פוליסטיסן
טיסן מפוליסטירן מוקצף ללימוד על כוח עילוי ומרכז כובד.
פוליסטיסן – איך גורמים לטיסן לטוס?
נושא השיעור
תעופה, אווירודינמיקה, כוח העילוי, מרכז הכובד, יציבות בטיסה והשפעת חלוקת המשקל על כלי טיס.
מטרות השיעור
בסיום השיעור התלמידים:
-
יכירו את ארבעת הכוחות המרכזיים הפועלים על כלי טיס.
-
יבינו כיצד כנף מסייעת ביצירת כוח עילוי.
-
יבינו מהי זווית התקפה ומהי הזדקרות.
-
יבינו מהו מרכז הכובד ומדוע מיקומו חשוב ליציבות כלי הטיס.
-
יכירו את הקשר בין חלוקת משקל לבין התנהגות המטוס באוויר.
-
יבינו כיצד משטחי הזנב משפיעים על יציבות וכיוון הטיסה.
-
יבנו טיסן פשוט מפוליסטירן ויבחנו באמצעותו עקרונות אמיתיים מעולם התעופה.
איך מטוס בכלל מצליח לטוס?
כאשר מטוס או טיסן נע באוויר פועלים עליו ארבעה כוחות עיקריים:
משקל – Weight
כוח הכבידה של כדור הארץ מושך את המטוס כלפי מטה.
ככל שמסת המטוס גדולה יותר, כוח המשיכה הפועל עליו גדול יותר.
עילוי – Lift
כוח הפועל בעיקר באזור הכנפיים ומסייע למטוס להתגבר על כוח הכבידה.
כאשר המטוס נע קדימה, האוויר זורם סביב הכנפיים. צורת הכנף וזוויתה ביחס לזרימת האוויר גורמות לאוויר להפעיל כוח על הכנף.
חלק מכוח זה פועל כלפי מעלה ונקרא כוח העילוי.
דחף – Thrust
הכוח שמניע את המטוס קדימה.
במטוס אמיתי הדחף נוצר באמצעות מנוע ומדחף או באמצעות מנוע סילון.
בטיסן שלנו אין מנוע, ולכן הדחף הראשוני מתקבל מהיד שלנו בזמן ההטלה.
גרר – Drag
התנגדות האוויר לתנועת המטוס.
הגרר פועל בכיוון הפוך לכיוון התנועה ולכן מאט את המטוס.
ככל שגוף נע מהר יותר באוויר או מציג שטח גדול יותר מול זרימת האוויר, בדרך כלל התנגדות האוויר גדלה.
מהו כוח העילוי?
כאשר הטיסן נע קדימה, האוויר זורם סביב הכנפיים.
הכנף בנויה כך שהיא משנה את כיוון זרימת האוויר ומפעילה עליו כוח.
בהתאם לחוק השלישי של ניוטון, כאשר הכנף מפעילה כוח על האוויר כלפי מטה, האוויר מפעיל כוח על הכנף בכיוון ההפוך.
בנוסף, נוצרים הפרשי לחצים סביב הכנף.
השילוב של שינוי כיוון זרימת האוויר והפרשי הלחצים יוצר כוח עילוי.
כוח העילוי פועל בעיקר כלפי מעלה ומאפשר למטוס או לטיסן להישאר באוויר.
חשוב להבין:
הכנף אינה מבטלת את כוח הכבידה.
כוח הכבידה ממשיך למשוך את כלי הטיס כלפי מטה, בעוד כוח העילוי פועל בכיוון הנגדי.
זווית התקפה
זווית התקפה היא הזווית שבין הכנף לבין זרימת האוויר שמגיעה אליה.
כאשר מגדילים מעט את זווית ההתקפה, ניתן בדרך כלל להגדיל את כוח העילוי.
אבל יש לכך גבול.
אם זווית ההתקפה נעשית גדולה מדי, זרימת האוויר מעל הכנף עלולה להתנתק מהמשטח.
כתוצאה מכך כוח העילוי יורד בצורה משמעותית.
מצב זה נקרא:
הזדקרות – Stall
הזדקרות אינה בהכרח כיבוי של מנוע.
זוהי תופעה אווירודינמית שבה הכנף אינה מצליחה לייצר את כמות העילוי הדרושה, בדרך כלל כתוצאה מזווית התקפה גדולה מדי.
כאשר המטוס מזדקר, האף עשוי לרדת והמטוס מאבד גובה.
מהו מרכז הכובד?
מרכז הכובד הוא הנקודה שבה ניתן להתייחס למשקל הכולל של כלי הטיס כאילו הוא מרוכז.
אפשר לחשוב עליו כעל:
נקודת האיזון של המטוס.
למיקום מרכז הכובד יש השפעה עצומה על יציבות המטוס.
לא מספיק לדעת כמה המטוס שוקל.
חשוב מאוד לדעת גם היכן נמצא המשקל בתוך המטוס.
מרכז כובד קדמי מדי
אם רוב המשקל נמצא בחלק הקדמי:
-
האף נוטה לרדת.
