Воздухоплавание в физике - формулы и определения с примерами

Воздухоплавание:

Практически каждому из нас приходилось наблюдать, как мыльные пузыри, наполненные теплым воздухом, поднимаются вверх и длительное время плавают в воздухе.

Чтобы понять причины плавания мыльных пузырьков и воздушных шариков, вместо одной из чашек равноплечих весов повесим стеклянную колбу, уравновесим ее и заполним горячим воздухом. Для этого подожжем спиртовку, и пламя подведем под отверстие горлышка колбы. Горячий воздух заполнит колбу, и равновесие весов нарушится. Если учитывать, что колба заполняется горячим воздухом, плотность которого меньше плотности холодного воздуха, то можно сделать вывод, что вес колбы уменьшается, а выталкивающая сила воздуха остается постоянной. Согласно с условиями плавания, шарик поднимается вверх на определенную высоту, когда газ в нем остынет, а давление атмосферного воздуха уменьшится в результате увеличения высоты над поверхностью Земли.

Описанное явление используется для создания аппаратов, которые могут плавать в воздухе и перевозить определенные грузы. Впервые такой шар построили во Франции в 1783 г. братья Монгольфье. Оболочку шара они сделали с крепкой бумаги, а внутреннюю полость заполнили горячим воздухом (рис. 118).

Позже шары стали делать с резины и наполнять водородом или гелием. Плотность этих газов меньше плотности воздуха, этим они похожи на горячий воздух, который применили братья Монгольфье.

Воздушный шар, заполненный водородом, гелием или горячим воздухом, может не только сам подняться в воздух, но и поднять определенный груз. Массу этого груза можно рассчитать, используя закон Архимеда и учитывая условия плавания тел.

Пусть шар, заполненный гелием, имеет объем

Его вес равен

Вес воздуха такого же объема

Согласно закону Архимеда, эта сила равна выталкивающей силе воздуха.

Таким образом, этот шар может поднять в воздух груз весом Эту силу называют подъемной силой шара.

Для удобства расчетов пользуются таким понятием, как подъемная сила 1 м³ газа. Так, соответственно проведенным выше расчетам, подъемная сила 1 м³ гелия равна

Поведение аэростата, как часто называют воздушный шар, отличается от поведения погруженного в жидкость тела, плотность которого меньше плотности жидкости. Если в жидкости тело всплывает на самую поверхность, то аэростат поднимается только на определенную высоту. Плотность воздуха с увеличением высоты постепенно уменьшается, вследствие чего уменьшается и сила Архимеда. Как только сила Архимеда станет равной весу аэростата, он прекращает подниматься. Для дальнейшего подъема можно уменьшить вес аэростата, избавившись от балласта-груза, дополнительно положенного в аэростат. Возможно также подогреть газ, в результате чего увеличивается объем шара и уменьшается плотность газа в нем. Это увеличивает подъемную силу шара.

• Заказать решение задач по физике

Аэростат не может самостоятельно перемещаться в горизонтальном направлении. Он двигается только под действием ветра, а пилот лишь руководит высотой подъема аппарата.

В начале XX в., когда авиация только начинала делать первые шаги, значительное распространение получили дирижабли (рис. 119). Это летательные аппараты, легче воздуха, как и воздушные шары. Их сигарообразная оболочка наполнялась 120 водородом или гелием. Они были оборудованы двигателями и воздушными винтами и могли перевозить пассажиров на значительные расстояния независимо от направления ветра. И только успешное развитие авиации уменьшило роль воздухоплавания.

Сегодня воздушные шары небольших размеров используют для исследования верхних слоев атмосферы. Шары-зонды, в отличие от ракет, не загрязняют воздух, доставляют на большую высоту специальную аппаратуру, передающую на Землю результаты измерений с помощью радиопередатчика. Воздушные шары, наполненные теплым воздухом, используют спортсмены-любители.