Воздухоплавание в физике. Презентация на тему "история воздухоплавания"

На законе Архимеда основано воздухоплавание: полет дирижаблей, аэростатов, шаров-зондов. Их полет напоминает плавание подводной лодки под водой.

Если сила тяжести летательного аппарата (рис. 1) вместе с силой тяжести газа, заполняющего оболочку, меньше веса воздуха в объеме, вытесняемом аппаратом, то шар поднимается вверх; если они равны, то шар неподвижно висит в воздухе; если сила тяжести больше веса воздуха, шар опускается.

Условие плавания воздушного шара может быть выполнено, если плотность газа, наполняющего шар, меньше плотности воздуха. Для этого используется водород, гелий или нагретый воздух.

Разность между весом воздуха в объеме оболочки аппарата и весом легкого газа, заполняющего эту оболочку, называют подъемной силой летательного аппарата (аэростата).

Хотя закон Архимеда для газов объясняет полет воздушного шара, но выталкивающая сила возникает здесь не так, как в случае твердого тела. Нижнюю часть оболочки (рис. 2) оставляют открытой; давление газа (например, водорода) у нижнего отверстия равно давлению воздуха. Давление водорода и давление воздуха уменьшаются при поднятии вверх. Значит, давление как воздуха, так и водорода на разных участках шара будет меньше, чем у нижнего отверстия, но давление легкого водорода убывает медленнее, чем воздуха.

Поэтому на оболочку внутри будет действовать большее давление, причем самая значительная разница давлений водорода и воздуха получится в верхней части оболочки. Следовательно, сила, действующая на купол оболочки изнутри, будет больше, чем снаружи. Разность между этими силами и уравновешивает силу тяжести оболочки с грузом.

Таким образом, выталкивающая сила создается не благодаря разности давлений на нижнюю и верхнюю части тела (как в случае твердого тела), а благодаря разности давлений изнутри и снаружи на верхнюю часть оболочки.

В начале полета шар наполнен водородом настолько, что выталкивающая сила превосходит его силу тяжести, и он поднимается вверх. Когда шар достигает слоев воздуха с меньшим давлением, водород расширяется и часть его выходит из нижнего отверстия. Таким образом, на высоте уменьшается и наружное, и внутреннее давление, уменьшается и равнодействующая этих сил давления, т.е. выталкивающая сила. На некоторой высоте она станет равна весу шара с находящимся в нем газом, и шар повиснет. Для того чтобы опуститься на землю, следует выпустить из оболочки часть газа. Для этого в верхней части баллона имеется клапан, который можно открыть при помощи веревки из корзинки шара. При открывании клапана газ, имеющий большее давление, чем окружающий воздух, выходит наружу. Через нижнее отверстие это невозможно, так как здесь давление водорода и воздуха одинаково.

Очень многие законы физики мы используем в повседневной жизни, сами того не зная. Например, когда мы надуваем воздушный шарик и запускаем его в небо, то мы используем такое явление, как воздухоплавание.

Ровно то же самое делали ученые прошлых столетий при изобретении огромных воздушных шаров, которые сегодня используются в основном как развлечение. Тогда же воздушные шары были огромным рывком в попытке человека исследовать слои атмосферы. Как же так происходит? Почему воздушный шар поднимается в небо, вместо того, чтобы падать на землю, как все «нормальные» физические тела. Все дело в Архимедовой силе - той силе, при помощи которой любая среда выталкивает тела наверх.

Воздухоплавание и... водоплавание?

Легенда гласит, что древнегреческий ученый Архимед во время принятия ванны заметил, что если наполнить ванну до краев и лечь в неё, то часть воды выльется. Гениальная догадка Архимеда была в том, что объем вымещенной воды равен объему его тела. И всё, чем тело Архимеда отличалось от воды - это лишь плотность. И Архимед не всплывал на поверхность ванны, только потому, что плотность его тела была больше плотности воды. Если же взять вещества, чья плотность меньше плотности воды, то они благополучно всплывут на поверхность - все мы видели, как трудно утопить деревянный брусок или кусок пенопласта. Это и обуславливает плавание тел.

