Условие полета воздушного шара

Антуан де Сент-Экзюпери, французский летчик и поэт совершил вынужденную посадку в африканской пустыне и проснулся на гребне с лицом, обращенным к звездам. «Не сразу поняв, что за глубины передо мной, не находя корня, за который можно уцепиться, ни крыши, ни ветки дерева между мной и этими глубинами, я почувствовал головокружение, почувствовал, что уже оторвался и лечу в бездну.

Однако я никуда не упал. От затылка до пят я был связан с Землей. Я отдался ей всей тяжестью своего тела и ощутил какое-то успокоение. Сила тяготения казалась мне всемогущей, как любовь.

Я ощутил, что Земля меня подпирает, поддерживает, поднимает и уносит в ночное пространство. Я открыл, что тяжесть тела прижимает меня к планете, как на поворотах прижимает тело к машине; а наслаждался этой поддержкой, ее прочностью, ее надежностью и ощущал под тяжестью тела изогнутую палубу моего корабля. Я чувствовал в своих плечах эту силу тяготения — гармоничную, постоянную, на веки веков одинаковую. Я был связан с родной Землей».

Да, только благодаря притяжению Земля стала для нас Матерью. Гравитация удерживает на Земле людей, животных, воду и воздух. Тысячи лет человек мечтал о полете над облаками. Но сила тяжести привязывала его к земле. Люди обошли все земли, изучили все реки и моря, но небо оставалось далеким и непонятным. Человека манили голубые дали. Наблюдая мир живой природы, стремительные полеты птиц, человек давно стал мечтать о возможности лететь по воздуху. Во многих странах возникали мифы, сказания, легенды о людях, пытавшихся подняться в воздух.

Икары Сколько их было! И на Руси было немало желающих ощутить себя птицей, парящей над облаками. Люди делали крылья из разных материалов: дранок, ткани, пузырей и кожи животных. И испытывали свои крылья по-разному. Кто-то с разбегу пытался оторваться от земли, размахивая крыльями, как петух. Кто-то с дерева прыгал, а кто и с церковных колоколен.

Именно поэтому на Руси были запрещены попытки летать. При Иоанне Грозном вышел указ о том, что любой, кто ослушается запрета, должен быть казнен. Еще в1227 году в Новгороде за попытку летать были сожжены четыре человека.

Из некоторых источников известно, что первый полет на воздушном шаре осуществил наш соотечественник в 1731 году и только в 1783 году его попытку повторили братья Монгольфье. Русским испытателем воздушного шара бы рязанский подьячий Крянутной. Это событие не только не принесло славы нашей стране, но и чуть не закончилось печально для аэронавта и его конструкции. Местные священнослужители, возмущенные такой еретической дерзостью чуть было не «закопали живого в землю».

Воздушные шары, самолеты, дирижабли, планеры, вертолеты Сбылась мечта человека, он может летать. Эра воздухоплавания началась с изобретения братьями Монгольфье аэростата. Летательные аппараты легче воздуха называют аэростатами. Первые аэростаты имели обычно форму шара, отсюда их другое название - воздушные шары. Аэростат - это оболочка, заполняющаяся газом более легким, чем воздух. Так же как и погруженный в воду мяч в соответствии с законом Архимеда всплывает на поверхность, аэростат стремиться подняться из нижних слоев атмосферы вверх, где плотности газа в оболочке и наружного воздуха практически одинаковы. Достигнув определенной высоты, аэростат оказывается во власти воздушных течений и как бы плывет по воздуху. Отсюда происходит термин «воздухоплавание».

Итак, первый воздушный шар, созданный братьями Жозеф и ЭтьенМонгольфье, был запущен в маленьком неизвестном городке Аноне. На середине площади висел на столбах огромный полотняный шар - семь саженей в ширину. Шар был покрыт сверху бумагой, снизу было большое отверстие, а под отверстием висела жаровня. Братья Монгольфье положили в жаровню горячие угли. Они нагрели воздух в шаре, он расширился, часть его вышла, шар сделался легче. Братья перерезали канат, и шар рванулся в облака.

Братья Монгольфье захотели узнать, можно ли летать на таком шаре людям. Но желающих отправиться в воздушное путешествие не было, никто не решился. Монгольфье привязали большую плетеную корзину и посадили в неё овцу, петуха и утку. Это были первые воздухоплаватели. Вернулись они на землю благополучно. На монгольфьерах - так стали называть эти шары – стали летать люди. Первый полет аэростата с людьми совершил французский физик и химик Пилар де Розье, пионер воздухоплавания, вместе с маркизом Ф. д' Арландом на тепловом аэростате братьев Монгольфье. Пилар де Розье погиб при попытке перелететь Ла-Манш на аэростате собственной конструкции, получившем название «розьер». Аэростаты этого типа до сих пор применяются при спортивных полетах.

Шарль Жак Александр Сезар, французский физик, сразу же после братьев Монгольфье построил воздушный шар из прорезиненной ткани и для его наполнения впервые использовал водород. По предложению французского ученого воздушные шары стали наполнять водородом. Первый полет длительностью 2,5 часа на наполненном водородом воздушном шаре диаметром 8,5 м. совершили в Париже Ж. Шарль и Роббер 1 декабря 1783 года. Они провели замеры давления и воздуха на высоте 3400 м.

Шары использовались в основном для развлекательных полетов: как только в них воздух остывал, они опускались. Для военных и научных целей стали использоваться воздушные шары, надуваемые водородом и гелием. На таком шаре совершил полет русский ученый Д. И. Менделеев для наблюдения солнечного затмения в 1887 г. В России первые полеты на воздушном шаре совершил француз Ж. Гарнерен 20 июня 1803 года в Петербурге.

До появления самолетов аэростаты были единственным средством передвижения для воздушных путешествий. Со временем аэростаты стали применять в практических целях – это перевозки грузов, наблюдения природных явлений и т. п. Во время 1-ой Мировой войны воздушные шары использовались для воздушной разведки укреплений противника и корректировки артиллерийского огня, и даже бомбометания. Широкое применение нашли аэростаты во время Великой Отечественной войны. Они вели наблюдения, большое распространение в системе противовоздушной обороны г. Москвы и Ленинграда от налетов немецко- фашисткой авиации получили аэростаты заграждения.

В 30-е годы было построено несколько высотных аэростатов для исследования верхних слоев атмосферы – стратостатов. Гондола стратостата делалась герметичной, чтобы люди на большой высоте не страдали от недостатка кислорода.

Свободно летящий воздушный шар-игрушка ветра. Аэростаты летали только туда, куда дул ветер. Это основная причина того, что воздушные шары не получили широкого распространения. На смену им пришли управляемые аэростаты-дирижабли, что в переводе с французского означает «управляемый».

Идеи создания управляемых воздушных шаров относятся еще к 18 веку. Ими пытались управлять при помощи весел и парусов или птиц в специальных упряжках. Конструкции управляемых аэростатов стали создаваться лишь в 19 в. , когда появились первые достаточно легкие двигатели. В 1887 г. К. Э. Циолковский разработал проект жесткого цельнометаллического дирижабля, который, однако, не был построен. Почти всю жизнь Циолковский много занимался вопросами воздухоплавания. Его первая научная работа по воздухоплаванию "Аэростат металлический, управляемый" увидела свет в 1892 году.

Конец 19 – начало 20 в. - период расцвета дирижаблестроения. В 1900 г. в Германии был построен первый жесткий дирижабль Ф. Цеппелином. В 1919 г. английский дирижабль вместимостью 55000 м3 перелетел через Атлантический океан без посадки, преодолев расстояние 5800 км. В дни войны для перевозки специальных грузов в тылу применялся дирижабль «В-12». А дирижабль «Победа», построенный в 1944 году использовался на Черном море для отыскания минных полей, затонувших судов в 1945-1947 годах.

Их экономичность и большая грузоподъемность привлекала внимание специалистов. В 1960 г. у нас в стране было создано общественное конструкторское бюро по проектированию современных дирижаблей. Основные обязанности дирижаблей были перевозка грузов, укладка нефтегазовых труб, установка опорных линий электропередач, работа в труднодоступных районах, где нет дорог.

С развитием авиации в 30-40 гг. 20 в. популярность воздухоплавания упала. Но в 60-х гг. интерес к аэростатам начал быстро расти, благодаря появлению новых материалов для оболочек и более совершенного оборудования. Полеты на аэростатах стали выше и продолжительнее. Так в 1978 г. американские воздухоплаватели М. Андерсон, Б. Абруццо и Л. Ньюмен на аэростате «Дабл-игл-2» пересекли Атлантический океан за 137 ч. 6 мин. В ноябре 1981 г. четверо воздухоплавателей из США и Японии на аэростате « Дабл-игл-5» совершили перелет через Тихий океан, пролетев почти 8330 км за 84 ч.

