מס' משכים: 2
משך 1: תאוריה והתחלת בניה של המטוס.
משך 2: סיום בנית המטוס ובדיקה.
מטוס חשמלי – איך מדחף יוצר כוח דחף?
איך אפשר לגרום למטוס לנוע קדימה באמצעות מנוע קטן ומדחף?
בפעילות נבנה דגם של מטוס חשמלי בעל מנוע ומדחף, ונחקור כוח אחד מרכזי:
כוח הדחף – Thrust
כוח הדחף הוא הכוח שמניע את המטוס קדימה.
בדגם שלנו אפשר ממש לראות את הדרך שבה אנרגיה חשמלית הופכת לתנועה:
חשמל → מנוע מסתובב → מדחף מסתובב → אוויר נדחף לאחור → המטוס נדחף קדימה
מהו כוח דחף?
דחף הוא כוח שגורם לגוף להתקדם בכיוון מסוים.
במטוס שלנו, כוח הדחף נוצר באמצעות המדחף.
אבל חשוב להבין:
המנוע עצמו לא דוחף את המטוס קדימה.
המנוע מספק סיבוב.
המדחף משתמש בסיבוב הזה כדי להפעיל כוח על האוויר.
ורק אז נוצר הדחף שמניע את המטוס.
מה עושה המנוע החשמלי?
המנוע החשמלי ממיר:
אנרגיה חשמלית → אנרגיית תנועה סיבובית
כאשר זורם במנוע זרם חשמלי, כוחות מגנטיים בתוכו גורמים לציר המנוע להסתובב.
אל הציר הזה מחובר המדחף.
לכן ברגע שהמנוע מתחיל לפעול:
ציר המנוע מסתובב → המדחף מסתובב
למה צריך בכלל מדחף?
אם נחבר למנוע רק ציר מסתובב, נקבל סיבוב — אבל כמעט שלא נקבל כוח שמקדם את המטוס.
המדחף נועד לקיים אינטראקציה עם האוויר.
הוא תופס אוויר ומאיץ אותו לכיוון מסוים.
בדגם שלנו:
המדחף דוחף את האוויר לאחור.
וכאן מתחיל כוח הדחף.
המדחף אינו סתם חתיכת פלסטיק מסתובבת
אם מסתכלים מקרוב על להבי המדחף, רואים שהם אינם שטוחים לגמרי.
לכל להב יש:
צורה מיוחדת.
זווית.
כיוון התקנה.
הזווית הזאת מאפשרת ללהב, בזמן הסיבוב, לדחוף אוויר לאחור.
אפשר לחשוב על המדחף כמו על בורג שמסתובב בתוך האוויר.
כאשר הוא מסתובב, הוא "תופס" את האוויר ומעביר אותו לאחור.
החוק השלישי של ניוטון
כאן נמצא אחד הרעיונות החשובים ביותר במערך.
ניוטון ניסח עיקרון פשוט:
לכל פעולה קיימת תגובה שווה בגודלה והפוכה בכיוונה.
במטוס שלנו:
פעולה:
המדחף מפעיל כוח על האוויר ודוחף אותו לאחור.
תגובה:
האוויר מפעיל כוח על המדחף בכיוון ההפוך — קדימה.
מכיוון שהמדחף מחובר למנוע והמנוע מחובר למטוס:
כל המטוס נדחף קדימה.
אוויר לאחור – מטוס קדימה
זה המשפט החשוב ביותר במערך:
המדחף דוחף אוויר לאחור, והאוויר דוחף את המטוס קדימה.
אפשר אפילו לבדוק זאת ביד.
כאשר המנוע פועל, נרגיש זרם אוויר בצד שבו המדחף שולח את האוויר.
אם האוויר נע לאחור, כוח הדחף על המטוס פועל קדימה.
למה כיוון הסיבוב של המדחף חשוב?
מדחף בנוי לעבוד בכיוון מסוים.
אם נסובב אותו בכיוון המתאים, זווית הלהבים תדחוף את האוויר בכיוון שתוכנן.
אבל אם נשנה את כיוון הסיבוב, כיוון זרימת האוויר יכול להשתנות או שהמדחף יעבוד בצורה פחות יעילה.
לכן בדגם חשוב:
גם כיוון ההתקנה של המדחף וגם כיוון סיבוב המנוע.
מה יקרה אם נהפוך את חיבורי המנוע?
במנוע DC פשוט, אם הופכים את הקוטביות של החיבור החשמלי, בדרך כלל גם כיוון סיבוב המנוע מתהפך.
ואז אפשר לבדוק:
האם זרימת האוויר שינתה כיוון?
ומה קרה לכיוון שבו המטוס רוצה לנוע?
זה ניסוי מצוין להבנת הקשר:
כיוון הסיבוב → כיוון זרימת האוויר → כיוון הדחף
האם מדחף מהיר יותר יוצר יותר דחף?
ככל שהמדחף מסתובב מהר יותר, הוא יכול להעביר יותר תנע לאוויר בכל יחידת זמן.
בדרך כלל הדבר מאפשר ליצור דחף גדול יותר.
אבל מהירות הסיבוב אינה הדבר היחיד שקובע.
גם:
גודל המדחף.
צורת הלהבים.
זווית הלהבים.
מספר הלהבים.
עוצמת המנוע.
משפיעים על כמות הדחף.
לכן בעולם התעופה מתאימים את המדחף למנוע ולכלי הטיס.
