כיצד משפיעה ירידת לחץ האוויר על זמן ההגעה של רחפן לגובה קבוע?

תוכן עיניינים

עמוד 2- שאלת החקר

עמוד 4 – הצגת התופעה

עמוד 5-14 רקע עיוני

עמוד 15 שאלת החקר

עמוד 16 השערה

עמוד 17-18 תכנון החקר

עמוד 19 תוצאות

עמוד 20 מסקנות

עמוד 21 רעיונות להמשך

עמוד 22 בבליאוגרפיה

הצגת התופעה:

לרחפנים בכל רחבי העולם יש תקרת גובה מעשית (גובה תעופה מקסימלי) בכדור הארץ בשל לחץ האוויר. ידוע שככל שמגביהים גוף בשלבי האטמוספרה כך לחץ האוויר הפועל עליו קטן.

רקע עיוני

שני הגורמים העיקריים בשאלת החקר זאת הינם לחץ האוויר והרחפן.

מבנה הרחפן-

רחפן או בשמו הרשמי – רב להב, הינו כלי טיס המקבל את העילוי הדרוש למעופו מכנפיים/להבים סובבות, בדומה למסוק.

להבדיל ממסוק המקבל את העילוי מכנף סובבת אחת, הרחפן מקבל העילוי משלוש ויותר כנפיים/להבים סובבות. לרוב, ארבע להבים המונעים ע”י ארבע מנועים חשמליים המקבלים כוחם ממצבר/סוללה חשמלית.

לרחפן שלושה ויותר להבים הסובבים בכוונים מנוגדים. ע”י כך מתאפס מומנט סיבוב גוף הרחפן ואין צורך בהשקעת אנרגיה למניעת סבסוב גוף הכלי.

מנגנון השליטה בתנועת הכלי ( קדימה אחורה ולצדדים) מתבצע אך ורק ע”י הפרשים במהירות סיבוב להבי הרחפן. מאחר ולרחפן מספר להבים סובבות ומכיוון שהן קצרות האנרגיה הקינטית (אנרגיית תנועה) של כל אחת מהן נמוכה. המאמצים המופעלים על מבנה הלהב נמוכים יחסית ומאפשרים מבנה קל.

יתרונותיו העיקריים של הרחפן הם שניים : 1) יכולת המראה ונחיתה אנכיים. 2) יציבות הנובעת ממבנה סימטרי ומיקום מרכז הכובד במרכז כלי הטייס.

להב ויצירת כוח עילוי-

הלהבים של הרחפן בנויים בצורה דומה לכנפיים של מטוס, הלהבים קמורים בחלקם העליון ושטוחים יחסית בחלקם התחתון אשר “חותכים” את האוויר בזווית קבועה.

בעת המגע של האוויר עם החלק הקדמי של הלהב האוויר מתפצל לשניים ונפגש שוב בחלק האחורי של הלהב. הפרופיל הקמור בחלקה העליון של הלהב גורם לכך שזרם האוויר מעל ללהב עובר דרך ארוכה יותר ולכן המהירות שלו גבוהה יותר. לפי עקרון ברנולי אם מהירות הזרימה גבוהה יותר אז הלחץ נמוך יותר, ולכן הלחץ מעל ללהב נמוך מאשר הלחץ מתחת ללהב. הפרשי לחץ אלו גורמים להיווצרותו של כוח. כוח מוגדר כלחץ כפול שטח והוא פועל בניצב למשטח, כוח זה נקרא כוח העילוי.

הרחפן הנו, כאמור, כלי-תעופה בעל יכולת המראה ונחיתה אנכיים. במטוס כוח העילוי מתקבל כאשר להבי המדחף יוצרים תנועת אוויר במהירויות שונות בין שני צידי הכנפיים הקבועות במקומן. המהירויות השונות מתקבלות בזכות מבנה הכנפיים הקמור בצורה מיוחדת. ברחפן אוחדו הכנפיים יחד עם להבי המדחף על שני תפקידיהם לכדי יחידה אחת הממלאת את שני התפקידים גם יחד. כך שבמסוק, בניגוד לאווירון, הכנפיים אינן קבועות במקומן אלא נמצאות בתנועה מתמדת, תנועה אשר יוצרת בצרוף מבנה הלהב את כוח העילוי.

 לחץ האוויר הוא הכוח שיוצרת התנגשות של מספר רב של מולקולות אוויר על דפנות הכלי שבו הוא מוכל.

 את לחץ האוויר ניתן להגדיל (או להקטין) באחת משתי דרכים. ראשית, ניתן לגרוע או להוסיף מולקולות אוויר. מספר רב יותר של מולקולות האוויר במכל אטום (כדי שיהיה ניתן לבקר את הניסוי) יגדיל את מספר ההתנגשויות עם דפנות המכל ובכך יעלו את הלחץ. שנית, על ידי חימום או קירור של הכלי בו האוויר. חימום המכל יגרום לתנועה מוגברת של מולקולות האוויר ובכך חוזק “המכה” שהכלי סופג תגבר ולכן יעלה לחץ האוויר.

את ירידת לחץ האוויר ניתן למדוד בעזרת מד לחץ, יחידות המידה של לחץ האוויר הן בָּאר. באופן שרירותי נקבע כנקודת ייחוס לחץ האוויר בגובה פני הים כאחד באר. נהוג לקרוא את הערכים ביחידות של אלפית הבאר – מיליבאר. הערך הממוצע המדויק של לחץ-אוויר בגובה פני הים הוא 1013.25 מיליבאר.

