ASPress - czasopisma pedagogiczne


ARCHIWUM WYDAŃ CYFROWYCH
       
Język Niemiecki



Wydania z lat 2009-2016 dostepne są w wersji elektronicznej jako pliki PDF. Są one identyczne z wersjami drukowanymi. Jednakże nie zawierają materiałów, które były na płytach CD/DVD dołączanych do niektórych wydań drukowanych.
W wersji drukowanej dostepne jest tylko jedno wydanie - 3/2016.
Więcej


Zbiór 52 felietonów poświęconych współczesnej Polsce, Polakom, polityce, roli telewizji i mediów we współczesnym świecie, globalizacji i konsekwencji wynikającej z naszego otwarcia na świat.
Wydanie w postaci pliku PDF
Cena 10 zł.
Zamów


Książka o podróżach, poznawaniu, odkrywaniu i podbijaniu świata, o pokonywaniu kolejnych horyzontów ludzkiego rozwoju. Ludzie wędrują od wieków, zawsze chcieli zobaczyć, co jest za kolejną rzeką, górą, morzem, za nowym horyzontem. Ta wędrówka pozwoliła najpierw poznać naszą planetę, a dziś już zaprowadziła człowieka poza granice Układu Słonecznego. Kim są ci, którzy zmieniają historię świata? Dlaczego Krzysztof Kolumb odkrył Amerykę, a Mikołaj Kopernik „poruszył” Ziemię?
Wydanie w postaci pliku PDF.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydanie drukowane



Historia powstania  * Dane techniczne * Słynne rajdy * Rozwiązania konstrukcyjne

Pierwszy pojazd z napędem na obie osie skonstruowano w 1824 r. a więc ponad pól wieku wcześniej od samochódu. Jednak dopiero wojskowi amerykańskiej armii jako pierwsi chcieli mieć pojazd, który pojedzie każdą drogą, pokona głębokie rowy  i wyposażony będzie we wciągarkę, tak by mógł poruszać się w każdym terenie.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydania specjalne "Geografii w Szkole"

2011

2010

2009

2008


Cena kompletu wydań 50 zł
Cena jednego wydania 10 zł
Zamów



Nowość!


Więcej

Fizyka śmigłowców

W przypadku helikopterów ratowniczych ciekawa fizyka ma związek oczywiście nie tylko z zagadnieniami aerodynamicznymi, lecz również z działaniem sprzętu medycznego będącego na ich wyposażeniu. Spróbujmy zatem zgłębić tajniki tych latających ambulansów.

Ogólna wiedza o śmigłowcach ogranicza się zazwyczaj do znajomości encyklopedycznej definicji, która wskazuje, że te zaliczane do aerodyn maszyny wytwarzają siłę nośną dzięki ruchowi obrotowemu wirnika. W rzeczywistości mechanika lotu helikopterów jest bardzo skomplikowana, a grube podręczniki poświęcone temu zagadnieniu studiują nie tylko przyszli piloci, ale również konstruktorzy i inżynierowie pragnący rozwijać technologie lotnicze.

Co ciekawe, urządzenie latające przypominające wiropłat naszkicował już Leonardo da Vinci w końcu XV w. Ta wykona z drewna, trzciny, drutu oraz płótna lnianego „śruba powietrzna” miała być napędzana siłą ludzkich mięśni. Współcześni naukowcy powątpiewają jednak, żeby tego typu maszyna, unosząca na platformie czterech pasażerów, mogła kiedykolwiek oderwać się od ziemi.

Nawiązując do historii, warto wspomnieć, iż w 1842 r. Anglik W. H. Phillips skonstruował zdolny do pionowego wznoszenia model, którego rotor był obracany przez strumienie pary pochodzącej z małego bojlera i wyrzucanej przez dysze na końcach łopat.

Na pierwszy lot helikoptera z człowiekiem na pokładzie czekać trzeba było aż do 1907 r., kiedy to francuski inżynier Paul Cornu stworzył dwuwirnikowy statek powietrzny napędzany silnikiem spalinowym. Za ojca współczesnych śmigłowców uważany jest jednak pochodzący z Kijowa a pracujący w USA Igor Sikorski, który zbudował i przetestował w maju 1940 r. w pełni udany prototyp VS 300 z pojedynczym wirnikiem głównym.

Do celów ratunkowych helikoptery na świecie używane są od połowy lat czterdziestych XX w. Wprawdzie początkowo były to maszyny wojskowe, ale z czasem wprowadzono do służby także te, przeznaczone do pracy w medycznym transporcie cywilnym i stacjonujące przy szpitalach, np. w Monachium (1970 r.) czy Denver (1972 r.).

Co ciekawe, w Polsce już od połowy lat 60 XX w. zespoły Lotnictwa Sanitarnego korzystały z lekkich śmigłowców PZL SM-1 i SM-2, zastąpionych później przez popularne Mi-2. Obecnie w naszym kraju Lotnicze Pogotowie Ratunkowe eksploatuje nowoczesne helikoptery Eurocopter EC 135 (Airbus Helicopters H135) w wersjach P2+ i P3.

Maszyny typu EC 135 P3 z podwoziem płozowym, których długość wraz z obracającym się wirnikiem to 12,26 m, charakteryzują się mocą startową 2 × 336 kW. Przy masie całkowitej 2980 kg mogą wznosić się z szybkością 7,8 m/s, osiągać prędkość lotu poziomego 252 km/h i zasięg bez rezerwy paliwa 630 km.

Śmigłowcowa Służba Ratownictwa Medycznego, określana często skrótem HEMS (ang. Helicopter Emergency Medical Service), uczestniczy każdego dnia w wielu misjach, których celem jest nie tylko transport chorych między szpitalami, ale również niesienie pomocy ofiarom wypadków czy nagłych zachorowań. Śmigłowiec ląduje zazwyczaj w pobliżu miejsca zdarzenia, na płaskim obszarze o wymiarach nie mniejszych niż 2∙D × 2∙D (albo powierzchni ograniczonej okręgiem o średnicy 2D), gdzie D to największy wymiar śmigłowca wraz z wirnikiem (fot. 3). Przy szpitalach zazwyczaj przygotowane są specjalne lądowiska wyposażone w integralny system oświetlenia oraz wskaźnik kierunku wiatru w postaci zwężającego się rękawa osadzonego na maszcie o wysokości 3 m.

Podstawy aerodynamiki śmigłowca

Śmigłowce ratownicze posiadają zazwyczaj pojedynczy wirnik główny, czyli są to maszyny zbudowane w układzie klasycznym (Sikorskiego). Oczywiście niezbędnym elementem ich konstrukcji jest także znacznie mniejszy, zamontowany pionowo wirnik ogonowy. Może on posiadać formę fenestronu, czyli wentylatora złożonego z 10 do 15 łopatek osadzonych na wspólnym wieńcu w obudowie tunelowej w stateczniku pionowym. Zainteresowani fizyką łatwo domyślą się roli, jaką spełnia śmigło ogonowe. Moment jego siły ciągu względem środka masy śmigłowca musi bowiem równoważyć moment reakcyjny, pochodzący od wirnika nośnego. Przyglądając się sytuacji bardziej szczegółowo, zauważymy, że siły oporu powietrza działające na łopaty wirnika głównego wytwarzają względem jego osi moment oporu obrotu. Aby go pokonać a tym samym podtrzymać ruch śmigieł, do piasty wirnika dostarcza się, z silnika zlokalizowanego w kadłubie helikoptera, moment obrotowy Mobr:

gdzie: P - moc przekazywana na wirnik nośny, ω - prędkość kątowa obrotu wirnika.

Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona skutkuje to wytworzeniem momentu reakcyjnego Mr, który przechodzi na korpus maszyny i stara się go obrócić w kierunku przeciwnym do kierunku rotacji wirnika (rys.1). Aby temu zapobiegać, a tym samym zachować obrany kierunek lotu, śmigło ogonowe musi zapewniać odpowiedni ciąg Fog:

gdzie: l - odległość wału wirnika ogonowego do wału wirnika głównego (ramię siły).



Rys.1. Przy ustalonej trajektorii lotu ciąg śmigła ogonowego Fog zapobiega niekontrolowanemu obrotowi śmigłowca w wyniku działania momentu reakcyjnego Mr. Przez Ψ oznaczono azymutalne położenia łopat wirnika głównego.

