Муниципальное Общеобразовательное
Автономное Учреждение
«Гимназия № 2»
Проект на тему «Инверсионный след самолета»
Выполнил:
ученик 3 «В» класса
Мешков Алексей
Оренбург 2024
Содержание
Введение
Когда в 1903 году братья Райт изобрели первый самолет, они и представить не могли, что авиационная промышленность спустя 100 лет станет чрезвычайно прибыльным бизнесом. К тому же авиация сделала огромный рывок вперёд. Тогда как самолёт братьев Райт самолет пролетел всего около 35 метров, современной Boeing 787 может пролететь более 16 тысяч километров на одной заправке.
С момента полета первого самолета прошел 121 год, а первый коммерческий авиарейс состоялся в 1914 году. Сегодня в воздух ежедневно поднимаются тысячи самолетов, которые перевозят миллионы пассажиров.
Самый большой в мире пассажирский самолет - Airbus A380. Этот двухэтажный реактивный лайнер с четырьмя двигателями совершил свой первый полет 27 апреля 2005 года.
Самый маленький в мире реактивный самолет - BD-5 Micro. Его размах крыльев составляет от 4 до 6,5 метров, а весит самолет всего 160 кг.
Самый быстрый самолет в мире - Lockheed SR-71. Этот сверхзвуковой разведчик удерживает рекорд скорости (3530 км/ч) в течение почти сорока лет.
Актуальность. Поднимая голову к небу, очень часто мы видим, что вслед за высоко летящим самолетом простирается беловатый след (полоса), длина которого может достигать километры. А иногда самолет, летящий примерно на такой же высоте, никакого следа не оставляет. Именно этому явлению и посвящена наша работа.
Цель исследования: изучить причину появления белого следа от самолета.
Задачи исследования:
- изучить физическое происхождение следов от самолетов;
- рассмотреть следы самолетов в военное время;
- описать примеры конденсации в природе;
- осуществить домашние эксперименты с целью получения конденсата;
- на основе полученной информации сделать вывод.
Объект исследования: самолет.
Предмет исследования: инверсионный след самолета.
Гипотеза: самолет разрезает воздух и в результате этого разреза остается белый след.
Методы исследования:
- работа с научно-познавательной литературой;
- наблюдение;
- сравнение;
- анализ.
Работа состоит из введения, двух глав, четырех параграфов, заключения и списка использованной литературы.
1.Теоретическая часть
1.1 Физическое происхождение следов самолетов
След, который самолет оставляет за собой, называется конденсационным (рисунок 1). К слову, в народе его часто называют инверсионным следом, но в Википедии напротив «инверсионного» стоит пометка «устаревшее название». Следовательно, наименования «инверсионный след» и «конденсационный след» равнозначны.
Рисунок 1. След самолета
Инверсионный след самолёта — это белая полоса, которую оставляет за собой самолёт во время полёта в верхнем слое тропосферы на высоте 8–10 км при температуре -40...-50 °С.
Когда двигатели самолёта сжигают авиационное топливо, через сопла в воздух выбрасываются мельчайшие нагретые частицы, вокруг которых моментально конденсируется холодная влага из воздуха. Из-за большого количества частиц и огромной скорости, с которой нагретый воздух выбрасывается из турбин самолёта, конденсат быстро трансформируется в кристаллики льда, минуя жидкое состояние. Так и образуется плотный белый шлейф, который расширяется по мере удаления самолёта.
Если воздух влажный и судно летит высоко, четкий белый след на небе может тянуться на десятки и даже сотни километров. В сухом же воздухе влаги мало, и его почти не видно. Также шлейф не образуется при малой высоте полёта.
Это явление связано с циклом воды и возникает при переходе льда в жидкое состояние под воздействием повышенных температур воздуха. Если температура существенно различается между объектами, то растаявший лед переходит в пар и становится газообразным. После этого водяное парообразное вещество может снова стать жидким.
Это и называется конденсацией, которую можно наблюдать при оседании пара на крышку, закрывающую кипящую жидкость внутри кастрюли, или запотевании зеркал и стекол в ванной после использования горячего душа. От таких частиц, которые попадают на другие объекты в виде конденсата, формируются видимые очертания пара.
Когда газообразная вода выходит в атмосферу из горячей жидкости, она постепенно смешивается с ближайшими частицами воздуха и ее температура медленно сравнивается с окружающей. Это физическое явление объясняет, почему после самолета могут образовываться белые полосы — они являются паром.
Если воздух недостаточно влажный, то следы исчезают через несколько минут, а вот самые стойкие из них могут сохраняться более 17 часов, но такое наблюдается крайне редко.
Наблюдая за инверсионным следом пролетевшего самолета через 30-40 секунд после пролета самолета, можно заметить, как инверсионный след начинает изменять свой вид под действием развивающегося вихревого следа. При пересечении инверсионного и вихревого следов возникают весьма замысловатые формы, имеющие вполне определенные закономерности.
В зависимости от количества двигателей и их расположения на самолете инверсионный след может быть одно- или двухполосный (рисунок 2). На рисунке 2 показаны наиболее часто повторяющиеся видоизменения инверсионного следа: скручивание инверсионного следа под действием концевого вихря, причудливые случаи взаимодействия инверсионного следа с концевым вихрем.
Рисунок 2. Виды следов самолета
По следу самолета можно предсказывать погоду. Если след длинный и держится долго - значит, воздух влажный и может пойти дождь, если короткий и быстро рассеивается, то будет сухо и ясно. Поэтому по интенсивности белого следа от летящего самолета можно судить о влажности воздуха в верхних слоях тропосферы, а значит, и о предстоящей погоде.
Быстро исчезающий или едва заметный след говорит о том, что воздух на высоте сухой, а погода будет безоблачной. А если белый след тянется через все небо, то следует ждать ухудшения погоды.
1.2 Следы самолетов в военное время
Облакоподобные потоки можно наблюдать в небе за реактивными самолётами на большой высоте. Они не являются выхлопами двигателей и по своей сути представляют собой один из типов перистых облаков. Явление известно с тех пор, как самолёты достигли слоёв атмосферы с низкой температурой воздуха. Уже во время Второй мировой войны конденсационные следы были серьёзной угрозой для скрытности бомбардировщиков.
В годы Великой Отечественной войны появление следа за самолётом приводило к его гибели. В ясном небе часто можно видеть длинный белый прочерк — след от летящего самолёта. У двухмоторного самолёта ясно видны два следа, а у четырехмоторного, присмотревшись, можно увидеть четыре.
Лётчики времен Великой Отечественной войны вспоминают, что в прифронтовых условиях появление такого следа за самолётом означало его верную гибель — ведь самолёт становился видимым за десятки километров.
След за самолётом образуется тогда, когда температура окружающего воздуха ниже температуры конденсации паров воды. Чтобы избавиться от следа, нужно снизиться до такой высоты, где окружающий воздух имеет более высокую температуру, при которой туман не образуется. Иногда воздух на определенной высоте бывает достаточно сухим, поэтому след самолета едва заметен или быстро исчезает.
Иногда во время Великой отечественной войны наши лётчики шли на хитрость и использовали след самолёта, чтобы ввести противника в заблуждение. Вначале лётчик летел в некотором направлении на высоте, где образуется видимый след. Затем он переходил на другую высоту, где следа нет, и спокойно летел в другом нужном ему направлении (из рассказа воздушного разведчика Я.Н. Орлова).
Технический прогресс в эффективности двигателей шёл в направлении развития реактивной тяги, более полного сжигания топлива и, как следствие, большого количества соединений водорода и кислорода в результате реакции. Лучшие самолёты имели пониженную температуру выхлопных газов, что также способствовало возникновению явления.
На больших высотах (от 8 тыс. метров), там, где летают реактивные самолёты, воздух очень холодный (-40 °C и ниже), поэтому водяной пар легко конденсируется на частицах сажи в выхлопах двигателей, превращаясь в капельки влаги, а затем мгновенно охлаждается до кристаллизации в частички льда. В результате за двигателем образуется белый след из замороженного тумана. В зависимости от атмосферной влажности он или исчезает довольно быстро, или остаётся на месте несколько часов, перерастая в структуру, напоминающую обычные перистые облака.
В большинстве случаев инициатор явления — водяной пар в выхлопных газах, но конденсация может происходить и самостоятельно в зонах с пониженным давлением вокруг самолёта. Такую природу имеет заметная иногда лёгкая дымка, срывающаяся с кончиков крыльев при полётах на большой высоте.
2. Экспериментальная часть
2.1 Конденсация в природе
Конденсация происходит ежедневно в природе, ее можно наблюдать простым способом, особенно в холодное время года.
Изучив литературу по данному вопросу, мне удалось обнаружить несколько примеров, когда человек способен заметить явлении конденсации. Далее разберем примеры, которые мне удалось найти.