Ровно по такому же принципу осуществляется воздухоплавание. Вот у нас есть воздушный шар, наполненный самым обычным воздухом. Массу такого шара удобно разбить на массу самого шара (корзина, балласт и проч.) и массу того воздуха, которым шар наполнен. В роли жидкой среды у нас выступает воздух (словосочетание «жидкая среда» не должно ассоциироваться только с жидкостями - газы также являются жидкими средам).

Воздухоплавание: принцип действия

Архимедова сила

F1=g*ρ1*V1

где V1 - объем воздуха в шаре,
а ρ1 - плотность воздуха.

А сила тяжести , действующая на воздух в шаре:

F2=g*ρ2*V1

где ρ2 - плотность воздуха внутри шара.

Так как на данном этапе воздух в шаре абсолютно такой же, как и воздух вне шара, то ρ1=ρ2, а значит F1=F2, то есть Архимедова сила, действующая на воздух в шаре снизу верх, равна силе тяжести воздуха шаре, направленной сверху вниз, к земле. Силы эти равны и направлены друг против друга, а значит эффект от этого нулевой. А ведь еще есть корзина, балласт, человек и все остальное, что требуется поднять в небо. Как же быть?

Давайте рассуждать: нам нужно сделать так, что Архимедова сила, действующая на воздух в шаре стала больше силы тяжести, тогда сила, толкающая верх станет больше силы, тянущей вниз, и шар взлетит. Мы понимаем, что объем самого шара - постоянен, а значит объем V1 нам изменить не удастся (да и незачем). А вот изменить плотность воздуха внутри шара мы можем! Там нужно, чтобы F1 было больше, чем F2, то есть, чтобы ρбыло больше, чем ρ1. Как же уменьшить плотность воздуха в воздушном шаре? Его надо нагреть!

Если мы установим под шаром горелку и будем нагревать воздух внутри шара. При увеличении температуры воздуха, плотность его будет уменьшаться. Плотность воздуха внутри шара станет меньше плотности воздуха вне шара, Архимедова сила станет больше силы притяжения Земли, как следствие, шар начнет подниматься вверх. Но нам следует учесть, что поднять надо не только сам шар, но и кабину с грузом на борту. Значит объем шара должен быть достаточно большим, чтобы разницы сил (Архимедова сила минус сила тяжести) хватило для поднятия груза. Уменьшая или увеличивая пламя горелки, мы можем подниматься или опускаться на нужную высоту.

Иногда воздушный шар наполняют не воздухом, который надо нагревать, а скажем водородом или гелием, чья плотность в принципе меньше плотности воздуха. Для маневрирования шаром опять же можно использовать горелку и балласт. На этом же принципе работают и дирижабли. Дирижабль - это тот же воздушный шар, только с пропеллером, который позволяет двигаться не только под действием силы ветра, но и в любом выбранном направлении.

Ю. БОЙКО, начальник отдела русского воздухоплавательного общества.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Шарльер середины прошлого века практически не отличался от того, что применяется сегодня.

Привязной змейковый аэростат.

Советский аэростат-разведчик.

Так теперь заполняют монгольфьер горячим воздухом.

Сбор семян с деревьев.

Аэростат-кран на трелевке леса.

Строительство плотины при помощи аэростата.

Схема современного монгольфьера.

Так выглядит сверху оболочка и ее купольное кольцо.

Воздухоплавание в наше время становится все более и более массовым: тысячи ярко раскрашенных шаров плывут над всеми континентами, и даже Северный и Южный полюсы покорены путешественниками-воздухоплавателями. Для них, наконец, появился сравнительно дешевый, неприхотливый и простой в управлении летательный аппарат, путешествие на котором доставляет ни с чем не сравнимое ощущение полета.

Впервые, как принято считать, аэростат появился на свет 5 июня 1783 года. В этот день во французском городке Видалон-лез-Адонне, несколько южнее Лиона, поднялся в воздух так называемый монгольфьер - наполненный горячим дымом шар из бумаги и льняного полотна. Он был изготовлен братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье - мастерами по производству бумаги, которых на идею создания такого шара натолкнули наблюдения за сжигаемой на костре бумагой и улетающими в небо ее обгоревшими клочками.

