Фізика. 7 клас. Максимович
§ 29. Повітроплавання
Уявіть собі, як одночасно в небо підіймаються десятки яскравих повітряних куль, плавно рухаючись то вниз, то вгору, граційно ловлячи вітер на різних висотах. Вони створюють незабутнє видовище та одночасне враження легкості й величі. А кажуть, що без крил не літають...
Дізнаймося про...
- аеростати та дирижаблі:
- практичне застосування повітроплавання.
1. Основи повітроплавання
Повітроплавання — це польоти в атмосфері Землі на апаратах, легших за повітря. На такий апарат з боку Землі діє сила тяжіння:
Fтяж. — mтілаg = ρтілаgVтіла,
а з боку повітря — сила, яка прагне підняти його вгору — сила Архімеда:
FA = ρпов.gVтіла.
Для піднімання вгору необхідно, щоб сила тяжіння була меншою від архімедової сили. А це можливо за умови, коли густина тіла є меншою за густину повітря (ρтіла < ρпов.). Для цього можна використати такі гази: водень, гелій, гаряче повітря та деякі інші. Якщо ними заповнювати цупкі оболонки, то середня густина такої кулі буде меншою від густини повітря і вона злетить вгору. На такому принципі ґрунтується повітроплавання. Саме тому піднімається кулька, наповнена гелієм (мал. 29.1), чи повітряний ліхтарик, у якому використовується нагріте внаслідок горіння свічки повітря (мал. 29.2).
Мал. 29.1. Повітряні кульки
Мал. 29.2. Повітряний ліхтарик
Поміркуйте і дайте відповідь
До якого моменту повітряна кулька чи повітряний ліхтарик будуть підніматися вгору?
2. Історія винайдення аеростата
Літальні апарати, легші за повітря, називають аеростатами, чи повітряними кулями.
Перший публічний запуск безпілотної повітряної кулі відбувся 5 червня 1783 року. Його продемонстрували французи, брати Жозеф-Мішель та Жак-Етьєнн Монгольф’є. Їхня куля, наповнена гарячим повітрям, перебувала в повітрі приблизно 10 хвилин, піднявшись на висоту 300 метрів (мал. 29.3).
Брати Монгольф’є
Мал. 29.3. Повітряна куля-монгольф’єр
Інший французький винахідник Жак-Александр-Сезар Шарль заповнив оболонку воднем. Густина водню у 14 разів менша за густину повітря, отже, суттєво зросла підіймальна сила аеростата. Свій перший політ така куля здійснила 27 серпня 1783 року (мал. 29.4).
Ж. Шарль
Мал. 29.4. Повітряна куля-шарльєр
Аеростати, у яких використовують водень, гелій чи інший газ, легший за повітря, ще називають шарльєрами, а ті, що містять гаряче повітря — монгольф’єрами.
Для того щоб підніматися вгору на шарльєрах, потрібно викидати баласт з кошика. Щоб опускатися вниз — випускають газ через отвір у верхній частині кулі.
Керування монгольф’єрами відбувається за допомогою газових пальників: вогонь інтенсивніше горить — повітря сильніше нагрівається і куля піднімається вгору. Пальник не горить — повітря охолоджується і куля опускається вниз.
Недоліком обох типів аеростатів є те, що в горизонтальному польоті вони рухаються тільки за вітром.
3. Дирижаблі в Україні
Для того щоб змусити повітряну кулю рухатись у довільному горизонтальному напрямку, зокрема проти вітру, потрібен двигун і пропелер. Такі аеростати з’явилися наприкінці XIX ст. і отримали назву «дирижабль».
Дирижаблі тоді конкурували з літаками. Їх використовували для перевезення пасажирів, ведення воєнних дій, а також для розваг і реклами.
В Україні перший дирижабль спроєктував, виготовив і сам пілотував харків’янин Костянтин Данилевський у 1897 році (мал. 29.5).
К. Данилевський
Мал. 29.5. Дирижабль К. Данилевського
А у 1911 році киянин Федір Андерс сконструював дирижабль «Київ», який брав на борт чотирьох пасажирів. До 100-річчя цієї події в Україні було випущено марку із зображенням дирижабля «Київ» (мал. 29.6).
Ф. Андерс
Мал. 29.6. Дирижабль «Київ»
Поміркуйте і дайте відповідь
Як ви вважаєте, чи мають переваги дирижаблі над літаками?
4. Підіймальна сила аеростата
Кожен аеростат використовують для того, щоб підняти якесь корисне навантаження: вимірювальну апаратуру, пасажирів чи інший вантаж. Найбільшу вагу вантажу, який може підняти аеростат, називають підіймальною силою. Як її розрахувати? З мал. 29.7 видно, що порожній аеростат піднімає вгору сила Архімеда, а протидіють цьому сила тяжіння газу і оболонки.
Мал. 29.7. Аеростат
Різниця між архімедовою силою і силою тяжіння є підіймальною силою аеростата:
Fпід. = FA (Fтяж.газу + Fтяж.об.).
З формули випливає, що для збільшення підіймальної сили потрібно збільшувати архімедову силу і зменшувати масу газу й самого аеростата. Для цього потрібно виготовляти кулю більшого об’єму та заповнювати її газом меншої густини, а аеростат — з легших матеріалів.
5. Сучасний стан повітроплавання
Пік повітроплавання припав на кінець XIX — початок XX ст. Проте аеростати використовують і тепер.
Так монгольф’єри (мал. 29.8) використовують для фотографування поверхні землі і моря, скупчення тварин, для туристичних і пізнавальних подорожей, спортивних змагань.
Мал. 29.8. Монгольф’єр
Шарльєри застосовують для метеорологічних досліджень (мал. 29.9), проведення наукових експериментів, а також для спортивних змагань.
Мал. 29.9. Метеорологічний зонд
Аеростати для дослідження верхніх шарів атмосфери називають стратостатами.
Дирижаблі (мал. 29.10) використовують для доставки великих вантажів у важкодоступні райони, для перевезення пасажирів, під час рятувальних операцій, для спостереження за певною територією.
Мал. 29.10. Сучасний дирижабль
Поміркуйте і дайте відповідь
Де ще можна застосовувати аеростати?
Запам’ятайте
Повітроплавання — це польоти в атмосфері Землі на апаратах, легших за повітря.
Аеростат — літальний апарат, легший за повітря.
Дирижабль — це аеростат, який має двигун і може рухатися незалежно від повітряних потоків.
Підіймальна сила аеростата — це найбільша вага вантажу, який він може підняти.
Перевірте себе
1. Однакові кульки наповнили теплим повітрям, воднем, вуглекислим газом і гелієм. Як вони розташуються в повітрі?
2. Визначте підіймальну силу, яку має кулька об’ємом 2,5 дм3, заповнена воднем. Маса кульки разом з воднем 3 г.
3. Маса аеростата (оболонки і кошика) 440 кг, об’єм кулі 1500 м3. Вантаж якої маси він підніме, якщо наповнити оболонку гелієм?
Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)
|
Повітроплавання |
Aviation |
|
Аеростат |
Aerostat |
|
Дирижабль |
Airship/dirigible/blimp/zeppelin |