-
המטוס בדרך כלל יציב יותר.
-
נדרש כוח גדול יותר כדי להרים את האף.
-
המטוס עלול לגלוש בזווית תלולה מדי.
-
הביצועים האווירודינמיים עלולים להיפגע.
מרכז כובד אחורי מדי
אם רוב המשקל נמצא בחלק האחורי:
-
האף נוטה לעלות בקלות.
-
המטוס נעשה רגיש יותר.
-
היציבות פוחתת.
-
לטייס קשה יותר לשלוט בזווית האף.
-
המטוס עלול להגיע בקלות רבה יותר לזווית התקפה גבוהה.
-
התאוששות מהזדקרות עלולה להיות קשה יותר.
לכן בכל מטוס אמיתי מוגדר תחום מדויק שבו מרכז הכובד חייב להימצא.
נוסעים, מטען, דלק וציוד משפיעים כולם על מיקום מרכז הכובד.
למה אנחנו מוסיפים משקולת לאף הטיסן?
הטיסן שלנו עשוי מפוליסטירן ולכן הוא קל מאוד.
לאחר הבנייה מוסיפים משקולות קטנות לחלק הקדמי שלו.
תפקיד המשקולות אינו רק להפוך את הטיסן לכבד יותר.
המטרה העיקרית היא:
להזיז את מרכז הכובד קדימה אל המקום המתאים.
כאשר מרכז הכובד נמצא במקום הנכון, הטיסן יכול לגלוש בצורה יציבה וחלקה יותר.
זה מדגים עיקרון חשוב מאוד בתעופה:
לא רק המשקל קובע – אלא גם המיקום של המשקל.
סיפור אמיתי – כשהמטען זז ומרכז הכובד משתנה
ב־29 באפריל 2013 המריא מבסיס באגרם שבאפגניסטן מטוס מטען מסוג Boeing 747-400 של חברת National Airlines.
המטוס נשא חמישה כלי רכב צבאיים משוריינים כבדים מסוג MRAP.
חלק מכלי הרכב שקלו כ־12 טונות וחלקם כ־18 טונות.
כלי רכב כבדים כאלה חייבים להיות קשורים ומקובעים היטב לרצפת תא המטען.
מדוע?
בזמן ההמראה המטוס מאיץ במהירות גדולה מאוד.
אם מטען כבד אינו מקובע כראוי, הוא עלול לזוז בתוך המטוס.
זמן קצר לאחר שהמטוס התנתק מהמסלול, לפחות אחד מכלי הרכב השתחרר ממערכת הקשירה שלו ונע במהירות לאחור בתוך תא המטען.
ברגע שמסה של טונות רבות נעה לכיוון הזנב:
מרכז הכובד של המטוס זז לאחור בצורה משמעותית.
מרכז כובד אחורי גורם למטוס להיות פחות יציב ומקל על האף להתרומם.
ואכן, לאחר ההמראה האף של המטוס התרומם לזווית חריגה ותלולה מאוד.
אך האירוע היה חמור אף יותר.
כלי הרכב שנע לאחור פגע בחלקו האחורי של המטוס וגרם נזק למערכות הידראוליות ולמערכת הקשורה לשליטה במייצב הגובה.
כתוצאה מכך איבדו הטייסים חלק משמעותי מיכולת השליטה בזווית העלרוד של המטוס.
המטוס טיפס בזווית חדה מאוד, מהירותו ירדה, זווית ההתקפה גדלה וכוח העילוי כבר לא הספיק.
המטוס נכנס למצב של הזדקרות והתרסק זמן קצר לאחר ההמראה.
כל שבעת אנשי הצוות נהרגו.
מה אנחנו לומדים מהמקרה?
המקרה ממחיש בצורה דרמטית מדוע מרכז הכובד הוא אחד הנתונים החשובים ביותר בתעופה.
אותו מטוס, עם אותו משקל כולל, יכול להתנהג בצורה שונה לחלוטין אם המשקל נמצא במקום אחר.
מטען כבד שנע קדימה או אחורה משנה את מרכז הכובד ולכן משנה:
חשוב להדגיש:
התאונה לא נגרמה רק בגלל שינוי מרכז הכובד.
השילוב של תזוזת המטען, מעבר מרכז הכובד לאחור והנזק שנגרם למערכות השליטה הפך את המצב לבלתי נשלט.
זה בדיוק העיקרון שאנחנו יכולים לראות גם בטיסן הקטן שלנו.
כאשר נזיז משקולת קטנה קדימה או אחורה, נראה מיד כיצד שינוי במרכז הכובד משנה את התנהגות הטיסה.
יציבות של כלי טיס
מטוס יציב הוא מטוס שכאשר הוא סוטה מעט ממצבו הרגיל, קיימת לו נטייה לחזור למצב מאוזן.
בטיסן שלנו אפשר לראות זאת בצורה פשוטה.
אם:
הטיסן יכול לבצע גלישה יציבה וחלקה.
לעומת זאת, שינוי קטן במשקל או בזווית של אחד המשטחים יכול לשנות משמעותית את מסלול הטיסה.
