Довкілля. 6 клас. Григорович

§ 15. Повітроплавання

• Як впливає густина речовини або матеріалу на можливість плавати чи тонути у воді (за § 4).

• За яких умов виникає сила виштовхування (сила Архімеда) (за § 5).

• Яке повітря має більшу густину: холодне чи гаряче (за § 11).

• Чи існує поверхня атмосфери (за § 12).

Аеростати

Хоча ми часто не помічаємо повітря, воно нас завжди оточує, де б ми не були: на поверхні землі, де ми живемо, а також багато кілометрів угору. Фактично ми живемо на дні океану з повітря. А, отже, у цьому океані також можна плавати, як і у водному.

Як ви пам’ятаєте, якщо густина тіла (або середня густина) менша, ніж у води, то воно спливає на її поверхню. Це справедливе й для газів: газ із густиною меншою, ніж у повітря, здійматиметься в повітрі вгору (мал. 15.1). Сьогодні це часто можна побачити під час різних свят (мал. 15.2). Такий спосіб польоту називають аеростатичним (від грец. аеr — повітря та statos — нерухомий).

Мал. 15.1. Водень і гелій — гази з густиною меншою, ніж у повітря. Заповнені ними кульки спливають у повітряному океані

Мал. 15.2. Сьогодні на святах ми бачимо повітряні кульки, які не падають на підлогу, а злітають вгору. Аби кульки літали, їх заповнюють гелієм, густина якого майже в 7 разів менша, ніж у повітря

Аеростатичний принцип польоту вперше застосували в Китаї. 1306 року придворні фокусники виготовили повітряні ліхтарики для розважальних заходів (мал. 15.3). Знизу ліхтаря прикріплювали джерело полум’я, яке розігрівало повітря всередині. Гаряче повітря має меншу густину, ніж холодне, через що виникає виштовхувальна сила (мал. 15.4).

Мал. 15.3. Повітряні ліхтарі роблять з легкої цупкої тканини, а внизу прикріплений шматок бавовни, просочений пальним

Мал. 15.4. У гарячому повітрі молекули рухаються значно швидше, через що відстані між молекулами в гарячому повітрі більші, ніж у холодному. Унаслідок густина гарячого повітря менша, ніж холодного

Виштовхувальну силу повітря можна використовувати для мандрівок у повітряному океані. Для цього виготовляють величезні повітряні кулі, які також називають аеростатами (мал. 15.5). Перша така мандрівка сталася 1783 року в Парижі (мал. 15.6).

Мал. 15.5. Аеростати — великі повітряні кулі (а). У нижній частині розташована гондола (б), яка вміщує кілька людей. У верхній частині гондоли є спеціальні пальники (в), які розігрівають повітря всередині кулі

Мал. 15.6. Аеростат «Ad Astra» (від лат. «До зірок») сконструйований братами Монгольф'єр. Уперше в історії 21 листопада 1783 року двоє аеронавтів піднялися на ньому в небо й пролетіли майже 10 км упродовж 25 хвилин на висоті близько 1 км

Ідеєю аеростатичного повітроплавання захопилися наукова спільнота, а також мандрівники мандрівниці. І до сьогодні по всьому світу організовують перегони на аеростатах (мал. 15.5α). В Україні Повітроплавне товариство «Монгольф’єр» улаштовує фестивалі. А метеорологи запускають спеціальні метеорологічні аеростати (метеозонди), які здіймаються у стратосферу і вимірюють там характеристики повітря (вологість, тиск тощо) (див. мал. 11.2 на с. 71).

У першій половині XX століття дуже популярними були гігантські пасажирські аеростати — дирижаблі (від фр. dirigeable — керований), якими мандрували з Європи до Америки (мал. 15.7). На відміну від звичайних аеростатів вони були обладнані пропелерами, якими екіпаж керував напрямом руху. У величезній гондолі дирижаблів були каюти, ресторани й оглядові палуби. За один рейс дирижабль перевозив із комфортом декілька десятків пасажирів. У ті часи аеростати були зручною заміною морських кораблів, адже мандрівка дирижаблем з Європи до Америки тривала 2-3 дні, а кораблем — до 2 тижнів.

Мал. 15.7. Плакат 1937 року з рекламою пасажирських перевезень із Гамбурга (Німеччина) до Буенос-Айреса (Аргентина)

Літаки

Здавна люди спостерігали за птахами і мріяли так само літати в небі. Люди конструювали щось на кшталт пташиних крил, у надії злетіти, наче птахи. За легендою, одній людині — давньогрецькому міфологічному персонажу Ікару — все ж таки вдалося піднестися ближче до сонця (мал. 15.8). Утім, реальні польоти «на крилах» стали можливими порівняно недавно.

