Еще на заре цивилизации, наблюдая за полетом птиц, люди мечтали так же свободно парить в воздухе. Истории известны попытки создать разные летательные аппараты. В 1783 году был запущен воздушный шар, созданный братьями Монгольфье во Франции. Он был сделан из двух сшитых кусков ткани и наполнен теплым воздухом и дымом. Шар поднялся на высоту 300 метров и продержался в воздухе 10 минут, пролетев расстояние около километра. Сейчас воздушные шары наполняют водородом или гелием, оболочку шара делают из легких, прочных, морозоустойчивых, огнестойких материалов.

Известно, что на тела, погруженные в жидкость или газ, действует выталкивающая – архимедова сила. Для того чтобы шар поднялся в воздух, нужно, чтобы архимедова сила была больше силы тяжести. Плотность теплого воздуха, плотность водорода, гелия меньше плотности окружающего шар воздуха, поэтому шар поднимается вверх. По мере поднятия плотность атмосферного воздуха уменьшается и архимедова сила, действующая на шар, становится меньше. Шар постепенно достигает максимальной высоты полета.

Воздушный шар может не только сам подниматься вверх, но и поднять груз: людей, приборы для проведения исследований и пассажиров. Сколько груза может поднять воздушный шар? Для этого нужно определить его подъемную силу.

З А Д А Ч А :Запущен воздушный шар объемом 40 м3, наполненный гелием. Масса оболочки шара составляет 10 кг. Рассчитать подъемную силу шара.

По условию задачи И З В Е С Т Н О :

– объем шара V= 40 м3,

– плотность гелия ρ гелия =0,19 кг/м3,

– плотность воздуха ρ воздуха =1,29 кг/м3,

– масса оболочки шара m = 10 кг.

Н А ЙТ И :подъемную силу F подъемн.

Р Е Ш Е Н И Е :На шар действуют две силы: сила тяжести и архимедова сила. Архимедову силу определим по формуле: Fa = g ⋅ ρ воздуха ⋅ Vшара

Подставим числовые значения и вычислим: Fa = 516 Н.

Из-за действующей силы тяжести шар обладает весом. Вес шара складывается из веса гелия, которым шар наполнен, и веса оболочки. Вес гелия определим по формуле mg, где масса гелия равна произведению его плотности на объем шара. Подставив числовые значения, получим

76 Н. Итак, вес гелия 76 Н.

Вес оболочки также определим по формуле mg, что составит 100 Н.

Видим, что архимедова сила значительно больше веса воздушного шара, поэтому шар поднимается вверх. Подъемная сила шара равна разности между архимедовой силой и весом шара и составляет 340 Н.

Fподъемн. = Fa – (P гелия+ Pоболочки) = 516 Н – (76 Н + 100 Н) = 340 Н

Шар такого же объема, но наполненный водородом, может поднять груз большей массы, так как плотность водорода меньше плотности гелия. Но воздушные шары обычно наполняют гелием, так как он не горит и потому безопаснее. Водород – горючий газ, он может взорваться.

Воздушные шары, наполненные теплым воздухом, удобны тем, что можно регулировать высоту подъема шара, изменяя температуру воздуха внутри шара, при этом меняется его плотность, следовательно, объем шара и архимедова сила. Для этого под отверстием в нижней части шара помещают газовую горелку. Если сильно нагреть газ, то шар поднимается выше. Если уменьшить пламя горелки, то воздух внутри шара остывает и шар опускается вниз.

Для увеличения высоты подъема воздушного шара, наполненного водородом или гелием, с шара скидывают специально взятый груз – балласт. Для спуска шара из его оболочки выпускают часть газа, для этого служит специальный клапан.

В горизонтальном направлении воздушный шар перемещается под действием ветра, поэтому он называется аэростатом (от греческих слов аэр – воздух, стато – стоящий). Для исследования верхних слоев атмосферы служат стратостаты. Управляемые аэростаты – дирижабли – применялись для перевозки пассажиров и грузов по воздуху.

Воздушные шары используются для метеонаблюдений, изучения потоков воздуха в атмосфере, географических, биологических исследований в нижних слоях атмосферы. Аэростаты и дирижабли в настоящее время широко применяются в рекламных целях. Большой интерес вызывают соревнования по полету на воздушных шарах.

Аэростат – летательный аппарат легче воздуха, использующий для полёта подъёмную силу заключённого в оболочке газа, плотность которого меньше, чем плотность окружающего воздуха.

Подъемная сила аэростата равна разности между архимедовой силой и весом шара (газа и оболочки).

Управляемые аэростаты называются дирижаблями.

Аэростаты используются для метеонаблюдений, географических, биологических исследований в нижних слоях атмосферы, в рекламных целях.