תפקיד הזנב
בחלק האחורי של הטיסן נמצאים משטחים שתפקידם לסייע ביציבות.
המייצב האנכי
מסייע לשמור על כיוון הטיסה ומונע מהמטוס להסתובב באופן לא רצוי ימינה או שמאלה.
המייצב האופקי
מסייע לשלוט בנטייה של האף לעלות או לרדת.
במטוסים אמיתיים קיימים גם משטחי היגוי נעים, המאפשרים לטייס לשלוט במטוס.
שינוי קטן בזווית המשטחים יכול להשפיע מאוד על מסלול הטיסה.
למה משתמשים בפוליסטירן?
פוליסטירן מוקצף הוא חומר קל מאוד ביחס לנפחו.
לכן הוא מתאים מאוד לטיסנים פשוטים.
יתרונותיו:
-
משקל נמוך.
-
קל לחיתוך ולעיצוב.
-
מאפשר ליצור כנפיים גדולות יחסית בלי להוסיף הרבה מסה.
-
מתאים לניסויי תעופה פשוטים.
-
מגיב בצורה ברורה לשינויים קטנים במרכז הכובד ובמבנה.
בניית הפוליסטיסן
חומרים לכל תלמיד
ציוד למדריך
-
מספריים.
-
סלוטייפ.
-
דבק סטיק.
אופן ההכנה
-
מניחים את שבלונת הטיסן על צלחת הפוליסטירן.
-
מקבעים אותה בעזרת מעט דבק סטיק.
-
גוזרים בזהירות את צורת הטיסן לפי השבלונה.
-
יוצרים את החריצים המסומנים.
-
מסירים את השבלונה.
-
מרכיבים את חלקי הזנב.
-
מוסיפים את המשקולות לחלק הקדמי.
-
מוודאים שהכנפיים ישרות וסימטריות.
-
בודקים את נקודת האיזון.
-
יוצאים לניסוי טיסה.
כיצד מטיסים את הטיסן?
מחזיקים את הטיסן בעדינות באזור מרכז הגוף.
אין צורך לזרוק אותו בכוח.
מטילים אותו קדימה בתנועה חלקה ואופקית ככל האפשר.
המטרה אינה לראות מי זורק חזק יותר.
המטרה היא למצוא את תנאי הטיסה שנותנים:
את הגלישה הארוכה, החלקה והיציבה ביותר.
ניסוי פעיל – חוקרים את מרכז הכובד
לאחר שהטיסן בנוי, נבצע מספר ניסויים.
מצב 1 – ללא משקולות
נטיס את הטיסן ללא המשקולות בחזית.
נבדוק:
-
האם האף עולה?
-
האם הטיסן יציב?
-
האם הוא מזדקר?
-
כמה רחוק הוא גולש?
מצב 2 – משקולת אחת
נוסיף משקולת אחת בחלק הקדמי.
נטיס שוב ונשווה.
האם הטיסה יציבה יותר?
מצב 3 – שתי משקולות
נוסיף את המשקולת השנייה.
נבדוק שוב את מסלול הטיסה.
האם קיבלנו גלישה טובה יותר?
מצב 4 – משקל קדמי גדול מדי
נוסיף באופן זמני מעט משקל נוסף בחזית.
מה קורה עכשיו?
האם האף יורד מהר מדי?
שאלת החקר
באיזה מצב התקבלה הטיסה הארוכה והיציבה ביותר?
ומה השתנה בכל פעם?
מסקנה
קיימת נקודת איזון שבה מרכז הכובד נמצא במקום המתאים ביותר לטיסה יציבה.
אם מרכז הכובד נמצא קדימה מדי, הטיסן נוטה לצלול.
אם מרכז הכובד נמצא אחורה מדי, הטיסן נעשה פחות יציב ועלול להרים את האף יותר מדי.
לכן בתעופה אמיתית בודקים בקפדנות לא רק את משקל המטוס, אלא גם את מיקום המשקל.
הפוליסטיסן הקטן שלנו מדגים את אותו עיקרון בדיוק שפועל גם במטוסי נוסעים ומטוסי מטען ענקיים.
על החשיבות של מרכז כובד נכון אפשר ללמוד בכתבה הבאה. מטוס אמריקאי התרסק כתוצאה משינוי מרכז הכובד שלו באופן בלתי צפוי.
ראו
כאן
חומרים עבור תלמיד 1.
|
החלק ומידותיו |
תפקיד |
כמות |
|
שרטוט פוליסטיסן |
הנחייה בעת הבניה |
1 |
|
צלחת פוליסטירן 23 ס"מ |
החומר ממנו בנוי הטיסן |
1 |
|
פין פציל 18מ"מ |
משקולת |
2-3 |
ציוד בעבור המדריך שאינו ניתן לחניכים
מספריים, סלוטייפ , דבק סטיק
למצגת בנושא פוליסטיסן לחצו כאן
לפודקאסט בנושא פוליסטיסן לחצו כאן
סרטון בניה שלנו
סרטון הדרכה מארה"ב
הארה בפייסבוק