מדחף גדול יותר תמיד טוב יותר?
לא בהכרח.
מדחף גדול יכול להזיז כמות גדולה יותר של אוויר, אבל הוא גם דורש מהמנוע יותר כוח כדי לסובב אותו.
אם המדחף גדול או כבד מדי ביחס למנוע, המנוע עלול להסתובב לאט יותר.
לכן שוב אנחנו מגיעים לעיקרון הנדסי חשוב:
צריך התאמה בין המנוע למדחף.
לא תמיד "גדול יותר" פירושו "טוב יותר".
מה קורה אם מורידים את המדחף?
זה ניסוי מחשבתי חשוב.
המנוע ימשיך להסתובב.
הציר יסתובב.
אבל לא יהיה להב משמעותי שדוחף כמות גדולה של אוויר לאחור.
לכן:
כמעט שלא ייווצר כוח דחף שימושי למטוס.
מכאן לומדים:
המנוע יוצר סיבוב. המדחף ממיר את הסיבוב לדחף.
למה לדגם יש גלגלים?
הדגם שלנו נע על משטח.
כוח הדחף פועל קדימה, והגלגלים מאפשרים למטוס להגיב לכוח הזה ולהתחיל להתגלגל.
כך אנחנו יכולים לראות את כוח הדחף בפעולה, אפילו בלי להטיס את הדגם.
כאשר המדחף מתחיל להסתובב:
האוויר נע לאחור → הדגם מתחיל להתקדם קדימה.
חוזרים לדגם שהתלמידים בונים
במצגת חובה להשתמש בתמונת המקור של הדגם שהתלמידים בונים בפועל.
על התמונה כדאי לסמן:
מקור החשמל
↓
המנוע החשמלי
↓
ציר המנוע
↓
המדחף
↓
אוויר לאחור
↓
כוח דחף קדימה
אפשר להוסיף שני חצים גדולים בכיוונים הפוכים:
← אוויר
מטוס →
כך החוק השלישי של ניוטון הופך למשהו שהתלמיד רואה ממש בתוך הדגם שלו.
ניסוי 1 – לאיזה כיוון האוויר נע?
מפעילים את המדחף בצורה בטוחה.
לפני ההפעלה שואלים:
לאיזה כיוון לדעתכם ינוע האוויר?
לאחר מכן מרגישים בזהירות את זרימת האוויר מאחורי המדחף.
השאלה הבאה:
אם האוויר נע לאחור – לאיזה כיוון פועל כוח הדחף על המטוס?
התשובה:
קדימה.
ניסוי 2 – כיוון הסיבוב
בודקים את כיוון סיבוב המדחף ואת כיוון זרימת האוויר.
אם הדגם מאפשר להפוך את חיבורי המנוע, משנים את כיוון הסיבוב ומשווים.
מה השתנה?
כיוון סיבוב המדחף?
כיוון זרימת האוויר?
כיוון הדחף?
ניסוי 3 – מהירות המדחף
אם ניתן לשנות את מהירות המנוע, משווים בין:
סיבוב איטי
לבין
סיבוב מהיר
לפני הניסוי התלמידים מנבאים:
באיזה מצב זרימת האוויר תהיה חזקה יותר?
באיזה מצב המטוס יתחיל לנוע מהר יותר?
ניסוי 4 – עם ובלי מדחף
שאלת חיזוי:
מה יקרה אם המנוע יסתובב אבל לא יהיה מחובר אליו מדחף?
אפשר להשוות בין המנוע המסתובב לבדו לבין המנוע עם המדחף.
המסקנה:
סיבוב לבדו אינו מספיק.
צריך מנגנון שיפעיל כוח על האוויר.
ניסוי 5 – מסלול הדחף
מניחים את המטוס בנקודת התחלה קבועה.
מפעילים את המנוע ובודקים:
כמה רחוק הוא מתקדם בזמן קבוע?
אפשר לבצע כמה ניסיונות ולבדוק האם מתקבלת תוצאה דומה.
המטרה היא לראות כיצד אותו כוח דחף יוצר תנועה שאפשר למדוד ולצפות בה.
אתגר מהנדסי – מי יוצר יותר דחף?
לפני כל ניסיון כותבים השערה.
אפשר לבדוק:
מה יקרה כאשר המדחף מסתובב מהר יותר?
מה יקרה אם כיוון הסיבוב מתהפך?
מה יקרה אם המדחף מותקן הפוך?
האם המנוע לבדו יכול להזיז את המטוס?
לאיזה כיוון זורם האוויר כאשר המטוס מתקדם קדימה?
והכי חשוב:
איך החוק השלישי של ניוטון מסביר את מה שראינו?
סדר העבודה:
השערה → ניסוי → תצפית → מסקנה
המסר המרכזי של השיעור
המנוע החשמלי יוצר סיבוב. המדחף משתמש בסיבוב כדי לדחוף אוויר לאחור. לפי החוק השלישי של ניוטון, האוויר מפעיל על המדחף כוח בכיוון ההפוך – קדימה. הכוח הזה הוא כוח הדחף שמניע את המטוס.
מהו דחף → מנוע חשמלי → מדחף → צורת הלהבים → אוויר לאחור → החוק השלישי של ניוטון → דחף קדימה → כיוון סיבוב → הדגם שהתלמידים בונים → ניסויי דחף → אתגר פעיל.
הארה בפייסבוק