С конца 80-хх годов все чаще можно видеть плавающие по небу аэростаты, большие и не очень, порой самой необыкновенной формы и невероятной расцветки. Ежегодно в разных местах проводится фестивали воздушных шаров, на которые съезжаются любители воздухоплавания из многих стран мира. Достижения радиотехники, электроники, автоматики, точного приборостроения позволили создать надежно летающие беспилотные свободные аэростаты. Ими пользуются для изучения воздушных течений, для географических и медико-биологических исследований, для запуска метеорологических ракет и подъёма телескопов и т. д.

2. Условие полета воздушного шара. Вес - один из факторов, от которых зависит возможность летать.

Большой, наполненный горячим воздухом воздушный шар вытесняет примерно 3000 кг воздуха. Так что если общая масса шара, включая груз и оболочку, меньше 3000 кг, то шар взлетит. Но есть одна проблема: для надувания шара потребуется почти 3000 кг обычного холодного воздуха, так что весь допустимый весовой предел уйдет на один только воздух. Эту проблему можно решить, если подогреть воздух на газовой горелке. Высокая температура заставляет воздух внутри шара расширяться, так что некоторая часть выталкивается через отверстие внизу купола. Если довести объем выталкиваемого воздуха, скажем до 500 кг, тогда оставшийся внутри шара горячий воздух, будет весить уже 2500 кг. При условии, что вес груза и оболочки не превысит 500 кг, шар поднимается в воздух.

Воздушный шар сможет лететь при условии, что его общая масса не превысит массы вытесняемого им воздуха. В шар закачивается 2500 кг горячего воздуха, а сам шар вытесняет 3000 кг холодного воздуха. Поэтому вес оболочки, корзины, горелок, баллонов с газом и команды не должен превышать 500 кг, иначе шар не сможет подняться. (3) Энциклопедия школьника.

Некоторые шары наполняют гелием, но принцип все равно остается тем же. Как нагретый воздух, гелий легче обычного воздуха, и вес воздуха, который он вытесняет, «займут» оболочка купола и весь остальной груз.

Причиной подъема шара является подъемная сила, возникающая вследствие разности плотностей воздуха вне шара и легкого газа, заполняющего шар.

1. Изучение подъема воздушного шара.

Методика исследования.

Гипотеза 1. При наполнении теплым воздухом из шара вытесняется некоторая часть воздуха, шар становится легче окружающего воздуха, поэтому поднимаются вверх.

Гипотеза 2. Подъемная сила воздушного бумажного шара равна разности между весом воздуха в объеме шара и весом газа, заполняющего шар. Чем больше разница в плотностях воздуха и газа, заполняющего шар, тем больше подъемная сила. Поэтому подъемная сила шара больше на улице, где воздух менее прогрет [2].

Создание бумажного шара.

Методика проведения эксперимента. Сделать из газеты шар. Необходимо надуть детский резиновый шарик и обвернуть, намочив водой газету. Делается по технологии папье-маше, но в один ряд. Углы осторожно изогнуть соответственно форме шарика, сильно намочить, чтобы бумага прилипла на сгибе друг к другу. Сделать небольшое отверстие, желательно круглой формы. Оставить сушиться 1-2 дня. После сушки нужно спустить детский шарик, убрать из бумажного шара. Можно делать воздушные шары из черно-белой или цветной газеты. Из цветной газеты получаются красивые, праздничные монгольфьеры. Установить шар на подножках или на цилиндре диаметром 10 см. На тонких проволоках подвесить сухое горючее массой 1-2 г. на расстоянии 22-30 см. от шара и поджечь горючее.

Исследование:

-создания воздушного шара - разработка технологии создания воздушного шара;

- условия полета бумажного шара.

Сделаны:

- воздушный шар диаметром 9 см. (Приложение 1)

- воздушный шар диаметром 20 см. (Приложение 1)

Результаты эксперимента.

Эксперимент № 1.

Шар диаметром 9 см не полетел.

Эксперимент № 2.

Диаметр шара 22 см. Масса газеты, горючего, проволоки = 6,25 г.

Вычислить объем шара по формуле: V = 4/3 π R3.

Зная объем можно найти силу Архимеда: Fa = ρв * g *vш.

Вычислить силу тяжести, действующую на шар: Fт = m*g.

Вычисления. Fт = 0, 00625*10= 0,0625 Н.

V = 4/3*3,14* 0,113= 0,005 м3. Fa = 1,3 * 10 * 0,005=0,065H.