לחץ אוויר בגובה של הר החרמון (2238מ)- 0.72 באר

 לחץ אוויר בגובה של הר המון בלאן (4808מ)- 0.56 באר

לחץ האוויר בהר באוורסט (8848מ)- 0.33 באר

החוק השלישי של ניוטון

החוק השלישי של ניוטון (המכונה לעתים בשם “חוק הפעולה והתגובה”) טוען כי כאשר שני גופים נמצאים באינטראקציה של כוחות – הכוח אותו מפעיל גוף אחד על הגוף השני שווה והפוך בכיוונו לכוח שמפעיל הגוף השני על הגוף הראשון.

כוחות אלו מכונים בשם “כוחות אינטראקציה” או “כוחות פעולה ותגובה”. כוחות אלו השווים בגודלם והפוכים בכיוונם אינם מאזנים זה את זה משום שהם פועלים על שני גופים שונים.
באמצעות החוק השלישי של ניוטון ניתן להסביר מדוע כאשר אדם דוחף בעזרת רגליו את הרצפה הוא קופץ כלפי מעלה (או במקרה שלנו הרחפן דוחף את האוויר כלפי מטה ולכן עןלה למעלה). הרי כדי שדבר כזה יתרחש צריך (לפי החוק הראשון) לפעול על הקופץ כוח חיצוני אחרת האדם לא היה משנה את תנועתו. אבל לפי החוק השלישי, כאשר האדם הפעיל כוח על הרצפה כלפי מטה הרצפה הפעילה עליו כוח שווה בגודלו כלפי מעלה (כוח זה מכונה בשם כוח נורמלי – נורמל = ניצב או אנך). כוח זה הוא שהקפיץ את אותו אדם (במקרה שלנו המנוע הוא מקור הכוח לרחפן).

שאלת החקר:

כיצד משפיעה ירידת לחץ האוויר על זמן ההגעה של רחפן לגובה קבוע?

השערתנו היא-

ככל שלחץ האוויר יקטן זמן ההגעה של הרחפן יגדל.

 זוהי השערתנו משום שככל שלחץ האוויר יקטן כך ההשפעה של כוח העילוי תקטן. בנוסף על פי החוק השלישי של  ניוטון כאשר חלקיקי האוויר נמצאים  באינטראקציה עם להבי הרחפן, להבי הרחפן והחלקיקים ידחפו זה את זה בכיוונים מנוגדים (מעלה ומטה) ולכן ככל שיהיו פחות חלקיקים ההשפעה על הרחפן תהיה קטנה יותר (לרחפן יהיה יותר “קשה” לעלות כלפי מעלה) ובכך זמן ההגעה של הרחפן יגדל יקטן.

תכנון החקר

מטרת הניסוי: לבדוק את כושר ההרמה של הרחפן בתוך כלי אטום בעל אפשרות שינוי ברמת לחץ האוויר.

ציוד וחומרים: כלי אטום בעל מכסה, מד לחץ, משאוות ואקום (מוציאה אוויר), טי ( בצורת T), דבק אוטם (דבק חם ,סופר 7), רחפן (מדגם FX-5), מטען של הרחפן, סטופר, מצלמה, מקדחה, צינור גמיש, אטב ברזל, קופסת מזון אטומה, סרט אוטם, סכין יפנית.

מהלך הניסוי:

א. בכלי האטום קודחים שני חורים עם המקדחה, חור אחד בגודל פיית הT, החור השני בגודל פיית מד הלחץ.

ב. מחברים את את הT לחור הראשון.

ג. מחברים את מד הלחץ אל החור השני עם דבק אוטם.

ד. מחברים את משאבת הוואקום אל הT ובצידו השני שלו מחברים צינור גמיש.

ה.אוטמים את החורים עם דבק אוטם.

ו. מדביקים את המכסה אל הכלי.

ז. חותכים מלבן בגודל תחתית קופסת המזון.

ח. מדביקים את הקופסה אל הכלי.

ט. שמים את הסרת האוטם על דפנות הקופסה.

י. מחכים שהכל יתייבש.

יא. מכניסים את הרחפן (כאשר הוא טעון עד הסוף) והמצלמה אל הכלי דרך המכסה.

יב. מוציאים את האוויר מהכלי עד כך וכך בר

יג. מתחילים באותו הזמן את הסטופר ואת הרחפן.

יד. כאשר הרחפן מגיע למכסה של הכלי עוצרים את הסטופר.

טו. כותבים את התוצאה בקובץ excel

טז. מוצאים את הלחץ בעזרת הוצאת הפקק של השסתום השני.

יז. פותחים את המכסה ומוצאים את הרחפן.

יח. מטענים את הרחפן עד המקסימום.

יט. עושים את התהליך כמה וכמה פעם

כא. עושים את התהליך עוד שני פעמים רק שמוציאים בפעם הראשונה את האוויר עד כך וכך בר בפעם השנייה מוצאים כך וכך בר.

כב. ואת כל התצאות הסופיות נרשום בטבלה בקובץ excel.

כג. עושים ממוצע של כל התוצאות.

תוצאות

מסקנות

ככל שלחץ האוויר קטן כך זמן ההגעה גדל.

מסקנה זו מנומקת על ידי החוק השלישי של ניוטון, מבנה הרחפן וכח העילוי.

רעיונות להמשך

אנו מתכננים לבדוק מה יקרה לחומרים שונים בלחצים שונים ולראות האם לחץ האוויר יכול להשפיע על גופים כאלה ואחרים. כגון: מים (ככל שנשאב את האוויר כך המים יתחילו להתאדות), קול (ככל שנשאב את האוויר כך עוצמת הקול תקטן) ואת ההפרש בין הפלת שני גופים בלחצים שונים (ככל שנשאב את האוויר ההפרש יהיה קטן יותר)

ביבליוגרפיה:

1.מוזיאון המדע ירושליים- https://www.mada.org.il/concepts/mechanics/reciprocal-actions

2.