Если вы встанете очень рано утром и выйдете на улицу, то вы сможете увидеть росу (рисунок 3). Росу можно обнаружить на окне вашего дома, на крыше автомобиля или на листьях в саду.
Рисунок 3. Роса
Это явление происходит, поскольку в ночное время воздух у земли охлаждается до или даже ниже температуры росы. В результате водяной пар в атмосфере становится насыщенным и конденсируется, образуя росу на траве.
Очень часто в холодных и влажных местах, утром или с наступлением темноты, возникает туман (рисунок 4). Туман – это та белая толща, которая не позволяет видеть далеко. Его внешний вид очень похож на вид, наблюдаемый при взгляде на небо и облака, но в этом случае он наблюдается на меньшей высоте и однородным образом, а в облаках он более рассеян, как указано в следующих сегментах.
Рисунок 4. Туман
Туман возникает ночью, когда температура воздуха низкая. Он образован очень тонким слоем взвешенных в воздухе капель воды, которые не имеют возможности упасть на землю из-за действия силы тяжести, потому что их вес не так велик, как у тех, что падают с дождем.
Очень часто мы смотрим на небо и видим облака, белые и пушистые, совершенно абстрактные. Облака образуются в результате охлаждения водяного пара в атмосфере. Когда температура водяного пара падает до точки росы или ниже, он конденсируется, превращаясь в крошечные капли воды. Эти капли цепляются за крошечные частицы пыли в атмосфере и становятся облаками.
Когда облака кажутся темными, достигая серого или черного оттенка, это означает, что они переполнены жидкостью, которая позже выпадает в виде дождя, а также их высота не так высока.
Далее необходимо упомянуть об одном из явлений, которое чаще всего происходит на планете Земля или, по крайней мере, больше воспринимается человеческим глазом. Речь идет о дожде (рисунок 5).
Рисунок 5. Дождь
Дождь возникает, когда вокруг частиц атмосферной пыли конденсируется слишком много воды, чтобы вода оставалась в небе в виде облаков. Вместо этого конденсированные капли становятся больше, тяжелее и в конечном итоге падают на землю в виде дождя.
Другие формы осадков, такие как снег и мокрый снег, также связаны с конденсацией. Снег и мокрый снег - это замерзшие капли воды.
Снег в данном случае это тоже кристаллы льда, но они отличаются от предыдущих размерами, так как они меньше в диаметре. Эти кристаллы сгруппированы в чешуйки, чаще всего они имеют открытую структуру и гладкую текстуру. Это явление происходит с помощью водяного пара, который проходит через высокие отложения в атмосфере с температурой выше нуля градусов по Цельсию, а затем выпадает в осадок по направлению к земле.
Еще одним примером может послужить видимое дыхание в холодных условиях. При подходящих условиях можно увидеть собственное дыхание в виде конденсата. Когда теплый и влажный пар, из которого состоит ваше дыхание, попадает в холодный и влажный воздух, он превращается в крошечные капли воды. Эти капли приобретают вид облаков, которые вы можете видеть.
На самом деле не обязательно находиться на улице в холодную и влажную погоду, чтобы увидеть свое дыхание в виде конденсата. Вместо этого можно просто поднести маленькое зеркало ко рту и выдохнуть через него. Водяной пар в дыхании будет конденсироваться, и зеркало станет туманным.
Еще одним примером является запотевшее зеркало. Когда вы выходите из горячего душа и смотрите в зеркало в ванной, скорее всего, вы не сразу увидите свое отражение. Вместо этого вам придется использовать полотенце, чтобы стереть конденсат, образовавшийся на поверхности зеркала. Это вызвано тем, что теплый водяной пар контактирует с более холодной поверхностью зеркала.
2.2 Домашние эксперименты
Для более детального понимания явления мною дома было проведено два эксперимента.
Первый эксперимент – эксперимент с бутылкой с целью получения конденсата.
Для этого понадобится чистая вода, пустая пластиковая бутылка любого размера и свободная морозильная камера. Эксперимент займет не более 30 минут.
Рассмотрим ход эксперимента поэтапно:
1. Взять подходящую бутылку, которая потом поместится внутри морозильной камеры. Цвет не имеет значения.
2. Наполнить выбранную емкость водой, чья температура не превышает комнатную, закрыть и поместить на 20 минут внутрь морозильной камеры (рисунок 6,7).
Рисунок 6. Рисунок 7.