Существуют, впрочем, не слишком достоверные сведения и о куда более ранних полетах воздушных шаров. Например, о том, который был поднят в Пекине в 1306 году во время церемонии вступления на престол императора Фо Киена. Или о том, на котором в 1709 году летал португальский монах Бартоломео де Кусмао. Но все же официальным днем рождения аэростата считается 5 июня 1783 года.

А через два с половиной месяца в Париже на Марсовом поле был поднят в воздух и первый шарльер - шар, наполненный легким газом. Свое название он получил по имени французского профессора физики Жака Шарля, нашедшего способ заполнения шара водородом. Шарльер оказался много эффективнее монгольфьера и много опаснее его, поскольку водород в 15 раз легче воздуха, но чрезвычайно взрывоопасен. Поэтому впоследствии - после открытия гелия - шарльеры стали заполнять им.

Первые аэростаты были беспилотными, но уже в ноябре того же 1783 года на монгольфьере впервые поднялись люди - маркиз дўАрланд и Пилатр де Розье, стоявшие в прикрепленной к нижней части оболочки корзине. В центре ее находилась жаровня, поставлявшая внутрь оболочки горячий воздух, а сама корзина и оболочка были пропитаны специальным противопожарным составом.

В следующем десятилетии - во время Великой французской революции - воздушные шары начали свою военную карьеру, активно продолженную и в XIX веке. Во франко-прусской войне 1871 года, например, была с их помощью налажена постоянная связь с окруженным немцами Парижем. За 4 месяца на 65 аэростатах было переправлено 150 пассажиров и 16 675 килограммов писем и депеш общим числом более 3 миллионов.

В 1869 году в России была организована постоянная Комиссия по применению воздухоплавания к военным целям, а с 1870 года - в Усть-Ижорском саперном лагере под Петербургом велись наблюдения с аэростатов за передвижениями войск и корректирование артиллерийской стрельбы. В ряде стран появились люди, занимавшиеся аэронавтикой профессионально.

В конструкциях свободных газовых аэростатов постепенно учитывался опыт многих тысяч полетов. Более легкими и прочными стали материалы оболочек, и их пропитывали составами, сводящими к минимуму утечку несущего газа. Более надежным и удобным стал такелаж: тросы, стропы и прочее оборудование. Современный аэростат для свободных полетов почти не отличается от того, что летал полтора века назад (рисунок вверху).

Его изготовленная из шелка оболочка была снабжена вверху клапаном для выпуска газа, а внизу - отростком, "аппендиксом", который тоже свободно сообщался с атмосферой. Открывали газовый клапан при помощи проведенного от него к гондоле шнура. Туда же был проведен и другой шнур - от разрывного полотнища, которым аэронавт пользовался для быстрого выпуска газа при посадке.

Оболочка покрывалась сетью из шелкового шнура, связанного в виде петель. Книзу число петель постепенно уменьшалось, и они сходили с шара отдельными спусками, которые затем привязывались к подвесному кольцу из дерева или металлической трубки. К этому кольцу подвязывались и стропы гондолы, якорь и балластный канат - гайдроп. Манипулируя им, а также газовым клапаном и балластом, опытные аэронавты совершали длительные полеты.

Но поднимаемый на привязи свободный аэростат оказывался весьма неустойчивым. Уже при ветре более 10 метров в секунду находящийся в гондоле наблюдатель и вовсе не мог выполнять свои функции. Чтобы удержать аэростат, требовались очень прочные канаты и особо укрепленные места их присоединения к оболочке, а этот дополнительный вес снижал его подъемную силу. Для повышения устойчивости привязных воздушных шаров в ветреную погоду стали придавать им удлиненную форму и оснащать их оперением, а управлять ими - при помощи канатов, идущих к наземным лебедкам.

Свое первое практическое применение такие аэростаты нашли в военном деле: их успешно использовали еще в армии Наполеона - для подъема наблюдателей, а впоследствии - в гражданской войне 1861-1865 годов в США - для разведки и корректирования огня артиллерии. Наибольшее распространение получила в те годы конструкция привязного змейкового аэростата, который, подобно воздушному змею, устойчиво парит в воздухе за счет взаимодействия скоростного напора ветра с оболочкой. Ее внутренний объем разделен диафрагмой на два отсека: газовместилище и так называемый "воздушный баллонет", который сообщается с окружающей атмосферой и наполняется ветровым потоком.

Подобные аэростаты с успехом применялись как в первую мировую войну - для разведки и корректировки огня артиллерии, так и во вторую мировую - в качестве аэростатов заграждения. Военное использование аэростатов продолжалось и в годы "холодной войны". Аэростаты-разведчики беспрепятственно пересекали границу в толще облаков, засечь их локаторами было практически невозможно. А если даже удавалось их обнаружить, то сбить было тоже непросто: при большом объеме газа пробоины не приводят к быстрой утечке.

Для связи погруженных подводных лодок в СССР и США были разработаны аэростатные антенные системы дальней связи.

Но и в мирной жизни аэростаты применяются достаточно широко. Стратостаты, например, оказывают немалую помощь астрономам, поднимая телескопы на такие большие высоты, где прозрачность атмосферы почти идеальна. Первыми такой подъем осуществили американцы в 1957 году, когда стратостат объемом 85000 кубометров поднял телескоп "Стратоскоп-1" на высоту 24 километра. В дальнейшем подобные подъемы осуществлялись и у нас.

Известны в истории воздухоплавания и случаи запуска космических аэростатов. В 1960 году в США был запущен при помощи ракеты-носителя спутник-аэростат связи "Эхо-1". Его выполненная из полиэфирной пленки и покрытая с обеих сторон алюминиевой фольгой оболочка располагалась во время запуска в контейнере в свернутом виде. Внутри нее находились 20 килограммов самовозгорающегося порошка ацетамида. После раскрытия контейнера и нагревания солнечными лучами он превратился в газ и заполнил оболочку. На высоте 1680 километров спутник-аэростат "Эхо-1" просуществовал 9 лет и использовался как радиоотражатель. Аналогичный ему спутник-аэростат "Эхо-2" просуществовал на высоте 1030-1310 километров около 15 лет. Оба эти спутника можно именовать стратостатами - они располагались в самых верхних слоях атмосферы. Используют стратостаты и для других космических нужд: для испытания космических приборов и герметических кабин, для изучения космического излучения, для исследования струйных течений на больших высотах.

А привязные аэростаты широко применяют для самых мирных целей: для трелевки леса, разгрузки судов, в качестве аэростатов-кранов на строительстве плотин, дамб, при разработке карьеров, особенно глубоких. Удобно использовать небольшие аэростаты и для сбора семян с элитных деревьев или кедровых шишек.

В конце 1970-х годов в Киевском общественном КБ воздухоплавания была спроектирована аэростатная тропопаузная ветроэлектростанция (ТВЭС). На высоте 8000-10000 метров, где располагается тропопауза (граница между тропосферой и стратосферой), существуют постоянные ветровые потоки со скоростью 70-100 метров в секунду. Концентрация ветровой энергии на этих высотах в 20-25 раз выше, чем у поверхности Земли. Киевские конструкторы предложили установить на привязном аэростате со стеклопластиковой оболочкой ветроколесо и электрогенераторы, а получаемую энергию передавать по кабель-тросу на Землю. Предполагаемая мощность такой ветростанции должна была составить 1500 кВт, а годовая выработка - около 10 млн. кВт. ч. Проект не был осуществлен.

Последние полтора десятилетия отмечены расцветом спортивного воздухоплавания. Помимо простоты управления и сравнительной дешевизны воздушный шар отличается относительной компактностью: в собранном виде его оболочка вместе с корзиной легко умещаются в прицепе легкового автомобиля. Гелий для спортивных полетов слишком дорог: каждый его кубометр стоит около 50 рублей, а требуется для наполнения оболочки не менее 1000 кубометров. И поскольку газ после посадки приходится выпускать в атмосферу, то на гелиевых аэростатах совершаются лишь уникальные полеты - рекордные и научные - длительностью в несколько суток. Для путешествий же и обычных спортивных полетов используется, как правило, монгольфьер, схема которого приведена на рисунке вверху.

Оболочка его имеет в верхней части так называемый парашютный клапан. Открывается он при помощи шнура управления, конец которого опущен в гондолу. Сама гондола, как и два века назад, изготавливается из ивовых прутьев или тростника, которые обладают хорошими амортизирующими свойствами и выдерживают удары при грубой посадке.

Нагрузку от массы гондолы и ее содержимого передают на ткань оболочки оплетающие ее вертикальные и горизонтальные силовые ленты. Их, так же как и саму оболочку, делают теперь из легких и прочных синтетических материалов. Ткань оболочки обрабатывают так, что она становится воздухонепроницаемой, устойчивой к солнечной радиации и негорючей. Нижняя же часть оболочки - так называемая юбка - выполняется из огнестойких полимерных тканей, способных выдержать температуру до 500 градусов, температура воздуха в оболочке обычно равна 90-100 градусам Цельсия. Поддерживается она при помощи одной или двух горелок, соединенных шлангами с газовыми баллонами, а топливом служит жидкий пропан, бутан или их смесь. Жидкий газ попадает в погруженную в него трубку благодаря давлению насыщенных паров и, пройдя по шлангу и через управляемый пилотом огневой клапан, попадает в испаритель. Здесь он превращается в пар и, смешавшись с воздухом, сгорает в форсунках. Мощность горелок может достигать двух миллионов килокалорий в час. Дежурная горелка горит слабым пламенем постоянно - с тем, чтобы от нее можно было зажечь форсунки.

Газовый баллон вмещает обычно около 35 килограммов пропана, этого достаточно для 45-60 минут полета монгольфьера. Каждый баллон снабжен предохранительным клапаном и манометром. Когда в одном баллоне газ кончается, пилот переключается на другой баллон. Помимо горелок и баллонов в гондоле установлены высотомер, вариометр (измеритель вертикальной скорости), датчик температуры воздуха в оболочке, радиостанция, огнетушитель и аптечка.

Удельная подъемная сила горячего воздуха при температуре 100 градусов Цельсия составляет 0,278 килограмма на кубометр. Это значит, что шар объемом 1500- 2000 кубометров может поднимать полтонны, то есть трех - четырех человек и три - четыре баллона с пропаном. С увеличением же объема шара увеличивается, разумеется, и подъемная сила. В 1988 году в Голландии был поднят монгольфьер объемом 24000 кубометров, его 50 пассажиров размещались в комфортабельной двухпалубной корзине.

На монгольфьерах совершены уникальные полеты: перелет через Атлантический океан, подъем на высоту 18000 метров, готовится облет земного шара за две недели.

Аэростат - это летательный аппарат, он обязательно должен иметь свидетельство о его регистрации и свидетельство годности к полетам, которое выдается сразу после изготовления и продлевается комиссией после налета определенного количества часов. Сами пилоты аэростатов проходят подготовку в воздухоплавательных школах и после прохождения теоретического курса и полетов - сначала с инструктором, а затем самостоятельных - получают соответствующие документы. Ежегодно они проходят медкомиссию и проверку теоретических знаний.

Каждый полет тщательно готовится. Разрабатывается маршрут, который не должен проходить в районах аэропортов, военных объектов и т. п. В органы воздушного надзора сообщаются все данные о полете - дата, место старта, высота и цели полета. После получения разрешения на полет изучаются метеосводки: важно знать не только силу и направление ветра, но и температуру воздуха, высоту облачности, виды осадков. Все это позволяет планировать полет и обеспечить его безопасность.

Развитию воздухоплавания в нашей стране активно содействует Русское воздухоплавательное общество, основанное еще в 1880 году, выпускающее сегодня литературу по аэронавтике, организующее выставки и спортивные соревнования.

