Воздухоплавание

На прошлом уроке мы познакомились с принципом плавания судов и их основными характеристиками. Но с давних времен люди хотели передвигаться не только по воде, но и по воздуху.

На данном уроке мы узнаем, как действует архимедова сила в воздухе, рассмотрим принцип воздухоплавания и необходимые условия для его осуществления.

Принцип воздухоплавания

Для начала дадим определение.

Воздухоплавание — это контролируемые или неконтролируемые полеты в атмосфере Земли на летательных аппаратах легче воздуха. 

Самый первый летательный аппарат, отправившийся в полет, — воздушный шар (рисунок 1). В начале развития воздухоплавания шары наполняли горячим воздухом, теперь — гелием или водородом. Рассмотрим, какие условия нужны, чтобы шар поднялся в воздух.

В прошлых уроках мы узнали условия плавания тел в жидкости. Эти же условия применимы и для тел, погруженных в газ. Так мы получаем первое условие:

Средняя плотность шара (оболочка и газ) должна быть меньше плотности воздуха.

На воздушный шар так же действуют две противоположно направленные силы: архимедова (выталкивающая сила) и сила тяжести (рисунок 2). Соответственно, для того, чтобы воздушный шар начал подниматься наверх, нам необходимо, чтобы архимедова сила была больше силы тяжести: $F_А > F_{тяж}$.

Вспомним формулу для определения архимедовой силы: $F_A = \rho_{возд} gV$, где $\rho_{возд}$ — это плотность воздуха, в котором находится воздушный шар, а $V$ — объем шара, заполненный газом (горячим воздухом, водородом или гелием).

Почему уменьшается выталкивающая сила, действующая на шар, по мере его подъема?
Плотность воздуха зависит от высоты — с увеличением высоты плотность становится меньше. Значит, архимедова сила при поднятии шара вверх уменьшается.

Дальше шар достигает предельной высоты своего подъема. Для того чтобы воздушный шар начал опускаться, из его оболочки выпускают часть газа с помощью специального клапана. 

{"questions":[{"content":"Для подъема воздушного шара необходимо, чтобы архимедова сила, действующая на него, была[[choice-144]]","widgets":{"choice-144":{"type":"choice","options":["больше силы тяжести","меньше силы тяжести","равна силе тяжести"],"answer":[0]}}}]}

Подъемная сила

Поднимаясь в небо, воздушный шар поднимает за собой определенный груз: кабину, оборудование, приборы, людей, сама оболочка тоже имеет свой вес. Но как узнать, какой груз способен поднять воздушный шар?

Главной характеристикой воздухоплавательного судна является его подъемная сила — сила, которую необходимо знать, чтобы определить, какой груз данное судно может поднять.

Рассмотрим пример. Пусть в воздух запущен воздушный шар объемом $50 \space м^3$, который наполнен гелием ($\rho_{He} = 0.189 \frac{кг}{м^3}$).

{"questions":[{"content":"Подъемная сила воздушного шара определяет[[choice-149]]","widgets":{"choice-149":{"type":"choice","options":["вес груза, который шар может поднять в воздух","архимедову силу, действующую на шар без груза","силу тяжести, действующую на шар с грузом"],"answer":[0]}}}]}

Расчет подъемной силы

Как рассчитать подъемную силу шара, наполненного гелием?
Чтобы найти подъемную силу, нужно из архимедовой силы вычесть вес гелия.

Найдем вес гелия по формуле:
$P_{He} = gm_{He}$.

Выразим массу гелия через его плотность и объем:
$m_{He} = \rho_{He} V$.

Тогда:
$P_{He} = g\rho_{He} V$,
$P_{He} = 9.8 \frac{Н}{кг} \cdot 0.189 \frac{кг}{м^3} \cdot 50 \space м^3 \approx 93 \space Н$.

Архимедова сила, которая будет действовать на этот шар в воздухе, равна весу воздуха объемом $50 \space м^3$. Плотность воздуха равна $1.3 \frac{кг}{м^3}$.

Рассчитаем ее:
$F_А = g\rho_{возд}V$,
$F_А = 9.8 \frac{Н}{кг} \cdot 1.3 \frac{кг}{м^3} \cdot 50 \space м^3 = 637 \space Н$.

Значит, воздушный шар может поднять груз весом $637Н \space – \space 93 Н = 544 \space Н$. Это и есть его подъемная сила.

Если мы рассчитаем подъемную силу для такого же шара, но наполненного водородом, то увидим, что его подъемная сила будет больше. Но водород — это горючий газ, поэтому гелий используют чаще из соображений безопасности.