3. Достать бутылку из морозилки, поставить на видное место и наблюдать в течение нескольких минут (рисунок 8,9).
Рисунок 8. Рисунок 9.
4. При размораживании бутылки на ее поверхности появятся капельки воды, что сделает ее сырой (рисунок 10).
Рисунок 10. Конденсат на бутылке
Это происходит из-за конденсации, которая возникает при контакте теплого воздуха с ледяным пластиком и стимулирует выделение влаги.
Второй эксперимент – эксперимент с банкой с целью получения облака.
Этот простой научный эксперимент покажет, как водяной пар превращается в облачко.
Для проведения эксперимента понадобится всего несколько предметов, которые, есть в каждом доме: пустая стеклянная банка с крышкой, горячая вода, синий пищевой краситель (по желанию), лед и спички (рисунок 11).
Рисунок 11.
Рассмотрим ход эксперимента поэтапно:
1. Необходимо подготовить воду. Налейте горячую (не кипящую) водопроводную воду в банку примерно на 1/4 ее объема (рисунок 12). Раскрашивать воду необязательно, но это поможет сделать эксперимент еще интереснее (рисунок 13).
Рисунок 12. Рисунок 13.
Переверните крышку вверх дном и поместите ее на верхнюю часть банки. Положите несколько кубиков льда на крышку и оставьте на банке примерно на 20 секунд. Затем снимите крышку (рисунок 14).
Рисунок 14.
2. Использование спичек. Зажгите спичку, затем подержите зажженный конец в банке несколько секунд, чтобы туда проник дым. Затем бросьте спичку в банку (рисунок 15). Закройте крышку, оставив лед наверху. Вы увидите, как медленно будет формироваться облако (рисунок 16).
Рисунок 15. Рисунок 16.
Когда водяной пар конденсируется на частицах в воздухе (таких как пыль или дым), образуется облако. В этом эксперименте частицы вводились через дым от спички. Лед на крышке создавал конденсат, необходимый для образования капель воды.
Заключение
Изучив информацию по теме, а также проведя два эксперимента, можно с уверенностью заявить, что моя гипотеза о том, что «самолет разрезает воздух и поэтому оставляет за собой след» не подтвердилась.
Подводя итог проделанной работе, можно сделать вывод о том, что след, который самолет оставляет за собой, называется конденсационным. След самолета – это как выхлопные газы из машины, но только в небе.
Конденсационные следы самолетов могут влиять на климат Земли. Учёные выяснили, что искусственные облака, т.е. белый след от самолёта вредны для климата Земли, так как эти облака плохо пропускают солнечные лучи и снижают температуру Земли более чем на 1 градус.
Повышение содержания углекислого газа в атмосфере привело к увеличению числа случаев турбулентности. Кроме того, многие эксперты считают, что глобальные изменения климата приведут к тому, что количество случаев турбулентности в ближайшем будущем еще более увеличится.
Кроме того, удалось выяснить, что по следу самолета можно предсказывать погоду.
Для того, чтобы избавиться от следа самолета, нужно снизиться до такой высоты, где окружающий воздух имеет более высокую температуру, при которой туман не образуется.
Список использованной литературы
Инверсионные следы от самолетов к 2050 году утроят влияние на климат Земли. -
[Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://nauka.tass.ru/nauka/6815563
(дата обращения 1
0
.08.2023).
Кабардин О.Ф. Физика 8 класс. - учебник. -
М.:
Просвещение
, 20
22
. –
175
с.
Летайте бесследно.
- [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://www.gazeta.ru/science/2014/06/19_a_6076909.shtml
(дата обращения 1
3
.08.2023).
Перышкин
А
. В.
Физика 7 класс
.
–
учебник. -
М.:
Экзамен
, 20
21
. –
240
с.
Почему за самолетом остается след
. - [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://s233.ru/pochemu-za-samoletom-ostayetsya-sled-a-inogda-net/
(дата обращения
10
.0
8
.202
3
).
Тайны инверсионных следов самолетов
. - [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://rocca.ru/avto-transport/tajny-inversionnyh-sledov-ot-samolyotov
(дата обращения 13.08.2023).
Хирс Д
.
Испар
ение и конденсация / Д.Хирс, Г.Паунд
.
–
М.: Высшая школа,
2021. – 118 с.
23 любопытных факта о самолётах и авиастроении
.
- [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://novate.ru/blogs/180316/35535/
(дата обращения
08
.0
8
.202
3
).