Всемирная федерация воздухоплавания проводит чередующиеся чемпионаты мира: в четные годы - для монгольфьеров, в нечетные - для газовых аэростатов. У нас в стране Федерация воздухоплавания была организована в 1990 году и с тех пор провела ряд общероссийских и международных соревнований. Ее члены участвуют в чемпионатах мира и Европы.

Стоит, пожалуй, добавить, что для жителей многих стран, а с некоторых пор и для жителей крупных российских городов уже стали привычными рекламные аэростаты, несущие на своих бортах полотнища или эмблемы рекламодателей, иногда подсвеченные изнутри, снабженные звуковещательными установками, выполненные в виде каких-то забавных фигур. Все чаще городские праздники не обходятся без этих нарядных и важно плавающих в воздухе летательных аппаратов.

Несмотря на свою относительную консервативность, аэростатная техника постоянно совершенствуется и находит воздушным шарам все новые и новые области применения. Тому немало способствуют и разработки отечественных конструкторов из воздухоплавательного центра "Авгуръ", фирм "Интеравиа", ПК "Воздух", "Аэронатц", "Аэроэкология", НПФ "Аэрогипнефо", "Урал-Джиком" и других.

См. в номере на ту же тему

На все тела в воздухе действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы найти архимедову силу , действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле, умножив ускорение свободного падения на плотность воздуха и на объем тела.

F а = g pV т

Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.

Чтобы воздушный шар поднимался выше, его надо наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть водород, гелий или нагретый воздух.

Для того чтобы определить, какой груз может поднять воздушный шар, надо знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести.

F под = F а - (F т оболочки + F т газа внутри + F т груза)

Как же добиться, чтобы сила тяжести F т была меньше силы Архимеда F a ?
Надо подумать каким газом заполнять воздушный шар!
Разность между весом 1м 3 воздуха и весом 1м 3 газа называют подъемной силой 1м 3 газа.

Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия его плотность уменьшается только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющуюся смесь. Негорючим и одновременно легким газом является гелий.

Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше.

После того, как архимедова сила достигнет значения, равного силе тяжести, подъем воздушного шара прекратится.
Чтобы подняться еще выше надо уменьшить силу тяжести Fт, для этого с шара сбрасывают балласт. Сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила опять оказывается больше.
Или можно увеличить силу Архимеда Fа, увеличив объем шара. Для этого надо закачать в оболочку дополнительную порцию газа.

Для того, чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхей части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа. После этого шар начнет опускаться вниз.

Температуру теплого воздуха внутри воздушного шара можно регулировать с помощью обычно газовой горелки, установленной под оболочкой. Увеличивая пламя горелки, можно заставить воздушный шар подниматься выше и наоборот. Если подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар с корзиной окажется равной силе архимеда,
то шар " повиснет" в воздухе.

Краткая энциклопедия воздухоплавания..........

ПОСЧИТАЙ

В некоторых мультфильмах надувшийся человечек всплывает в воздух.

Каким должен стать объем тела человека, чтобы при массе 50 кг, он мог бы всплыть в воздух? Плотность воздуха = 1,3 кг/м3.
Считайте, что при надувании масса тела не увеличивается. А если учесть увеличение массы за счет втягиваемого воздуха, то изменится ли ответ?

"ВОЗДУШНЫЕ" ЗАДАЧИ

В атмосфере какой планеты будет подниматься воздушный шар, наполненный воздухом?

1. Можно ли на Луне для передвижения космонавтов пользоваться воздушными шарами?

2. Две одинаковые по весу оболочки воздушного шара, сделанные одна из тонкой резины, а другая из прорезиненной ткани, наполнены одинаковым количеством водорода (водород из шаров выходить не может) Какой шар поднимется выше?

3. Одинаковый ли вес покажут весы при взвешивании камеры от футбольного мяча, надутой воздухом при атмосферном давлении (камера еще не приняла шарообразной формы), и той же камеры, не надутой воздухом?