Мал. 15.8. Ікар — син давньогрецького інженера, який за легендою першим здійснив політ

Перші відомості про машину для польоту з’явилися 1716 року (мал. 15.9), після чого ентузіасти намагалися сконструювати власний пристрій, багато з яких були доволі чудернацькими з нашого сучасного погляду. Активно конструювання крилатих машин почало розвиватися у другій половині XIX століття, коли до них приєднали двигун.

Мал. 15.9. Старовинний планер — прообраз сучасного літака

Сьогодні крилаті машини ми називаємо літаками. Якщо в аеростатів середня густина менша, ніж у повітря, через що вони ним витискуються, то в літаків середня густина більша, ніж у повітря.

На відміну від аеростатів у літаків застосовано аеродинамічний принцип (від грец. dynamis — сила) — унаслідок руху повітря виявляє підйомну силу (мал. 15.10).

Мал. 15.10. Аеродинамічний принцип виникнення підйомної сили під час руху крила в повітрі

Таку підйомну силу повітря ви могли спостерігати, висунувши руку у вікно автівки під час швидкого руху (мал. 15.11).

Мал. 15.11. Висунувши руку у вікно автівки під час швидкого руху можна відчути аеродинамічну підйомну силу

Підйомна сила повітря виявляється лише за великої швидкості руху. Для цього на літаки встановлюють двигуни, які розганяють літак до необхідної швидкості. Що більше швидкість руху літака та більші крила, тим більша підйомна сила. Коли підйомна сила перевищить силу тяжіння, літак злітає у повітря (мал. 15.12). Зазвичай це стається за швидкості не менше 180 км/год. Літак для польоту має постійно рухатися. Лише він зупиниться або дуже загальмується, підйомна сила зникне.

Мал. 15.12. Зліт літака можливий, якщо підйомна сила більша, ніж сила тяжіння до Землі

Перші двигуни, які монтували на літаки, були гвинтовими, або пропелерними (мал. 15.13). Гвинтовий двигун для тяги використовує повітря, тож його не можна використовувати на дуже великих висотах, приміром у стратосфері. До того ж, літаки з такими двигунами помірно повільні — їх швидкість зазвичай не більше 700 км/год.

Мал. 15.13. Лопаті пропелера вигнуті так, що попереду них утворюється зона зниженого повітряного тиску, а позаду — підвищеного. Повітря ззаду штовхає пропелер і літак рухається вперед

У другій половині XX століття популярними стали реактивні двигуни (мал. 15.14 на с. 98). Під час згоряння пального в такому двигуні утворюється багато газуватих речовин, які з великою швидкістю викидаються із сопла. У такий спосіб літак нібито «відштовхується» від газуватих продуктів згоряння і рухається в протилежному напрямку.

Мал. 15.14. Із сопла реактивного двигуна (а) з великою силою виривається струмінь розпечених газуватих продуктів згоряння пального: під час руху літак нібито відштовхується від цього струменя. Такий спосіб руху дає можливість літати в безповітряному просторі, що використовують у космічних кораблях (б)

Реактивні літаки можуть літати набагато вище і швидше, навіть швидше звуку. Найбільшу швидкість продемонстрував розвідний літак Lockheed — 3530 км/год! Проте реактивні літаки дорожчі у використанні.

Гелікоптер

Ще один тип літальних апаратів, що використовує гвинтовий двигун, — гелікоптер (від грец. heliks — гвинт і pteron — крило), або вертоліт, або гвинтокрил. У них несучий гвинт прикріплений зверху й обертається в горизонтальній площині. Проте, якщо гелікоптер перебуває в повітрі, обертаючийся несучий гвинт примушує обертатися корпус гелікоптера у зворотному напрямку. Щоб уникнути цього, у хвостовій частині гелікоптера розташований ще один гвинт, який обертається у вертикальній площині (мал. 15.15).

Мал. 15.15. Схематична будова гелікоптера

У гелікоптера є ще одна особливість — улаштування несучого гвинта. Якщо в літаків лопаті пропелера жорстко закріплені одна з одною (мал. 15.13), то в гелікоптерів лопаті несучого гвинта можуть змінювати кут відносно горизонтальної площини (мал. 15.16). У разі зміни цього кута гелікоптер нахиляється в певний бік і може летіти майже в будь-якому напрямку: вперед, назад, ліворуч, праворуч, обертатися майже в будь-якій площині.

Мал. 15.16. Лопаті несучого гвинта гелікоптера у стані спокою розташовані паралельно землі, проте в польоті вони змінюють кут відносно горизонтальної площини (а). Це можливо завдяки спеціальному кріпленню, яке називають автоматом перекосу. Цей пристрій дає можливість гелікоптеру літати майже в будь-якому напрямку (б)

Отже, політ гелікоптера забезпечується набагато складнішими механізмами, ніж у літака, через що гелікоптери з’явилися значно пізніше. 1907 року перший гвинтокрил французького винахідника Поля Корню піднявся над землею на 30 см і протримався 20 секунд.

