Почему летает воздушный шарик. Научно-исследовательская работа "загадка воздушного шарика" Почему воздушный шар летает физика

С воздушных шаров когда-то начиналась гражданская авиация: до самолетов и вертолетов было как до Луны пешком, а на шарах люди начали летать еще в 18-ом веке. Сегодня мы расскажем, как это происходит в 21-ом: я отправился в Каппадокию - регион в центральной Турции - где массовые перелеты выполняются практически каждый день; шаров в воздухе - несколько десятков одновременно, а пассажиров, соответственно, несколько сотен.

Немного физики. Как летает воздушный шар

Современный пассажирский воздушный шар правильно называть тепловым аэростатом, или монгольфьером - по фамилии братьев Монгольфье, которые в 1783 году совершили первый полет на воздушном судне этого типа. В рамках импортозамещения популярна стала история о том, что на самом деле первый тепловой аэростат построил за полвека до этого русский изобретатель Крякутной, но это всего лишь мистификация, созданная уже после полета французов и распиаренная в советские времена.

Принцип полета теплового аэростата очень прост: внутри его оболочки находится воздух, температура которого выше, чем температура окружающего воздуха. Поскольку плотность теплого воздуха ниже, он по закону Архимеда стремится вверх под действием выталкивающей силы. При этом сама оболочка и полезная нагрузка притягиваются к Земле (оболочка размерами примерно 25х15 м с корзиной и всем оборудованием весит 400-500 кг, плюс пассажиры: в нашей корзине было человек двадцать). Равенство этих сил позволяет аэростату «зависать» в воздухе на определенной высоте.

Как управляют воздушным шаром

Главный орган управления тепловым аэростатом - это газовая горелка, расположенная под оболочкой и направленная вверх. В ней горит смесь пропана и бутана, которую берут на борт в баллонах, похожих на те, что стоят у многих дачников на кухне. При помощи огня нагревается воздух в оболочке; температура растет, шар поднимается. В зависимости от объема оболочки (2-5 тыс. куб. метров воздуха), полезной загрузки и температуры окружающего воздуха температура внутри составляет 50-130 градусов Цельсия. Воздух в оболочке постоянно остывает и шар начинает снижаться, поэтому нужно периодически «поддавать жару» для сохранения постоянной высоты. В общем, все просто: больше огня - поднимаемся, меньше огня - сохраняем высоту, мало-мало-мало-мало-мало огня - снижаемся.

Впрочем, чтобы снизиться, можно не ждать, пока воздух остынет: в верхней части оболочки имеется клапан, открываемый и закрываемый веревками. Если его открыть, часть теплого воздуха выйдет наружу и шар полетит вниз.

С собой берут как минимум два баллона газа (один основной, другой запасной) -этого хватает примерно на один час полета, вариометр для измерения вертикальной скорости и рацию для связи с пилотами других шаров и автомобилей сопровождения (о них чуть ниже). И, самое главное, никаких мешком с песком нет. Они используются в качестве балласта на газовых шарах (с гелием и другими подобными газами внутри), а тепловому аэростату не нужны.

Верхний клапан открыт, шар сдувается. Обратите внимание на номер. В Турции шары имеют регистрацию вида TC-Bxx, например, ТС-BUM. В России они регистрируются в реестре авиации общего назначения и имеют номера RA-xxxxG. Каждый шар имеет сертификат летной годности, все как положено.

Куда летит воздушный шар?

Управлять мы можем только вертикальной скоростью аэростата. Горизонтально же он летит туда, куда его несет ветер. Именно поэтому как полноценное транспортное средство воздушный шар непригоден: это все-таки прогулочное воздушное судно. Несмотря на это, полеты на шарах зарегулированы авиационными властями не меньше, чем на самолетах. Каждый шар имеет регистрацию в реестре воздушных судов и соответствующий номер на борту, а пилоты (их два) - лицензию. Полеты выполняются по правилам визуальных полетов, то есть, при хорошей видимости, обязательным условием является также отсутствие сильного ветра. Проблема еще и в том, что летать можно только рано утром на рассвете или, наоборот, на закате: днем восходящие воздушные потоки от нагретой солнцем земной поверхности делают полеты небезопасными (да и утром потоки вверх и вниз есть, просто не такие сильные). Так что можно запросто столкнуться с ситуацией, когда вы приехали, но никуда не полетели - планируйте на всякий случай сразу несколько дней!

У каждого аэростата есть свой автомобиль сопровождения: джип с прицепом-платформой размером с корзину. Джип - потому, что сядет шар, скорее всего, не на дорогу. Высший пилотаж - это посадка прямо на платформу; гораздо круче, чем сажать истребитель на авианосец.

Если шары сталкиваются друг с другом в воздухе, то… ничего не происходит, они просто отталкиваются друг от друга и летят дальше. Вообще же столкнуться шарам довольно сложно: ведь ветер несет их в одну и ту же сторону.

