Личный кабинет Выйти Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание История России ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Воздухоплавание

Содержание

    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.

    Рисунок 1. Воздушные шары

    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: $F_А > F_{тяж}$.

    Рисунок 2. Силы, действующие на воздушный шар

    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. 

    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 ($\rho_{He} = 0.189 \frac{кг}{м^3}$).

    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.

    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).

    Рисунок 3. Аэростат

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

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

    Рисунок 4. Стратостат

    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).

    Рисунок 5. Дирижабль

    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).

    Рисунок 6. Воздушный шар братьев Монгольфье

    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).

    Рисунок 7. Прибытие в Кале Жан-Пьера Бланшара и Джона Джеффриса

    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.

    Рисунок 8. Лотарингский фестиваль 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.

    Рисунок 9. Дирижабль Анри Жиффара

    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.

    Рисунок 10. Огюст Пикар и Пауль Кипфер, первый полет на стратостате

    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.

    Рисунок 11. Дирижабль Airlander 10

    Упражнения

    Упражнение №1

    На весах уравновешена бутылка, внутри которой находится сжатый воздух. Через пробку бутылки пропущена стеклянная трубка с краном, к наружному концу которой привязана оболочка резинового шара (рисунок 12, а). Если часть воздуха из бутылки перейдет в оболочку и раздует ее (рисунок 12, б), то равновесие весов нарушится. Объясните наблюдаемое явление.

    Рисунок 12. Опыт с весами и бутылкой, наполненной сжатым воздухом

    Посмотреть ответ

    Скрыть

    Ответ:

    Бутылка с шариком — это замкнутая система. Когда шарик надулся (рисунок 12, б) вес этой конструкции не поменялся, ведь все элементы остались на месте. Что же тогда изменилось?

    Мы можем рассматривать бутылку и гирю как тела, погруженные в газ. На них действует архимедова сила, которая зависит от объема тела. Когда шарик надулся, объем конструкции на правой чаше весов увеличился. Значит, увеличилась и архимедова сила, действующая на бутылку с шариком. На ее величину уменьшился вес этих предметов, и равновесие весов нарушилось.

    Упражнение №2

    На весах уравновесили легкий стеклянный шарик. Затем весы поместили под колокол воздушного насоса и откачали воздух. Равновесие весов нарушилось (рисунок 13). Почему?

    Рисунок 13. Опыт с весами и воздушным насосом

    Посмотреть ответ

    Скрыть

    Ответ:

    Изначально и стеклянный шарик, и гирю мы можем рассматривать как тела, погруженные в газ — в воздух. На них действовала архимедова сила.

    Когда мы откачали воздух, архимедова сила перестала действовать на шарик и гирю. Равновесие весов нарушилось. Это означает, что сила Архимеда, действовавшая на шарик, была больше силы Архимеда, действовавшей на гирю.

    Формула архимедовой силы поможет нам подтвердить этот факт: $F_А = g \rho_{возд} V$. Объем стеклянного шарика больше объема гири. Значит, и величина архимедовой силы, которая действует на шарик в воздухе, больше архимедовой силы, которая действует на гирю в воздухе.

    Упражнение №3

    Один шарик надут воздухом, другой — водородом, третий — углекислым газом. Какие шарики не взлетят? Объясните почему.

    Посмотреть ответ

    Скрыть

    Ответ:

    Вспомним условие воздухоплавания: средняя плотность нашего шарика должна быть меньше плотности воздуха.

    Плотность углекислого газа равна $1.98 \frac{кг}{м^3}$, водорода — $0.09 \frac{кг}{м^3}$, воздуха — $1.29 \frac{кг}{м^3}$.

    Мы можем сказать, что шарик, наполненный воздухом, не взлетит. В этом случае к плотности воздуха прибавится плотность резиновой оболочки. В итоге средняя плотность этого шарика будет больше плотности окружающего его воздуха

    Шарик, наполненный углекислым газом, тоже не взлетит. Его плотность больше плотности воздуха.

    Взлетит шарик, наполненный водородом. Плотность этого газа существенно меньше плотности воздуха.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии

    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение