрений обтекает корпус и легко поднимает змей. Нетрудно заметить, что эти аэродинамические преимущества эффективны не только при наборе высоты. Загнутые борте корпуса неплохо стабилизируют положение змея в воздухе на большой высоте. И последнее. Приглядитесь: не превда ли, в продольном сечении модель чем-то непоминает быстроходную моторную лодку?

Взлетает... парашют

Принято считать, что на парашюте спускаются только вниз. Поднимать человека вверх, даже в восходящем потоке, парашют не может. Но группа польских инженеров попыталась опровергнуть это мнение. Они доказали, что при некоторых условиях парашют может подниматься вверх.

Вспомним знакомую с детства игру. Если на маленький парашютик - семечко одуванчика - подуть снизу, он поднимется вверх. Конечно, сравнивать одуванчик и современный парашют можно лишь условно - вертикально восходящую струю воздуха польские изобретатели создают мощными вентиляторами. Но ведь и обычный ветер нельзя сбрасывать со счетов, утверждает американец Джек Кармен и предлагает свою конструкцию - змей-парашют (рис. 4).

Воздушный поток ударяет в слегка наклоненный купол парашюта и поднимает его вверх. Конструктивно модель ничем не отличается от известных детских игрушек-парашютиков. Но есть и отличия. Например, для стабилизации полета к змею-парашюту прикреплен хвост, а в центре под куполом закреплена телескопическая трубка. Она служит одновременно и жёстким каркасом, и регулятором положения центра тяжести модели.

В полёте диск

Неплохую устойчивость в полёте аппарат приобретет в том случае, если придать ему форму диска. Один из вариантов летающего диска представлен на рисунке 2 (см. выше). Модель очень похожа на два невысоких конуса, сложенных вместе. Но конусы плохо будут летать, считает изобретатель Вильбур Бодель из Швейцарии, поэтому он дополняет конструкцию килем, а также небольшим грузиком, смещающим центр тяжести вниз (таким образом увеличивающим устойчивость аппарата), и отверстием в нижней части обшивки. Но для чего нужно это отверстие?

На высоте ветер дует сильнее, чем у земли. А это значит, что изменяется не только его скорость, но и давление. Нельзя ли использовать перепады давления для создания дополнительной реактивной тяги? Оказывается, можно. При сильном порыве ветра внутренняя полость воздушного змея заполняется несколько большим количеством воздуха. Значит, внутри змея создается избыточное давление. Когда же порыв ослабевает, давление снаружи падает и воздух изнутри устремляется через отверстие в обшивке наружу. Возникает хоть и слабая, но реактивная струя. Она-то и создает дополнительную подъемную силу. Характерной особенностью этого змея является то, что его можно запускать и ночью. Для этого вместо грузика Бодель устанавливает миниатюрный фонарик с отражателем, лампочкой и батарейкой напряжением 1,5 В.

На рисунке "Вид сбоку" видно, что каркас змея собран из множества реек, жестко скрепленных между собой. Обратите внимание на характерные узлы, связывающие рейки с наружным кольцом-ободом, ступицей и килем.

А вот у дисколёта французского инженера Жана Бортье уже три киля. Он хорошо взлетает, плавно маневрирует в воздухе, даже при большом ветре, и неподвижно висит на привязи при слабом. Расскажем поподробнее, как его сделать (см. рисунок "ЗМЕЙ-ДИСК").

Как и у многих других змеев, каркас его набирается из тонких деревянных реек, скрепляется проволочным ободом и обтягивается тонкой бумагой. Итак, все по порядку.

Подготовьте для каркаса четыре ровные рейки сечением 3x3 мм, сложите их вместе, как показано на рисунке "Вид сверху", склейте в центре, свяжите нитками и промажьте клеем. По периметру каркаса согните обод из стальной проволоки диаметром 0,4-0,5 мм и привяжите его нитками с клеем к концам реек (см. рис.). Концы обода соедините вместе и обмотайте нитками с клеем. Удобнее всего их состыковать спереди, в районе центральной рейки "а". Если у вас не найдется подходящей проволоки, то сделайте обод из толстой нити. Не забудьте ее приклеить к рейкам.

Обтяните диск и кили папиросной или газетной бумагой. К диску обшивку приклеивайте снизу - это заметно уменьшит сопротивление модели. Но можно бумагу накладывать и сверху. Правда, тогда обшивку придется приклеивать ко всем рейкам и ободу, иначе сильный порыв ветра сорвет ее.

На нижней поверхности диска установите три киля (можно обойтись и одним-двумя, но тогда размеры килей придётся увеличить). Ободья килей проще всего изготовить из тонких бамбуковых или сосновых реек - эти материалы легко сгибаются, и вы сможете получить плавные обводы.

Если вы захотите сделать большой змей, то не забудьте укрепить его каркас еще двумя-тремя рейками.

К готовому змею привяжите уздечку - три короткие нити. Они удерживают модель под необходимым углом атаки. Центральную нить уздечки разрежьте пополам и свяжите ее концы с резиновым кольцом-компенсатором. Это кольцо, растягиваясь при сильных порывах ветра и неожиданных рывках, снимает часть нагрузки с каркаса. К уздечке привяжите леер. Для небольшого змея подойдут суровые нитки (кордовая леска). Готовую модель испытайте.

Как мы уже говорили, змей-диск можно запускать даже при слабом ветре. А если его вообще нет, попробуйте запустить модель, буксируя за собой на бегу.

Будьте готовы к любым неожиданностям. Если змей вдруг полетит петлями или начнет резко снижаться, не мешкая выпустите леер из рук - при ударе о землю модель не сломается. Поднимите змей и внимательно осмотрите его; исправьте перекосы; если нужно, уменьшите угол атаки (увеличьте длину центральной бечёвки) и запустите змей снова. Если он не поддается регулировке, значит, неисправимо перекошена плоскость диска. Попробуйте прицепить к модели хвост из полоски бумаги, или пучка нитей длиной метр-полтора, или из комочка бумаги на нитке.

Вместо каркаса... воздух

Многие изобретатели для изготовления своих моделей используют не рейки и бумагу, а... воздух.

Посмотрите на рисунок 5. Это надувной воздушный змей канадского изобретателя Поля Рассела. На рисунке он только внешне выглядит сложным. На самом деле очень прост: два листа воздухонепроницаемого материала - это все, что потребовалось Расселу для изготовления модели. Продольные и поперечные швы-спайки делят внутренний объем на несколько связанных между собой надувных полостей. Швы придают всей конструкции необходимую объемную прочность. И еще. Надутый корпус не имеет острых выступающих кромок. А это значит, что на поверхности надувного змея не возникнет завихрений, и поэтому модель будет устойчива в полете. Но сделать такой змей нелегко - требуются определенные условия в работе.

Надувной змей финского инженера С. Кетолы (см. рисунок) намного легче в изготовлении.

Кажется, можно ли придумать проще? Взял два куска полиэтиленовой пленки, сварил их по краям и в середине горячим утюгом или паяльником - и змей готов. Но многие ли из вас умеют сваривать пленку так, чтобы швы получались герметичными? Начинающих моделистов заранее предупреждаем: операция эта не из легких. Прежде чем браться за изготовление змея, попробуйте проварить несколько швов на каком-нибудь полиэтиленовом пакете и испытайте их на герметичность. Пользуйтесь утюгом с регулятором температуры или можете воспользоваться Специальным приспособлением для сварки полиэтиленовой пленки. Не забудьте перед сваркой обезжирить полиэтиленовые заготовки.

По размерам, указанным на рисунке, выкройте из пленки две заготовки. Сложите их вместе и, отступив от края на 10-15 мм, медленно проведите краем горячего утюга или паяльником по всему периметру заготовок. В трех местах получившегося шва: по бокам - внизу и сверху в любом месте - оставьте маленькие отверстия. Через них вы будете накачивать змей. Затем сварите заготовки по диагоналям. И чтобы вы были спокойны за герметичность швов, края заготовок оплавьте на огне свечи. Делайте это в приспособлении, которое показано на рисунке.

Для крепления уздечек и хвоста прожгите в швах шесть отверстий диаметром 1-2 мм. Делайте это сильно негретым гвоздем или кончиком пламени свечи.

Готовую модель надуйте и заварите свечой отверстия в наружном шве или, сложив края обшивки вдвое, скрепите их канцелярскими скрепками, предварительно смочив отверстия водой или смазав техническим маслом.

Когда научитесь делать небольшие надувные змеи, попробуйте изготовить и запустить большую модель - метровую или двухметровую. Только хватит ли у вас сил удержать ее?

Змей-вертолёт

Перед вами модель (рис. 7). Но какая? "Вертолет", - вероятно, подумают одни из нас, увидев роторы. "Воздушный змей", - скажут другие, подметив у модели уздечку и леер.

Правы и те и другие, считает автор изобретения американец Эл Вайтхэстом. Модель удачно сочетает в себе свойства вертолета и воздушного змея. В этом легко убедиться, если проследить, как она взлетает.

Набегающий поток воздуха ударяет в плоскость змея (в данном случае - ротор), возникает подъемная сила, и модель поднимается вверх. Так могло бы быть, если бы ротор стоял на месте. Но ведь он вращается, а это значит, что на его лопастях тоже возникает подъемная сила. Следовательно, в полёте змей получает дополнительный импульс энергии, толкающий модель вверх. Как видите, преимущества по сравнению с другими типами воздушных змеев налицо.

Трех-роторный змей-вертолет сделан в Бразилии Р. Фьюгэстом (см. рисунок "ЗМЕЙ-ВЕРТОЛЕТ"). На наш взгляд, модель бразильца наиболее интересная из подкласса летательных аппаратов вертолетного типа. У этого змея три ротора: два несущих и один хвостовой. Несущие роторы, вращаясь в разные стороны, создают подъемную силу, а хвостовой - стабилизирует положение модели при взлете и удерживает ее на высоте. Конструкция змея предельно проста.