Как проходит полет на воздушном шаре

Сначала вас привозят к вашему воздушному шару. В этот момент он еще лежит на земле, корзина на боку, а при помощи мощного вентилятора оболочку наполняют воздухом, одновременно нагревая его горелкой. В какой-то момент обмякший шар становится упругим и взмывает ввысь. Корзину переворачивают, пассажиры садятся в нее, перелезая через борт. Внутри есть двухточечные ремни, которыми, впрочем, мало кто пользуется, а также веревки, за которые нужно будет держаться при посадке. Предполетный инструктаж, собственно, и заключается в том, что при посадке нужно обязательно присесть и держаться за веревки, поскольку велика вероятность опрокидывания корзины: это позволит избежать травм.

Подготовка к полету

Пилот дает еще огня, и… шар плавно взмывает вверх и в сторону. По ощущениям это похоже на катание на колесе обозрения, только гораздо выше. И при этом никакого шума или вибрации, так что не страшно даже матерым аэрофобам. И даже тем, кто боится высоты (а шар поднимается до 1500 м при средней высоте полета около 500), не страшно: из-за высокого (около 1,5 метров) борта корзины вывалиться из нее невозможно, а стоячая поза провоцирует на то, чтобы смотреть не вниз, а в стороны. Красота неописуемая! Самый настоящий Татуин! Турецкие пилоты стараются лететь так, чтобы пройти поближе к скалам, «дымоходам» и дать возможность их рассмотреть, спускаются почти до крыш домов старинных деревушек - разумеется, все можно фотографировать и снимать на видео, главное - не выронить камеру.

Высота полета достигает 1500 м

Ветра на высоте, кстати, нет - вернее, он не ощущается, ведь вы летите вместе с этим самым ветром!

Как полетать на воздушном шаре

Каппадокия, как вы уже поняли - место, где полеты на воздушных шарах являются развитым и массовым видом отдыха. Вам нужно будет добраться до города Ургюп, что в 70 км от Кайсери, где находится ближайший гражданский аэропорт (ASR). До Кайсери выполняется несколько ежедневных рейсов из Стамбула (IST и SAW) местными авиакомпаниями: Turkish Airlines, Anadolujet, Pegasus Airlines и пр. Лететь около полутора часов. До самого Стамбула, ясное дело, летает множество различных авиакомпаний - от «Аэрофлота» и Turkish Airlines до Onur Air и «Победы». Покупка двух раздельных билетов до Стамбула и до Кайсери может помочь вам неплохо сэкономить (а заодно и провести пару дней в Стамбуле).

Низкий проход над горой – одна из фигур пилотажа на воздушных шарах

Самих авиакомпаний с воздушными шарами в Ургюпе более десятка; приобрести полет можно и через их российских партнеров, просто набрав в Google соответствующий запрос - удобно, если вы не знаете турецкого и хотите все запланировать заранее, а можно и непосредственно в отеле в Ургюпе, но тут все уже зависит от отеля. Ориентируйтесь на то, что стоимость часового полета составляет 13000 рублей с человека, включая трансфер из вашего отеля и обратно и скромный завтрак в непросредственной близости от точки старта (чай-кофе-булочки).

Видео (предполетный инструктаж, проход на малой высоте, посадка на авианосец, уборка шара).

Любители полетов на воздушных шарах есть по всему миру, и они могут предложить путешествие на монгольфьере, как за деньги, так и за волонтерскую помощь их наземной команде. Если вы уже вкусили прелести таких полетов и теперь желаете самостоятельно дергать за стропы и разжигать горелку, путешествуя соло, то прежде вам необходимо пройти курс обучения и сертификации. Знакомство с принципами работы воздушного шара даст вам преимущество и поможет определиться – подходит ли вам это хобби.

Шаги

Часть 1

Базовые основы

Разбираемся – почему шар летает. Принцип действия воздушных шаров очень прост. Поскольку вы нагреваете воздух или любой другой газ, он становится менее плотным. Точно также, как пузырь воздуха, поднимающийся в аквариуме, горячий воздух будет подниматься над более плотным, холодным воздухом, который его окружает. Стоит подогреть воздух в шаре до нужной температуры, и он сам сможет поднять вверх и купол, и корзину вместе со всем ее содержимым.

Изучаем конструкцию шара. Его устройство настолько простое, что вы уже можете в нем запросто ориентироваться, то изучение необходимой терминологии поможет вам и вашей команде общаться друг с другом:

Одеваем защитную одежду. Пилот должен носить защитные очки, так как он будет находиться возле пламени. Также, пилот и команда должны быть одеты в прочные перчатки, одежду с длинными рукавами и длинные штаны, изготовленные из ткани, не содержащей нейлон, полиэстер и другие, легко воспламеняемые материалы.

Каждый, кто находится в корзине, должен иметь в виду, что воздушный шар может приземлиться в грязи или труднодоступной местности, а потому надетая одежда и обувь должны быть максимально комфортными.

Для того чтобы подняться выше, нужно выпустить больше пропана. Чтобы увеличить подачу пропана в огонь, нужно побольше открыть взрывной клапан на шланге, прикрепленном к газовому баллону, который обычно располагается прямо под горелкой. Чем больше вы откроете клапан, тем большее количество горячего воздуха устремится в шар и тем быстрее он поднимется. .
- Сброс балласта или любого тяжелого объекта, размещенного по бокам воздушного шара, уменьшит его полную плотность и также заставит подниматься ввысь. По понятным причинам этот прием не рекомендуется применять при полете над населенной местностью.
Изучаем, как оставаться на стабильной высоте. Как и любой объект, более теплый, чем окружающая его среда, воздушный шар остывает в течение длительного времени, что заставляет его постепенно снижаться. Чтобы оставаться на одной высоте, вы должны использовать один из приемов:

Чтобы опустить, откройте парашютный клапан. Помните, что парашютный клапан – это откидная створка на верхушке конверта. В обычном состоянии она герметично закрыта и, чтобы приоткрыть ее, нужно потянуть за стропу красного цвета, которая называется стропой разрыва. Это позволяет горячему воздуху выйти через верх. Пока шар не опустится до нужной отметки, держите стропу натянутой. Затем, отпустите ее, и откидная створка снова закроется.

Контролируем направление снижения или подъема. Напрямую влиять на направление движения воздушных шаров невозможно. Существуют несколько воздушных потоков, которые наслаиваются один на другой. Поднимайте или опускайте шар, улавливая разные перекрестные потоки воздуха, и он будет менять направление движения. Пилоты часто вынуждены изменять маршрут своего движения, подстраиваясь под нужные воздушные потоки.

Проверьте силу ветра. Знание того, когда полет следует отменить, очень важный фактор подготовки пилотов. Полет при сильном ветре чрезвычайно опасен, и осуществлять его запрещено. Новички должны придерживаться простого правила: летать либо в первые часы после восхода солнца, либо за несколько часов до заката, когда направление ветра более предсказуемо и его скорость невелика.

Проверьте наличие предметов жизнеобеспечения. В корзине должны быть как минимум: огнетушитель, аптечка, топографическая карта, авиационная карта, альтиметр (прибор для измерения высоты) и бортовой журнал, в котором пилот фиксирует все детали полета. Проверьте датчик пропана в баллонах. Вы должны быть уверены, что в них достаточно топлива для полета – обычно расход составляет около 30 галлонов (114 литров) в час. Для длительных полетов вам также понадобится радиостанция и возможно электронное навигационное оборудование.

Для взлета наполните шар. Чтобы оторваться от земли, почти всем воздушным шарам требуется помощь нескольких человек. Во-первых, горелку нужно закрепить на раме корзины и установить сбоку от конверта, который лежит на земле. Рот конверта поднять и расправить, и в в течение десяти минут с помощью мощного насоса закачивать воздух, который затем нагревается горелкой. Обычно, пока шар готовится к полету, корзина на земле удерживается людьми или привязывается к автомобилю. Когда пассажиры и пилот уселись в корзину, пилот выпускает из горелки мощную струю пламени и шар отрывается от земли.

Во время старта нужно быть предельно внимательным. Пилот должен быть очень сосредоточен и следить за тем, как надувается конверт, а наземная команда контролирует все стропы. Постоянно осматривайтесь по сторонам во всех направлениях, чтобы вовремя заметить деревья или другие объекты, на которые может наткнуться шар во время взлета. Как только почувствуете первый порыв ветра во время подъема, сразу же зафиксируйте свой взгляд на препятствии, которое расположено по курсу взлета и не отрывайтесь от него, пока шар не преодолеет препятствие. Это помогает быстро фиксировать отклонение от курса и немедленно на него реагировать, ускоряя взлет.

Изучите все погодные явления в районе полета. Для получения летного сертификата будущие пилоты воздушных шаров должны пройти тест по метеорологии, чтобы понимать, как взаимодействуют и влияют друг на друга температура, высота и влажность, а также, что могут рассказать вам о состоянии воздуха различные виды облаков. Конечно, перечислить все в этой инструкции не выйдет, но пару примеров можно привести:
- Существенные изменения в направлении ветра, когда вы поднимаетесь или спускаетесь, называются порывом ветра и требуют особого внимания, поскольку могут ускорить или замедлить ваше движение. Если сильный порыв ветра загасит пламя вашей горелки, зажгите ее снова и во избежание падения, как можно быстрее нагрейте шар.
- Если воздушный шар медленно реагирует на ваши действия, или вы замечаете, что воздух вместо того, чтобы устремлять вас вверх расходуется впустую, значит, вы попали в «инверсию» – состояние, при котором, чем выше вы поднимаетесь, тем теплее становится воздух вокруг вас. Компенсировать инверсию можно, увеличив количество нагреваемого воздуха или напротив, уменьшив, в зависимости от направления движения.
Проверяйте направление и скорость ветра, научитесь читать метеорологическую карту, используя эти данные для составления общей картины скорости и направления движения воздушных потоков. Чтобы узнать локальные условия, плюньте или брызните немного крема для бритья на край корзины.

Заречина Кристина

Цель исследования: выяснить, почему улетает воздушный шарик, если он не завязан и от каких факторов зависит дальность его полета.

Предмет исследования: воздушные шарики разного размера и толщины резины.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Загадка воздушного шарика

Я очень люблю свой день рождения. Каждый год мы всей семьей украшаем наш дом к празднику. И, конечно же, важным элементом украшения являются воздушные шары. Ведь они такие красивые! Разноцветные, с красивыми рисунками и надписями. Обычно с братом мы соревнуемся в том, кто быстрее надует шарик ртом. Мы очень торопимся, каждый хочет победить, и вдруг, уже почти надутый шарик, вырывается из рук и стремительно улетает, мечась по комнате, пока совсем не сдуется. Мне всегда было интересно, почему он улетает? Ведь у него нет двигателя, нет крыльев... И от чего зависит дальность его полета?

Цель исследования: выяснить, почему улетает воздушный шарик, если он не завязан и от каких факторов зависит дальность его полета.

Предмет исследования: воздушные шарики разного размера и толщины резины.

Задачи исследования:

Провести опыты, показывающие движение шарика.
Выяснить, как влияет размер шарика и толщина резины на дальность полета.
Узнать, есть ли в растительном и животном мире представители, которые двигаются, как воздушный шарик.

Гипотезы исследования:

Допустим, шарику помогает ветер.
Предположим, что газ в шарике легче воздуха.
Возможно, шарику помогает выходящий из него воздух.

Методы исследования:

Изучение литературы.
Поиск в Интернете.
Проведение опытов.
Наблюдение.
Мнение других людей.
Сравнение и сопоставление фактов.

Немного истории...

Глядя на современные воздушные шары, многие люди думают, что эта яркая, приятная игрушка стала доступной только недавно. Некоторые, более осведомленные, считают, что воздушные шары появились где-то в середине прошлого века.

А на самом деле - нет! История шаров, наполненных воздухом, началась гораздо раньше. В прежние времена, разрисованные шары, изготовленные из кишок животных, украшали площади, где проводились жертвоприношения и гулянья знатных людей Римской Империи. После воздушные шары стали применять бродячие артисты, создавая оформление шарами для притягивания новых зрителей. Тема воздушных шаров затрагивается также в русских летописях – скоморохи, выступая для князя Владимира, употребляли шарики, изготовленные из бычьих пузырей.

Первые шары современного типа создал известный английский исследователь электричества, профессор Королевского университета Майкл Фарадей. Но создавал он их не для того, чтобы раздать детям или торговать на ярмарке. Просто он экспериментировал с водородом.

Интересен способ, которым создавал Фарадей свои воздушные шары. Он вырезал два куска каучука, накладывал их друг на друга, склеивал контуру, а посредине насыпал муку, чтобы стороны не липли друг к другу.

Идея Фарадея была подхвачена пионером резиновых игрушек Томасом Ханкоком. Он создавал свои шары в форме набора «сделай сам» состоящего из бутылки с жидкой резиной и шприца. В 1847 году в Лондоне вулканизированные шары были представлены Дж. Г. Инграмом. Уже тогда он использовал их как игрушки, которые нужно продавать детям. Собственно говоря, именно они их и можно назвать прототипом современных шаров.

Лет через 80 после этого научный мешочек для водорода превратился в популярную забаву: каучуковые шары широко использовалась в Европе во время городских праздников. За счет наполнявшего их газа они могли подниматься вверх – и это очень нравилось публике, еще не избалованной ни воздушными полетами, ни другими чудесами техники.

В 1931 году Нейлом Тайлотсоном был выпущен первый современный, латексный воздушный шарик. И с тех пор воздушные шарики наконец-то смогли измениться! До этого они могли быть только круглыми – а с приходом латекса впервые появилась возможность создавать длинные, узкие шарики.

Это новшество немедленно нашло применение: дизайнеры, оформляющие праздники, стали создавать из шаров композиции в виде собак, жирафов, самолетов, шляп. Их стали применять клоуны, изобретая необыкновенные фигуры.

Исследовательская работа .

Для начала я решила узнать мнение моих одноклассников и учеников других первых классов. Как они думают, что заставляет улетать воздушный шарик, который не завязан? С этой целью я провела анкетирование. Я предложила им три варианта ответа:

1) Шарику лететь помогает ветер.

2) Газ в шарике легче воздуха, поэтому шарик и летит.

3) Лететь шарику помогает выходящий из него воздух.

Выяснить, что заставляет двигаться воздушный шарик.

Гипотеза 1. Допустим, ему помогает ветер.

Надуем два шарика. Один из них завяжем ниткой. Выйдем на улицу в ветреную погоду. Отпустим шарики. Они летят. Завязанный шарик летит от порывов ветра. А тот, который не завязан, летит быстрее. А потом оба падают на землю. В квартире, где нет ветра, завязанный шарик медленно падает на пол. А незавязанный - летит, хотя и медленнее, чем на улице. А потом падает.

Все-таки ветер помогает полету шарика. Но он летит и без ветра. Значит, моя гипотеза подтвердилась частично.

Гипотеза 2. Предположим, что газ в шарике легче воздуха, поэтому он летит.

Я знаю, чем теплее воздух, тем он легче, поэтому поднимается вверх воздушный шар. Может. углекислый газ тоже легче воздуха?

Проведем следующий опыт. Возьмем два одинаковых шарика. Один надуем сами углекислым газом, а другой с помощью насоса воздухом. Свяжем их ниткой и перекинем через палочку. Мы видим, что шарик, надутый углекислым газом опустился ниже. Значит, он тяжелее. В справочнике я нашла подтверждение моему выводу. Оказалось, что углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха.

Эта гипотеза оказалась ложной.

Гипотеза 3. Возможно, шарик толкает воздух выходящий из него.

Когда мы надуваем шарик, то резиновая оболочка растягивается и заполняется воздухом. Когда входное отверстие освобождаем, воздух с силой вырывается наружу. Шарик при этом уменьшается. Воздух из шарика летит в одну сторону, а оболочка шарика в другую. Они отталкиваются друг от друга. Путь шарика непредсказуем. Когда весь воздух выходит из шарика, он останавливается.

Я спросила об этом у учителя физики Сергея Вячеславовича. Он сказал, что шарик улетает под действием реактивной силы. Реактивное движение возникает, когда от тела отделяется с некоторой скоростью его часть.

Значит, шарик толкает воздух, который выходит из него. Мой шарик -реактивный.

Провести опыты, показывающие реактивное движение.

Проведем еще несколько опытов, показывающих реактивное движение шарика.

Надуем воздушный шарик, вставим согнутую трубочку и завяжем. Прикрепляем шарик к маленькой машинке. Трубочка должна смотреть назад. Освобождаем трубочку. Воздух выходит назад. Машинка едет вперед под действием реактивной силы.
Такой же шарик с трубочкой опускаем в миску с водой. Трубочка должна смотреть в сторону. Освобождаем трубочку. Шар начинает вращаться по воде под действием реактивной силы.

Узнать, как влияет форма шарика и толщина резины на дальность полета.

Интересно, от каких факторов зависит дальность полета шарика?

Возьмем шарики разные по размеру и толщине резины и проведем эксперимент.

Возьмем леску и натянем ее по комнате. На леску наденем часть соломинки. Будем надувать шарики насосом одинаковым количеством воздуха (10 качков). Шарики прикрепим к соломинке скотчем и отпустим. Шарик пролетит по леске какое-то расстояние и остановится. Измерим пройденный путь.

Для наглядности заполним таблицу результатов.

Вывод : Чем толще резина и больше размер шарика, тем дальше он летит.

Есть ли в растительном и животном мире представители, которые двигаются, как воздушный шарик.

Реактивное движение можно наблюдать в живой природе.

Реактивное движение используется многими моллюсками.

Осьминоги, кальмары и каракатицы имеют специальный мешочек. В него они набирают воду и выпускают ее сильной струей наружу. Струя эта отталкивает животное назад. Кальмар может развивать скорость до 60–70км/ч.

Морской моллюск-гребешок, резко сжимает створки раковины, рывками двигается вперед за счет реактивной струи воды, выброшенной из раковины. Скачок крупного гребешка может достигать полуметра или даже больше в длину.

Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие и выталкивает через заднее отверстие наружу. Так она движется вперед.

Медуза выталкивает из-под своего колоколообразного тела воду, получая толчок в обратном направлении.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Созревшие плоды “бешеного” огурца при лёгком прикосновении отскакивают от плодоножки, и из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет "бешеный" огурец более, чем на 12 метров.

Узнать, как ученые использовали знания о таком движении.

Одно из главнейших изобретений человечества в XX веке - это изобретение реактивного двигателя, который позволил человеку подняться в космос. Так появились ракеты, а затем реактивные самолеты. Позже и нженеры создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его назвали водометом. Такой двигатель стоит на некоторых быстроходных катерах.

Весело и полезно!

Изучая данную тему, я обнаружила информацию о том, что надувать воздушные шарики не только весело, но и полезно! Оказывается, они "дарят" здоровье нашим легким. Надувание шаров положительно влияет на наше горло (даже служит средством профилактики ангины), а также помогает укрепить наш голос. Этой помощью часто пользуются певцы, так как такая тренировка помогает им правильно дышать во время пения.

Заключение

Итак, подведем итоги... В ходе изучения данной темы, я выяснила, что, во-первых, ветер все-таки помогает лететь воздушному шарику, но, когда он не завязан, он летает и в зарытом помещении без ветра. Моя вторая гипотеза не подтвердилась, углекислый газ, который мы выдыхаем не легче, а тяжелее воздуха, поэтому не может помогать шарику улетать. Полностью подтвердилась моя третья гипотеза, что шарику лететь помогает выходящий из него воздух. Я выяснила, что в этом случае воздушный шарик двигается под действием реактивной силы. Также я провела опыты и выявила, что на дальность полета воздушного шарика влияет его размер и толщина резины, из которой он сделан.

Благодаря изучению этой темы, я узнала много нового и интересного. Я познакомилась с историей создания современного воздушного шарика и его предшественников. Я узнала, что газ, который мы выдыхаем, называется углекислым, и что он в полтора раза тяжелее, чем воздух, которым мы дышим. Я научилась сама проделывать различные интересные опыты, наблюдать, сравнивать полученные результаты и делать выводы. Меня ознакомили с реактивным движением, хотя физику я буду изучать еще не скоро. Я узнала, что в природе есть животные и растения, которые используют реактивное движение. Оказалось также, что надувать воздушные шарики не только весело, но и полезно для здоровья.

Я считаю, что данную работу можно использовать на уроках, чтобы демонстрировать в простой и красочной форме действие реактивной силы, наглядно показать, что углекислый газ тяжелее воздуха. Ведь, когда мы сами проводим различные опыты или наблюдаем за их проведением, нам легче понять принцип действия чего-либо, тем более, если эти опыты такие яркие и веселые!

Объяснить причину способности воздушных шаров летать можно несколькими теориями. В широком смысле этот процесс обусловлен соотношением веса воздуха и газа. Если воздушный шар заполнен газом, то он поднимается вверх и не опускается на землю. При наполнении его воздухом, например, когда человек самостоятельно надувает шарик, способность его летать снижается. Газ намного легче воздуха, поэтому шары, наполненные гелием, летают лучше всего.

В зависимости от наполнения воздушные шары могут совершать разные манипуляции :

если шар наполнен углекислым газом, воздухом или аргоном, то летать он будет хуже;
неон, метан, азот, гелий и водород заставляют шарик стремительно взлетать из-за минимального веса этих газов и большой разницы с массой воздуха.

Полет воздушного шара с точки зрения физики

С точки зрения физики, на любое тело, помещенное в газ или жидкость, действует сила вытеснения, равная весу тела. Воздушный шар в данном случае является телом, «помещенным» в воздух. Т.к. газ, наполняющий шар, делает его легким по сравнению с воздухом, то начинает осуществляться выталкивающая сила. За счет этого шар стремительно поднимается вверх и начинает летать.

С помощью физики можно объяснить и причину не слишком хороших летательных свойств шаров, наполненных воздухом . Вес в данном случае практически одинаков, поэтому шар может только парить в воздухе, но без силового воздействия он опускается к земле.

Полет воздушного шара в воздухе сравним с плаванием кораблей по воде. И в первом, и во втором случае происходит выталкивание более легкого тела тяжелой водой или воздухом. Причем выталкивающими способностями вода и воздух обладают практически в одинаковой степени.

Почему летают воздушные шары для воздухоплавания

Большие шары, предназначенные для воздухоплавания, летают по таким же причинам, как и маленькие шары-игрушки. Объяснением способности летать в данном случае также являются законы физики. Размер шара, вес корзины и пассажиров находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. Поднимается шар при помощи нагревания в нем воздуха и получаемого в результате этого газа. За счет такого воздействия, шар становится легче воздуха и на него оказывается выталкивающая сила.

Управление воздушным шаром

Управлять любыми воздушными шарами невозможно. Главной управляющей силой всегда является воздух или ветер. Если отпустить маленький воздушный шар и держать его за нитку, то, несмотря на усилия, повернуть его в нужное направление не получится. Аналогичная ситуация происходит и с шарами для воздухоплавания. Единственное, что могут сделать пассажиры, находящиеся в корзине, это снизить шар до уровня земли или поднять его выше в воздух. Высота набирается за счет уменьшения веса (сбрасываются специальные грузы), а снижается шар за счет уменьшения количества газа при помощи контроля температуры нагревания воздуха внутри прорезиненного материала. Температура меняется путем изменения уровня горелки.

Почему воздушные шары и дирижабли наполняют водородом или гелием

В детстве все играли с воздушными шариками. Никто не задумывался, почему воздушные шары наполняют водородом или гелием. Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить некоторые вопросы из школьного курса физики.

Немного физики

Если тело находится в воздухе, на него действует несколько сил. Наибольшее влияние оказывают архимедова сила и вес. Их разность называется подъемной силой. Если они равны, то воздушный шар свободно висит или перемещается по воздуху по замысловатым кривым, форма которых зависит от потоков. Если архимедова сила окажется больше веса, возникает подъемная сила, действующая на воздушный шар вверх.

Вес летательного аппарата складывается из самого газа, оболочки, в которой он находится, и поднимаемого груза.

Если наполнить оболочку обычным воздухом при температуре окружающей среды, шар подниматься не будет. Воздух нужно нагревать. Поэтому воздушный шар нужно оборудовать горелкой для постоянного подогрева воздуха внутри оболочки.

Архимедова сила зависит от объема оболочки и разности плотностей воздуха и газа, находящегося в нем.

С увеличением высоты температура уменьшается, давление воздуха и его плотность в замкнутой оболочке снижаются. Соответственно уменьшается архимедова сила, и шар начинает опускаться. Чтобы этого не произошло, в нижней части оболочки делают отверстие, под которым располагают горелку. Уменьшая или увеличивая количество сжигаемого топлива, можно управлять высотой полета.

В летательных аппаратах с замкнутой оболочкой используются газы, у которых при одинаковой температуре плотность меньше окружающего воздуха.

Среди доступных газов наименьшую плотность имеет водород. В промышленности его получают в больших объемах, поэтому его стоимость относительно небольшая.

На сегодняшний день в целях безопасности сферическую оболочку воздушного шара наполняют гелием. Этот редкий химический элемент впервые был обнаружен с помощью спектрального анализа на солнце и получил свое название Гелиос, что означает солнечный. Гораздо позже этот газ был обнаружен на земле.