W tym miejscu warto wspomnieć, że szczególnie w zastosowaniach transportowych, stosunkowo popularne są śmigłowce innego typu, tj. dwuwirnikowe w układzie podłużnym (Piaseckiego[1]). Zapewne każdy czytelnik kojarzy amerykańskie helikoptery wojskowe Boeing CH-47 Chinook. W ich przypadku dwa wirniki nośne ustawione jeden za drugim obracają się synchronicznie w przeciwnych kierunkach, co sprawia, że momenty reakcyjne równoważą się i pionowe śmigło ogonowe nie jest już potrzebne.

Wróćmy jednak do śmigłowców w układzie klasycznym i spróbujmy zastanowić się nad aerodynamiką ich wirnika głównego. Oczywiście zagadnienie to jest bardzo skomplikowane, więc posłużymy się jedynie opisem przybliżonym. Należy zwrócić uwagę, że podczas lotu poziomego na stałej wysokości wirnik musi wytworzyć zarówno siłę nośną FL, która równoważy ciężar Fg maszyny wraz z załogą i ładunkiem oraz siłę Fp odpowiedzialną za ruch postępowy. Ta ostatnia w przypadku, gdy helikopter porusza się ze stałą szybkością, równoważy opory ruchu Fo, związane m.in. z zakłóceniem przepływu powietrza przez kadłub. Generalnie siły FL i Fp to składowe siły Fc, czyli całkowitego ciągu wirnika nośnego (rys.2a).

Dla zainteresowanych warto dodać, iż przy tej samej mocy ciąg rośnie wraz ze zwiększaniem średnicy wirnika głównego (średnicy okręgu zakreślanej przez obracające się końce łopat). Zastosowanie bardzo długich łopat wiązałoby się jednak z koniecznością wydłużenia belki ogonowej (większe wymiary maszyny) a także byłoby skomplikowane technologicznie. Eksploatowane obecnie przez HEMS śmigłowce Eurocopter EC 135 mają czteropłatowy wirnik nośny o średnicy 10,2 m. Natomiast ich poprzednik, czyli helikopter Mi-2, posiadał wirnik trójłopatowy o średnicy 14,5 m. Generalnie w przypadku, gdy liczba łopat jest mniejsza, ich końce muszą obracać się z większą szybkością, wytwarzany ciąg jest pulsacyjny, a podczas lotu pojawiają się zwiększone drgania. Prędkości obrotowe wirników głównych współczesnych śmigłowców zawierają się zazwyczaj w przedziale 250-600 obrotów na min (dla EC-135 wynoszą 395 rpm). Energia potrzebna do ich napędzania przenoszona jest przez układ transmisyjny (wały i reduktory) z dwóch silników turbinowych.

                Śmigłowiec unosi się w powietrzu dzięki siłom aerodynamicznym wytwarzanym w wyniku przepływu powietrza przez tarczę jego wirnika głównego[2]. Łopaty tego wirnika mają specjalny profil (rys. 3a), czyli kształt poprzecznego przekroju. Zwykle jest on niesymetryczny i może kojarzyć się z profilem skrzydła samolotu. Z lekcji fizyki pamiętamy zapewne uproszczony opis, wskazujący, że napływający strumień powietrza rozdziela się i opływa taki płat od góry i od dołu. Przepływ nad górną, zakrzywioną krawędzią obiektu jest szybszy, natomiast ten pod dolną wolniejszy. Zgodnie z prawem Bernoulliego, które wywodzi się z zasady zachowania energii, w miejscu, gdzie prędkość przepływu wzrasta, ciśnienie dynamiczne rośnie, natomiast statyczne musi zmaleć. Stąd ciśnienie statyczne jest niższe nad powierzchnią górną niż pod dolną, zatem na tę ostatnią działa większa siła parcia. Wypadkowa sił parcia działających na obie strony płata zwrócona jest w górę i stanowi siłę nośną (…)

 

Cały artykuł Tomasza Kubiaka „Latające karetki, czyli o fizyce śmigłowców ratowniczych” przeczytacie w najnowszym wydaniu (4/2019) „Fizyki w Szkole”.



[1] Frank Piasecki był amerykańskim konstruktorem, synem polskich emigrantów, który projektował pionierskie śmigłowce dwuwirnikowe.

[2] Tarczą wirnika nazywana jest powierzchnia zakreślana przez obracające się łopaty.