Каркас собирается из двух продольных, склеенных под углом, и двух поперечных реек. Рейки склеиваются между собой и для большей жёсткости укрепляются нитками с клеем. На поперечной рейке устанавливаются несущие роторы, на продольных - хвостовой. Чтобы все роторы легко вращались, их насаживают на проволочные оси.

Изготовление роторов - наиболее ответственная операция. Склеивать детали надо аккуратно, не торопясь. От того, насколько удачно вы сделаете ротор, зависит подъемная сила змея.

Мы предлагаем вам два варианта роторов, но их может быть и больше. Попробуйте сами сконструировать ротор. Испытайте его в деле. А пока расскажем о тех, которые показаны на рисунке.

Первый вариант. Такой ротор больше всего подходит для крупных моделей. Змей с четырьмя, шестью или восемью лопастями неплохо взлетает и хорошо держится на высоте. Делается ротор так.

Склейте две сосновые или бамбуковые рейки крест-накрест и обшейте их ватманом либо липовым (березовым) шпоном. В центре ротора с обеих сторон наклейте по шайбе из тонкой фанеры, шпона или целлулоида и просверлите сквозное отверстие для оси.

Второй вариант. Этот ротор напоминает детскую вертушку. Он хорош для небольшого легкого змея.

Собирается такой ротор из тонких бамбуковых реек (сечением 3x3 мм - в центре и 1,5x1,5 мм - на концах), папиросной или газетной бумаги, двух шайб (шпон, целлулоид) и прочной нити. Склейте рейки между собой, как показано на рисунке, и подтяните нитями их концы к основанию лопастей.

Змей или вертушка?

Наблюдая за полётом артиллерийского снаряда, Густав Магнус обнаружил странное явление: при боковом ветре снаряд отклонялся от цели вверх или вниз. Возникло предположение, что здесь не обходится без аэродинамических сил. Но каких? Ни сам Магнус, ни другие физики не могли это объяснить, И может быть, поэтому практического применения эффект Магнуса долго не находил. Первыми нашли ему применение футболисты, хотя и не знали о существовании этого эффекта. Наверное, каждый мальчишка знает, что такое "сухой лист", и наслышан о мастерах этого удара: Сальникове, Лобановском и других.

Сегодня физика эффекта Магнуса объясняется просто (об этом см. "Юный техник", 1977, № 7). Сейчас существует даже целый самостоятельный подкласс воздушных змеев, принцип полета которых основывается на эффекте Магнуса. Один из них перед вами (см. рис. 6). Его автор американский изобретатель Джой Эдвардс, Этот змей чем-то напоминает вертушку. В полёте корпус змея, как и артиллерийский снаряд, за которым наблюдал немецкий физик, вращается вокруг своей оси. При этом крылья-лопасти преобразуют напор ветра в подъемную силу, а устойчивость змей сохраняет за счет симметричного обтекаемого корпуса и круглого киля.

Устроен змей так. Центральный стержень прямоугольного сечения, круглый киль и крылья-лопасти образуют достаточно прочный корпус, который вращается на двух осях, закрепленных на торцах стержня. Ушки и уздечка связывают корпус с леером. Следует подчеркнуть, что воздушные змеи этого типа - почти не тронутая область изобретательского творчества.

А теперь попробуйте сделать модель, которую придумал американец С. Альбертсон (см. рисунок "ЗМЕЙ МАГНУСА"). Принцип действия Змея Магнуса (так автор называет свою модель) хорошо виден из рисунка.

Полуцилиндры, закрепленные на рейках и закрытые с торцов дисками, под напором набегающего потока воздуха вращаются вокруг своих осей. Если за эти оси зацепить уздечку и привязать их к лееру, то аппарат легко взлетит.

Змей состоит из каркаса с осями, двух полуцилиндров, четырех полудисков и уздечки. Каркас набирается из четырех продольных и двух поперечных реек (сосна, бамбук). С него и начните.

Склейте рейки между собой, а места соединений плотно обмотайте нитками с клеем. Концы центральных продольных реек согните на паяльнике, как показано на рисунке, склейте и свяжите нитками. Затем закрепите на них проволочные оси (крепление такое же, как и у змея-вертолета). За эти же оси привяжите и уздечки.

Полуцилиндры согните из ватмана и приклейте их к продольным рейкам каркаса. В последнюю очередь на каркасе установите кили. (Каждый из них составлен из двух полудисков.) Приклейте их на поперечные рейки изнутри так, чтобы планки оказались снаружи.

Итак, вы построили и испытали в полете змей Магнуса. Что же дальше? Попробуйте поэкспериментировать с этим летательным аппаратом. Например, увеличьте размеры полуцилиндров и корпуса змея. Или сделайте летающую гирлянду из нескольких змеев (см. рис.). Испытайте модель.

Авторы: В. ЗАВОРОТОВ, А. ВИКТОРЧИК

Содержание

Составитель. Патлах В.В.
http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.