При одинаковой температуре плотность гелия в 10 раз меньше воздуха. У водорода показатель еще лучше — 20. Поэтому первоначально шары наполняли водородом. Но он, в отличие от гелия, горючий и взрывоопасный газ. Использование этого элемента безопасно, но шар, наполненный гелием, обладает гораздо меньшей подъемной силой.

Немного истории

Большие воздушные шары называются аэростатами, в прошлом они предназначались в основном для научных исследований. Большинство из них представляли сферы различного диаметра.

Самый большой аэростат Рекорд с объемом сферы более 4000 м³ поднялся в воздух осенью 2010 г. В его гондоле путешествовало 36 человек.

Максимальная высота, на которую поднялся аэростат — более 21 км. Рекордный полет совершил гражданин Индии Vijaypat Singhania в 2005 г. Аэростат был заполнен теплым воздухом.

Для перевозки людей и грузов в начале и середине прошлого века использовались дирижабли, имеющие сигарообразную форму.

Самый крупный дирижабль в истории человечества Гинденбург был сконструирован в фашистской Германии в конце 30-х годов. Совершил 21 перелет через Атлантику и погиб в 1937 г. В то время в Германии не было гелия и все емкости Гинденбурга были заполнены водородом. Причина аварии неизвестна. После трагедии наполняемые водородом аэростаты и дирижабли для перевозки пассажиров не применяются. Используются они только в научных целях.

Воздушный шар положил начало гражданской авиации. Принцип его работы не изменился по сей день: отсутствует и двигатель, и руль для управления. Есть лишь купол с корзиной, горелка и мешки с песком.

История создания

Воздушный шар воплотил древнейший замысел человека о подчинении воздушной стихии. Первое описание аэростата было сделано в 1306 году французским миссионером Бассу, который стал свидетелем его подъема в воздух в Китае, в день восхождения на престол императора Фо Киена.

И все же родиной аэростата признается Франция, а его первыми изобретателями — братья Этьен и Жозеф Монгольфье. В 1783 году в городе они произвели запуск сконструированного ими шарообразного аэростата 3,5 метров в диаметре и массой 155 кг, наполненного горячим воздухом. Его полет протекал всего 10 минут на высоте 300 м, а пройденный путь составил около километра.

Купол аэростата братьев Монгольфье был выполнен из льняной ткани и оклеен бумагой. Для подогрева воздуха был разведен костер из мелко нарезанной соломы. А спустя недолгое время устройство агрегата дополнилось специальной корзиной для путешественников.

Подъем в воздух первого аэростата стал небывалым событием для той эпохи. В честь их создателей агрегаты стали называть монгольфьерами.

Устройство воздушного шара

Современные агрегаты производятся из более технологичных материалов, но схема осталась той же, что и братьев Монгольфье. Для пошива оболочки больше не используется лен и бумага, их заменил тонкий и прочный полиэфирный материал. Вместо костра в корзину под купол устанавливается регулируемая газовая горелка.

Воздушный шар в основе своей рабочей конструкции имеет следующие составные элементы:

Купол, который наполняется газом для подъема на заданную высоту.
Горелка — самая сложная деталь, посредством которой создается поток горячего воздуха в купол.
Корзина для пассажиров, пилота и багажа.

Купол аэростата

Это главная часть воздушного шара, которая сшивается из отдельных кусков материи в колонки, которые затем прочно прикрепляются друг к другу. В качестве материала изготовления используется высокопрочный полиэстер или полиамидная ткань. С внутренней стороны она обрабатывается силиконовой пропиткой, что не позволяет проникать и уходить газу.

Основные требования к куполу, это:

Прочность и устойчивость к внешним воздействиям и механическим повреждениям.
Термоустойчивость, поскольку происходит постоянный контакт с нагретым газом.
Эластичность, за счет которой возможно сохранение заданной формы.

Купол надувается за счет поступления нагретого газа: воздуха, водорода или иного, и за счет его поднимается в небо на нужную высоту. Газ подается через технологическое отверстие в нижней части купола. Для безопасности это отверстие обрабатывается специальной жароустойчивой лентой. Устройство оснащается также специальным клапаном, который используется для вывода наружу горячего газа при снижении и приземлении.

Снаружи конструкции фиксируются ленты нагрузки. К верхней части купола они крепятся с помощью кольца, а внизу присоединяются к подвесным канатам. В итоге образуется надежный каркас, который может иметь различный объем и поднимать груз разной массы.

Горелка

Это технологический элемент аэростата, обеспечивающий подогрев газовой смеси, подъем агрегата в воздух, а также поддержание заданной температуры при полете.

Работает горелка на жидком пропане, который поступает к ней из цилиндров, нагреваясь, становится газообразным и подается непосредственно в шар.

Современные горелки очень мощные, порядка 6000 МВт, производятся из нержавеющей жаропрочной стали. Они не опасны в эксплуатации, поскольку оснащены специальной защитой от ожогов.

Корзина

Предназначена для переноса путешественников и грузов. Необходимо обеспечить ее легкость, и в то же время прочность, поэтому каркас ее выполняется из лозы, а дно — из непромокаемой фанеры. С куполом корзина соединяется стальным тросом. Чтобы воздух не охлаждался, устанавливаются полиуретановые стояки, которые вместе с тросом закрываются специальными оболочками.

В углу корзины размещаются и закрепляются на ремнях цилиндры с газом. Обязательно изготавливаются отсеки для огнетушителя и необходимых в путешествии аксессуаров.

С наружной части на корзину навешивается балласт — мешки с песком. Их сбрасывают в том случае, ели необходимо увеличить высоту полета.

Классификация аэростатов

Существует два наиболее распространенных типа классификации по:

Способу наполнения купола.
Назначению.

По способу наполнения оболочки воздушный шар бывает:

Тепловым.
Газовым.
Комбинированным.

Тепловые аэростаты по-прежнему величают монгольфьерами. Подъем их осуществляется за счет подачи горячего воздуха.

В газовых подъемная сила создается легкими газами и их смесями. По-другому их называют шарльерами по имени сконструировавшего их француза Жака Шарля. В 1783 г он впервые с успехом испытал воздушный шар, наполняемый водородом.

Комбинированные аэростаты в полете используют как горячий воздух, так и газовую смесь. Для этого они оснащены двумя оболочками. Разработал такую схему французский физик Пилатр де Розье. К сожалению, изобретатель с помощником погибли во время испытательного полета в 1785 г, но его устройства используются и получили название розьеров.

В 1999 англичанин Брайан Джонс и швейцарец Бертран Пиккар на розьере отправились в первое в истории кругосветное путешествие и благополучно вернулись из него.

По назначению аэростаты делятся на:

Свободные или неуправляемые. Их применяют в спорте, экстремальном отдыхе, для научных целей и рекламы.

Привязные. Те же неуправляемые, но зафиксированные на поверхности земли тросом. Это позволяет контролировать его удаленность. Могут подниматься в воздух с пассажирами и без. Привязной шар имеет обтекаемую форму и хвостовое оперение. Используется для обучения парашютистов, для обзора местности, в научных и рекламных целях.

Стратостат. Неуправляемое устройство, которое поднимается в стратосферу, как правило, без пассажиров, с целью научных исследований. Отличается большим размером и герметичной корзиной.

Управляемые или дирижабли. Их название происходит от французского «dirigeable» - «управляемый». Впервые дирижабль был запущен в воздух в 1852 г. Он был сделан в форме сигары, оснащен винтом и парогенератором. Дирижабли получили широкое распространение в то время. Сегодня они нашли свое применение в туризме, грузовых и гражданских перевозках. В качестве двигателя устанавливаются паровые машины, бензиновые, дизельные и электрические двигатели, а также газовые турбины.

Как летает воздушный шар

Принцип полета аэростата основан на законах физики. Воздух или газ, поступающие в оболочку, имеют температуру выше, чем в окружающей среде, а плотность ниже. Соответственно, под действием выталкивающей силы он устремляется вверх. На определенной высоте действие силы тяжести уравновешивает выталкивающую силу и аэростат «зависает» в небе.

Как управлять аэростатом

Разумеется, шар очень зависит от ветра. Однако большинство современных агрегатов поддаются управлению. Высота полета задается при помощи выпускного клапана в вершине оболочки, а для изменения направления движения используется боковой клапан.

Подготовка

Управление аэростатом — непростое занятие, оно требует обучения и тщательной подготовки. Большое значение имеют метеорологические условия, такие как видимость, облачность, направление и скорость ветра. На основе этой информации и выстраивается маршрут. На пути движения обязательно должны быть участки, пригодные для совершения посадки, поскольку во время путешествия не исключено возникновение непредвиденных обстоятельств.

Взлет

Для осуществления старта выбирают ровную территорию, удаленную от жилых объектов, деревьев, столбов и линий электропередачи.

Для подъема шара в воздух требуются усилия всего экипажа. Вначале воздушный шар собирают:

Прикрепляют горелку к гондоле и соединяют ее с газовыми баллонами посредством шлангов.
Проводят пробное включение горелки.
Растягивают купол в направлении ветра и пристегивают его к гондоле карабинами.

По окончании сборки купол наполняют холодным воздухом с помощью вентилятора. Затем включают горелку. Горячий воздух отрывает шар от поверхности, и экипаж занимает свои места.

Если полет производится на привязном аэростате, его предварительно фиксируют на поверхности.

Полет

Для контроля за полетом требуются хорошие навыки. Для увеличения высоты производится подогрев воздуха путем запуска горелки, а для уменьшения – открывается выпускающий клапан. Движение в боковом направлении происходит за счет попутного ветра. Чтобы двигаться скорее, пилот может подняться повыше, где скорость ветра больше.

Спуск

Для приземления заранее подбирают площадку, большую и безопасную. Пилот выпускает воздух из купола при помощи клапана и воздушный шар потихоньку опускается на поверхность.

Примечательным является то, что если аэростаты столкнутся друг с другом в воздухе, то… ничего не произойдет. Они просто оттолкнутся и полетят дальше. Да и столкнуться им весьма сложно, ведь они путешествуют по направлению ветра — в одну и ту же сторону.