Значний внесок у конструювання гелікоптерів зробив наш співвітчизник Ігор Сікорський, який 1908 року в Києві зібрав свою модель гвинтокрила, а 1939 року налагодив промислове виробництво гелікоптерів у США.

Ігор Сікорський

(1889-1972)

Видатний авіаконструктор, розробник серійних гелікоптерів, засновник компанії «Sikorsky Aircraft». У США його називають батьком світового гелікоптеробудування.

Через особливості механізмів у несучого гвинта гелікоптера менша можлива швидкість обертання. Тому гелікоптери менші за розміром, мають меншу швидкість і висоту польоту. У більшості моделей гелікоптерів максимальна висота польоту становить 6 км, тому, приміром, на Еверест гелікоптери злетіти не можуть. Проте вони набагато маневреніші, можуть злітати вертикально, тобто майже з будь-якого майданчика, а також зависати в одній точці не рухаючись.

КЛЮЧОВА ДУМКА ПАРАГРАФА

Літальні апарати використовують повітря для створення підйомної тяги, проте за різним принципом — аеростатичним або аеродинамічним.

Завдання

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

154. У чому полягає аеростатичний спосіб польоту? Якою має бути середня густина літальних апаратів із таким способом руху?

156. Які речовини можна використовувати для польотів аеростатів?

157. Чим гвинтовий двигун відрізняється від реактивного?

158. Схарактеризуйте, що спільного та відмінного у способах руху аеростатів, літаків і гелікоптерів.

ІНФОРМАЦІЙНО-ПОШУКОВІ ЗАВДАННЯ

159. Підготуйте повідомлення щодо перших спроб польотів на повітряній кулі, літаку, гелікоптері.

160. Підготуйте повідомлення про одного з видатних творців літальних апаратів українського походження (на ваш вибір): Ігор Сікорський, Олег Антонов, Сергій Корольов та інші.

161. Дізнайтеся більше про внесок жінок у розвиток повітроплавання. Створіть презентацію, в якій розкажіть про одну з авіаторок: Елсі Маккей, Амелія Ергарт, Раймонда де Ларош, Джеральдіна Кобб, Жаклін Кокран, Тереза Пельтьє (на вибір).

162. Підготуйте повідомлення про катастрофу з дирижаблем «Гінденбург». Які висновки щодо використання дирижаблів були зроблені після цього?

163. Перегляньте кінофільм «Аеронавти» (реж. Том Харпер, 2019 р.). Розкажіть, які небезпеки можуть очікувати мандрівників / мандрівниць на аеростатах.

164. На початку XX століття між літаками й дирижаблями була жорстка конкуренція. І багато фахівців пророкували, що в майбутньому пересування на далекі відстані відбуватиметься переважно дирижаблями. Проте сьогодні ми вже знаємо, що в цій конкуренції перемогли літаки. Наведіть переваги й недоліки комерційного використання літаків і дирижаблів, на яких ґрунтувалися прогнози.

165. Підготуйте повідомлення про застосування аеростатів у цивільній і військовій галузі. Які з них актуальні до сьогодні?

166. Підготуйте повідомлення про легендарного Ікара. Поміркуйте, про що має мріяти людина або що вона має скоїти, щоб сьогодні її порівнювали з Ікаром.

167. Термін «гвинтокрил» часто використовують як синонім гелікоптера, оскільки він є дослівним перекладом з англійської або грецької. Проте фахівці заперечують цьому, оскільки існує певний тип літальних апаратів саме з назвою «гвинтокрил». Підготуйте доповідь щодо спільних і відмінних рис таких літальних апаратів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ В ГРУПАХ

168. У ясну погоду високо в небі можна побачити білий слід, що залишається після літака. Його називають інверсійним слідом. Він утворюється внаслідок згоряння пального у двигунах літака, під час чого виділяються вуглекислий газ і вода. Зважаючи на матеріал § 12, поясніть походження інверсійного сліду.

169. Як вам уже відомо, слово «аеростат» походить від грецьких слів зі значеннями «повітря» і «нерухомий». Як ви вважаєте, чому в даному випадку використали слово «нерухомий»?

170. Сьогодні поширеними стають невеликі дрони або квадрокоптери. За способом зльоту та маневреністю вони нагадують гелікоптери. Що спільного та відмінного в будові пропелерів, можливості маневрувати тощо цих двох літальних апаратів?

171. Мезосфера певним чином є «мертвою зоною» для польотів. У мезосфері повітря занадто розріджене, аби підтримувати літаки й аеростати. Водночас воно занадто щільне для польотів штучних супутників. Поясніть, чому саме так. Як ви вважаєте, які літальні пристрої можна використовувати для дослідження мезосфери?

172. У кінофільмі «Кінгсман: Таємна служба» (реж. Метью Вон, 2014 р.) агент Роксі, використовуючи повітряні кулі, піднімається в космос, щоб збити ворожий супутник. Обговоріть, наскільки реальні такі події.