Эксперимент не удалось довести до конца, по неосторожности экспериментаторов шар сгорел.

Гипотезу 2 не удалось проверить по выше указанной причине.

2. Полет мыльных пузырей.

Гипотеза 1. Мыльные пузыри при выдувании наполняются теплым воздухом наших легких, который легче окружающего воздуха, поэтому поднимаются вверх.

Гипотеза 2. Увеличивается размер пузыря при попадании его из холодной в теплую комнату. Это объясняется тем, что воздух внутри пузыря расширяется.

Пример: если на морозе в -150 С объем пузыря 1000 куб. см и он попадает в комнату, где температура + 150 С, то он увеличится на 1000*30*1/273= около 110 куб. см. [6].

Методика проведения эксперимента. Необходимо приготовить раствор простого хозяйственного мыла. Кусок мыла разводят в чистой воде, пока не получится густой раствор. Лучше использовать чистую дождевую или снеговую воду или же кипяченную охлажденную воду. Чтобы пузыри держались долго можно добавить к раствору 1/3 глицерина (по объему). Также можно добавить немного шампуня. Выдувать пузыри размером 2,5,10 см.

Исследование:

- зависимости высоты подъема пузыря от объема;

- зависимости скорости подъема пузыря от объема;

- изменение этих же параметров в зависимости от температуры воздуха в помещении.

Приготовлен мыльный раствор, разные приспособления для выдувания пузырей: стержень и разные запасные части от пишущей ручки, скотч

Результаты эксперимента.

В ходе длительных опытов удалось получить пузыри разных размеров. Мелкие были размером в 1 см, самые большие – до 20 см. Вдували и вдыхали воздух в мыльные пузыри. Большие пузыри получены при выдувании катушкой широкого скотча диаметром 8 см. Пузыри, полученные при выдохе, поднимались высоко. Пузыри больших размеров (менее и более 15 см) поднимались на высоту более 2 метров (от места выдувания поднимались на 60 - 85 см), потом медленно падали. Пузыри средних размеров (5-7 см) поднимались на высоту до 25 см, выше не поднимались. Мелкие пузыри (3-5 см) - всего до 10 см и то очень редко.

Зависимость скорости подъема шара от объема не выражена, зато медленнее падение больших пузырей. Маленькие шары падают с высоты 1 метр примерно за 7 секунд, а большие за время 8 секунд.

Сложно наблюдать увеличение размеров пузырей при переходе из холодной комнаты в теплую, пузырь замерзает. Поэтому провели наблюдение за детским шариком.

Методика измерений. Погрузили шар в холодную воду при t = 200 C. Измерили ниткой длину окружности по большому и малому сечению: l 1 = 43 см, l 2 = 48 см. Используя формулу l = 2 х π х R, вычислили радиусы: R = l / 2 x π. R 1 = 6,8 см. , а R 2 = 7,6 см. В среднем объем шара равен: V = 4/3*3,14* 7,23= 1522,6 см3. Потом опустили в горячую воду при t = 450 C. Длина окружности l 1 = 46 см. , l 2 = 50 см. , значит радиусы R 1 = 7,3 см. и R 2 = 8 см. В итоге получилось, что объем шара увеличился примерно до V = 4/3*3,14* 7,73= 1694 см3. Произошло увеличение объема на Δ V = 171,4см3.

Можно создать из газеты воздушный шар любого размера. При выполнении работы необходимо: а) сначала рассчитать по формулам каков должен быть объем шара; б) более равномерно распределить массу шара (на стыках и сгибах) по поверхности; в) отверстия в шаре делать большего диаметра.

Интересны опыты с мыльными пузырями и полностью подтверждают теорию воздухоплавания. Наполненный теплым воздухом мыльный пузырь поднимается вверх.

Заключение.

При выполнении работы узнал много нового по теме «Воздухоплавание». Эксперименты на первый раз кажутся простыми. Но только со временем находишь решение, как лучше сделать. Хорошие результаты получились в ходе длительного поиска способов для правильного приготовления мыльного раствора и выдувания пузырей.

Создание бумажного воздушного шара – очень кропотливая, тонкая работа. В дальнейшем нужно найти более легкий материал для оболочки шара.

Для желающих провести эксперимент с воздушными шарами можно использовать мои приемы работы, описанные в работе. Результаты данной работы могут быть использованы практически для демонстрации на уроках, внеклассных мероприятиях, на кружковых занятиях по физике и для самостоятельных экспериментов учащихся.