Но самый простой способ управления — при заполнении шара горячим воздухом. Как регулируют высоту подъема воздушного шара, наполненного горячим воздухом?
С помощью горелки, установленной под отверстием в нижней части шара, можно регулировать температуру, а значит, его плотность и архимедову силу. Следовательно, таким образом можно контролировать высоту подъема шара.

При увеличении температуры шар поднимается, а при понижении — опускается. Когда вес шара и кабины будет равен архимедовой силе, шар повиснет в воздухе на одной высоте.

{"questions":[{"content":"Что будет происходить с воздушным шаром в зависимости от соотношения действующих на него <b>архимедовой силы</b> и <b>силы тяжести</b>?[[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Архимедова сила больше силы тяжести<br />$(F_А > F_{тяж})$","Архимедова сила меньше силы тяжести<br />$(F_А < F_{тяж})$","Архимедова сила равна силе тяжести<br />$(F_А = F_{тяж})$"],"items":["Воздушный шар поднимается вверх","Воздушный шар опускается вниз","Воздушный шар висит в воздухе на одной высоте"]}}}]}

Виды воздухоплавательных судов

Рассмотрим, какие бывают воздухоплавательные суда.

Аэростат — это воздушный шар, летательный аппарат, который легче воздуха.

Этот термин происходит от греческого «аэр» — «воздух», «сато» — «стоять». Так, воздушный шар тоже является аэростатом.

Аэростаты могут контролируемо менять свою высоту, но перемещаться в горизонтальном направлении может только под действием ветра (рисунок 3).

Стратостат — это воздушный шар, который предназначен для полетов на высоту более 11 км.

Такие летательные аппараты помогают исследовать верхние слои атмосферы — стратосферу (рисунок 4).

Дирижабль — это управляемый аэростат.

До начала производства больших пассажирских самолетов именно эти летательные аппараты использовались для перевозки пассажиров и грузов. Дирижабль имеет удлиненную форму, гондолу для пассажиров/грузов и гондолу с двигателем, от которого работает пропеллер (рисунок 5).

{"questions":[{"content":"Дирижабль, в отличие от воздушного шара, в отсутствии ветра[[choice-152]]","widgets":{"choice-152":{"type":"choice","options":["может перемещаться в горизонтальном направлении","не может перемещаться в горизонтальном направлении","может поднять в воздух большой груз"],"answer":[0]}}}]}

История воздухоплавания

Воздушные шары

В 1709 году бразильский священник и естествоиспытатель Бартоломеу Лоренсу де Гусмао представил проект предположительно первого воздушного шара. Его оболочка была сделана из бумаги, вместо кабины был поддон с глиняным горшком. В горшке сгорали горючие материалы, шар наполнился горячим воздухом и поднялся в воздух.

В 1783 году во Франции был изобретен и поднят в воздух первый полноценный воздушный шар братьями Этьеном и Жозефом Монгольфье (рисунок 6).

В 1785 году состоялся удивительный полет через Ла-Манш на воздушном шаре Жан-Пьера Бланшара и Джона Джеффриса (рисунок 7). Во время пути шар начал терять подъемную силу, и естествоиспытатели, сбросив из кабины все, что было, благополучно приземлились в Кале (Франция).

В 1849 году воздушные шары были впервые применены в качестве военной техники. Австрия организовала бомбежку с помощью небольших аэростатов. Далее воздушные шары использовали как во время Первой мировой войны, так и во время Второй.

В годы холодной войны аэростаты стали использовать в разведывательных целях — их было практически невозможно засечь никакими локаторами или радарами.

Во Франции установлен мировой рекорд по количеству воздушных шаров, одновременно находящихся в небе, — 456 воздушных шаров.

Дирижабль

В 1852 году в воздух поднялся первый дирижабль (рисунок 9). Анри Жиффар поднялся в небо на шаре, который имел объем $2500 м^3$, и продемонстрировал, что теперь аэростат способен выполнять повороты.

Стратостаты

В 1931 году состоялся первый полет на стратостате (рисунок 10). Огюст Пикар и Пауль Кипфер поднялись на высоту 15 785 метров. Полет состоялся из города Аугсбург, Германия.

Беспилотный стратостат-рекордсмен BU60-1 был запущен в 2002 году японским космическим агентством JAXA и достиг высоты 53 км. Стратостат был сделан из очень тонкого материала (его вес составил менее 40 кг при размерах 75 на 54 метра).

В 2016 году британской компанией был запущен самый большой дирижабль Airlander 10 (рисунок 11). Максимальная грузоподъемность составляет почти 10 тонн, а в длину он составляет 92 метра.

{"questions":[{"content":"Первым воздухоплавательным аппаратом в истории был[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["воздушный шар","дирижабль","стратостат"],"answer":[0]}}}]}

Упражнения

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть