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一款适于STEAM教育的弹射模型飞机

来源:互联网 编辑:wan玩的好手游小编 更新:2024-03-18 07:07:05 人气:

弹射模型飞机是航空模型的一个普及类项目,绝大多数航模快乐喜爱者都做过和飞过。作为一款亮时类模型,利用橡筋的弹性能量为自身提供初始动力升空,当爬升到最高点后,在重力作用下转为下滑,再利用机翼产生的升力获得较长的留空时间。

近几年航空模型的种类日渐丰富,许多人看好遥控模型、四轴飞行器等“高、精、尖”模型,而像弹射模型飞机这些基础类模型都有被人们遗忘的趋势。其实架小小的弹射模型飞机蕴含着丰富的航空模型飞行原理,包含手工制作过程到试飞整的各个环节,吸引了ー大批航模快乐喜爱者的探索和实践。尤其是在广大中小学校,它是开属航空模型初期实践活动非常重要的一项内容。

201810月,笔者再次“捡”起这个20多年前就钟爱的“小飞机”项目,参加了在江西举办的全国航空模型公开赛,并幸运地拿到了第一名。更重要的是结识了许多弹射模型飞机的快乐喜爱者,学到了很多有关弹射模型飞机制作和调试的经验。在此基础上,笔者萌生了将弹射模型飞机与STEAM数育内涵相融合的想法,希望进一步发挥航空模型在广大中小学生科技实践活动中的作用。

 

近年来, STEAM教育在国内成之势,它是 Science(科学Technology(技术)Egineering(工程入Arts(艺术) Maths(数学)5个单词的缩写。STEAM是对基于标准化考试的传统教育理念的转型,代表了一种现代的教育哲学,更注重学习的过程,而不是结果。素质上说,这种教育理念敢于让学生犯错,让他们尝试不同的想法、听取不同的观点。与传统文化考试不同,它更希望孩子们掌握能够应用于真实生活的知识。青少年参与模型飞机的设计、制作和飞行过程,正是最贴近 STEAM教育理念的一项活动。

 

笔者(左二)和参加江西公开赛的弹射模型快乐喜爱者合影

 

“飞北”全国总决赛中,就有弹射模型项目,对推动该项目的普及起到了积极作用。角逐中有一项“创新”美化弹射留空竞时赛。模型飞机套材采用轻木材料,为半成品化预加工,还配置了胶水、砂纸板和美化用的彩水笔,既便于学生制作,也方便老师开展航模教学活动。下面,笔者结合这教模型飞机的制作、调试,将自己对弹射模型飞机的理解与大家分享,布望共同交流提高

 

研究内涵

想利用航空模型开展科技创新教育,着眼点不能仅停留在模型的制作和飞行上,而要对项目进行探索研究,发掘其 STEAM教育内涵。

笔者介绍的这款弹射模型是依照一级弹射模型飞机(P1T-1)的规则设计的。P1T-1规则历史悠久,多年前人们就开展了各种探究实验。文类模型不光有各式各样的外观,而且在高翼台和低翼台、单折上反角双折上反角、整体结构和构架式结构等方面,都有不同的内涵。所以在开展弹射模型飞机教学实践时,首先要指导学生对这些方面进行研究。

规则只规定了模型的翼展不大于200mm、弹射棒长度小于oomm,至于究竟采取哪种结构、选取什么材料都未做限定,因此学生可研究的内容很多,好比:

・不同外形的机翼和升力面积大小的关系

・机翼翼型对模型滑翔性能影响

・模型外形和美观之间的相互影响;

・机翼安装高度与重心对模型横侧平和平静性的影响;

・弹射橡筋的动カ大小和模型弹射高度的关系

・机翼、尾贾的大小和尾力臂长度的关系;

・不同弹射角度对模型吧升轨迹的影响

・控制模型直线爬升

・模型良好的改出性能;

・滑翔姿态的调整;

・弹射模型的涂装;

 

指导青少年以科学的方法对这些内容进行研究,包含查询收集各种資料,并对资料进行筛选、学习,进而在学习的过程中写研究陈述,使単纯的模型制作和放飞建立在科学思维和科学方法上,正是 STEAN教育的经典模式。

 

实践过程

这款学期模型飞机套材制作方便,并配备有砂纸板和胶水

 

1.制作砂纸板

以在老师指号学生制作弹射模型时,忽路了对工具的选择和使用,在往让学生直接拿着砂纸去打磨机翼。这样不仅打磨效率低下,而且型精度难以包管,严重影响模型的滑性能。

制作这款弹射模型,首先要从指号学生制作工具砂纸板开始。考套材中砂纸背后的双面胶場去,然后对准砂板枯接,再用手轻轻按压,秒纸板就完成了。

 

弹射模型飞机套材

 

制作砂纸板的意义在于告诉学生,“工欲善其事,必先利其器”,选择并完善制作工具,有利于航空模型的制作。平时在进行其他实验或探究学习时,也要学会充分利用各种工具来辅助自己。

此外,还要指导学生学习胶水罐的打开和使用方法,这些都是模型制作中最基本的技能。

 

2.制作机翼和尾翼

这款弹射模型采用了轻木材料,机的外形和型已经过初步加工,减小了初学者的制作难度。老师可依照说明书上的图示指导学生打磨机的型,包管机前绿的弧度,并努力提升加工精度。在机贾翼尖处,可将厚度打磨得更薄,以减小诱导阻力。机翼后绿厚度,通常控制在0.5mm左右,确保型准确。最后将机或和尾置的表面打磨光滑。此外,模型机身等其他零部件,都要进行打磨,以便后期进行组装粘接。

在这个过程中,要求学生将每一步都尽可能做精确、做精细,把“工匠精神”入到模型的制作中。

 

3.组装零部件

依照粘接机、粘接机头、翼身粘接、枯接尾置的步骤,将模型的各个零部件依次组装。组装时要仔细校验,确保各部件位置和角度正确、精准。

为了确保平安,这款模型的机头部位设计了软质海绵,制作时可借此向学生强调飞行平安的相关内容。

 

4.模型的涂装

通过指导学生查阅资料,设计模型外观涂装,让他们了解飞机涂装的基础知识和基本要求,既可以参照真实飞机的涂装,也可以依照喜好自行设计,从而培养学生的美学素养以及创新力和想象力。

 

调试探究

弹射模型飞机的飞行分为3个阶段一一上升、改出和滑翔,模型的调整必须围绕这3个方面进行。

 

1.手掷滑翔调整重心

首先指导学生将做好的模型进行手滑翔,初步调整重心位置。按说明书上的方法和步骤掷出模型,观察其滑翔姿态,然后通过在机头部位增减橡皮泥的方法调整重心位置,使模型达到良好的滑翔姿态。

 

2.调整爬升姿态

弹射模型是将弹射橡筋的能量转化为模型的动能进而爬升的,其飞行高度和橡筋的弹力有关。笔者使用的弹射橡筋重量一般在2-3g之间,做成4股后长度为220mm,用自己的手臂拉伸后长度约为1300mm,能产生2.2kg拉力。而这款弹射模型配套的弹射棒长度为130mm,采用2g重的国产橡筋,折成4股后长度240mm,拉伸到1200mm后可产生2.0kg弹力。

 

然而弹射模型的爬升高度并不完全由橡筋弹力决定,还受模型自身重量飞行阻力和上升轨迹等因素的影响。当架模型飞机制作完毕后,重量和模型各部分所形成的阻力和飞行速度之间的关系也确定了,此时模型的上升轨迹就成为其爬升高度的决定性因素。

 

弹射模型飞机理想的上升轨迹是以70°以上的直线轨迹吧升。在起飞阶段,模型受橡筋动力作用加速,高速飞出后机翼的升力会在瞬间达到最大。此时因水平尾翼产生的平衡力矩不足,故模型会快速抬头被“拉翻”,在空中画出一个大大的圆,最后在较低的位置改出滑翔,十分影响飞行成绩。

为避免这种情况,一般会采取左手握弹射棒,右手持模型并将其“向右倾斜”的方式弹射。这样,可以抵消机翼升力对爬升轨迹的影响,让模型“拉翻”后形成的圆尽可能变成水平状的“大弧线",提高模型改出点的高度。

 

如何更有效地控制弹射模型的吧升轨迹,提高弹射高度,是研究弹射模型飞行成绩的一个重要课题,也是利用航空模型开展科技实探索的重要内容。可根据不同年龄段学生的持点,有针对性地加以引导。如对中小学生,可以让他们查询以往解决这个问题的方案,进行试验并寻找适合自己的方法;而对于高中学生,则可充分运用物理课有关运动力学的原理,从橡筋弹力、弹射速度、飞行角度、模型重量、飞行阻力等方面进行科学的计算分析,寻求控制机构的作用和方式,从而提升在模型制作和飞行中的科学研究能力。

 

对于这款弹射模型飞机,老师可以通过实验尝试指导学生改装水平尾翼产生“推杆效应”的方式控制爬升轨迹。如在水平尾翼下粘接小三角块,可在模型高速飞行时产生“推杆效应”,压制模型“抬头拉翻”的现象。三角块的大小、厚度与飞行速度相关。当模型的重量和外形确定后,飞行速度取决于像筋的弹力大小,而弹力大小则与橡筋的拉伸长度有关。由于每个人手臂长度不同,橡筋的拉伸长度会有差异,因比每架模型水平尾翼上三角块的大小和厚度都会不同。老师要指导学生通过不断的试验试飞,积累数据,找到最佳方案。具体可按表1进行记录分析。

由于在“飞北”角逐规则中,模型不能进行加装,因此老师可以指导学生在水平尾翼后绿靠近中部的位置切出两个向下的舵面。其大小和向下偏转的角度同样由橡筋拉伸的长度决定,也可根表1研究的经验数据试飞后确定。

 

3.改出姿态的调整

弹射模型飞机的调整之所以复杂,在于各个环节都需要兼顾。调整好模型的爬开轨迹后,模型达到最高点时如何改出也十分关键。

弹射模型弹出后势能逐渐増加、动能逐渐減少,到达最高点时势能最大动能为零,此时模型很容易因失速而一头栽下。所以,如何调整模型在最高点改出时的状态,也是值得研究的关键技术。在此过程中,老师可指导学生查阅学习有关理论知识,了解航空模型的控制原理,尝试利用方向舵或机翼翼尖的“好扭”来解决这个问题。

 

如果在模型的垂尾上打一点方向舵,这样当其吧升达到最大速度时,方向舵的作用也达到最大,模型会发生滚转而改变飞行轨迹。通过不断调整舵量,模型便会顺利地由爬升状态转入滑翔状态。

 

在水平尾翼下方粘接三角块

 

在水平唯一切出舵面,同样可以起到改善模型“拉翻”现象的目的

 

4.滑翔姿态和飞行半径的调整

弹射模型由爬升状态改出进入滑翔姿态后,还要通过重心位置和半径的合理搭配来调整飞行状态。此时,老师可指导学生利用橡皮泥在机头和模型盘旋的内翼一侧进行增减,通过不断试飞找到最佳搭配。学有余力的学生,还可以利用翼尖的

 

“好扭”来调整模型。所有这些,都需要学生不断实验、分析,总结经验,以达到最佳的飞行效果。一架小小的弹射模型飞机,在指导学生开展航空模型活动,充分发掘科技实践内涵方面有着积极意义。结合 STEAN教育,注重实践、动手、过程,可让学生逐渐建立关于科学、技术、工程、艺术和数学的知识结构,让青少年在实践中成长。希望此文可以加虽模型教育实践探索的交流,发挥航空模型在科技活动中的STEAM教育功能,让辽阔天空成为青少年放飞科技创新梦想的舞台。



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