"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Воздухоплавание — полёт воздушных шаров, аэростатов и дирижаблей благодаря архимедовой силе, возникающей в окружающем воздухе. Аппарат поднимается, когда вытесненный им воздух весит больше, чем оболочка, газ, оборудование и груз. Из параграфа вы узнаете, как рассчитывают подъёмную силу, почему используют гелий и водород, как управляют высотой и чем свободный аэростат отличается от дирижабля.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Воздухоплавание — полёт аппаратов в атмосфере за счёт архимедовой силы, действующей на газ или воздух внутри оболочки. Это понятие объединяет полёты воздушных шаров, аэростатов и дирижаблей. Оно нужно, чтобы отличать такой способ поддержания в воздухе от полёта самолёта, где подъём создают крылья.
Аэростат — летательный аппарат легче окружающего воздуха, не имеющий двигателя для создания горизонтальной тяги. Его оболочка содержит газ меньшей плотности, поэтому аппарат может подниматься. Термин применяют прежде всего к свободным воздушным шарам и другим неуправляемым по горизонтали аппаратам.
Дирижабль — управляемый аэростат с двигателями, винтами и органами управления. Газ внутри оболочки обеспечивает его поддержание в воздухе, а двигатели создают горизонтальное движение. Поэтому дирижабль способен выбирать маршрут, а не только перемещаться вместе с ветром.
Подъёмная сила — равнодействующая архимедовой силы и силы тяжести, определяющая способность аэростата подниматься или опускаться. Если она направлена вверх, аппарат набирает высоту, если вниз — снижается. В расчётах учитывают не только газ, но и оболочку, оборудование и груз.
Воздухоплавательный аппарат вытесняет часть окружающего воздуха, поэтому на него действует архимедова сила. Давление воздуха с глубиной увеличивается: нижние участки оболочки испытывают немного большее давление, чем верхние. Разность давлений и даёт силу, направленную вверх: FА = ρвоздgV, где V — объём вытесненного воздуха.
Движение определяется сравнением этой силы с общей силой тяжести аппарата. В неё входят веса оболочки, газа, корзины или корпуса, приборов, топлива и груза. Если FА больше веса, появляется ускорение вверх; если меньше — вниз, а при равенстве вертикального ускорения нет.
Для подъёма нужен газ, плотность которого меньше плотности воздуха. Тогда масса газа в оболочке меньше массы вытесненного воздуха, и после вычитания веса оболочки остаётся полезная подъёмная сила. Водород легче, но пожароопасен, а гелий немного тяжелее, зато химически безопасен.
Высоту свободного аэростата изменяют несколькими способами. Сбрасывание балласта уменьшает массу и вес аппарата, поэтому он поднимается, а выпуск части газа уменьшает подъёмную силу и вызывает спуск. В управляемых системах можно также изменять объём оболочки или использовать баллонеты, регулируя объём газа и вытесняемого воздуха.
Свободный аэростат обычно перемещается по горизонтали вместе с ветром, хотя высоту можно менять, чтобы попасть в воздушный поток другого направления. Дирижабль дополнительно оснащён двигателями, винтами и рулями. Поэтому его используют для перевозки, наблюдений, рекламы и патрулирования там, где важны длительное пребывание в воздухе и управляемый маршрут.
В таблице сначала сравните архимедову силу с полной силой тяжести аппарата, а затем посмотрите на результат движения. Для дирижабля отдельно указано горизонтальное движение: оно возможно благодаря двигателю даже тогда, когда вертикальные силы уравновешены.
| Ситуация | Соотношение сил | Движение аппарата | Способ управления |
|---|---|---|---|
| Подъём | Архимедова сила больше силы тяжести | Аппарат движется вверх | Увеличить подъёмную силу или уменьшить массу |
| Равновесие | Архимедова сила равна силе тяжести | Аппарат сохраняет высоту | Подобрать массу груза и объём газа |
| Спуск | Архимедова сила меньше силы тяжести | Аппарат движется вниз | Выпустить часть газа или уменьшить объём оболочки |
| Горизонтальное перемещение | Вертикальные силы уравновешены, движение создаёт двигатель | Дирижабль движется в выбранном направлении | Использовать двигатель, винты и рули |
Воздушный шар имеет объём 600 м³ и находится в воздухе плотностью 1,3 кг/м³. Требуется найти архимедову силу при g = 10 Н/кг. Сила определяется массой вытесненного воздуха, а не плотностью газа внутри шара.
Ответ: 7800 Н.
Шар объёмом 500 м³ заполнен гелием плотностью 0,18 кг/м³, а масса оболочки и оборудования равна 120 кг. Примем плотность воздуха 1,3 кг/м³ и g = 10 Н/кг. Нужно найти наибольшую массу груза, которую шар сможет поднять.
Ответ: максимальная масса груза — 440 кг.
Аэростат поднимается с постоянной скоростью, то есть до изменения его вертикальные силы уравновешены. После сбрасывания 40 кг балласта подъёмная сила стала на 400 Н больше силы тяжести. Требуется объяснить результат и проверить его расчётом.
Ответ: сброшенная масса равна 40 кг; избыток подъёмной силы — 400 Н.
В формулу архимедовой силы иногда подставляют плотность газа внутри оболочки. Ошибка возникает из-за того, что именно этот газ обсуждают при описании шара, но сила определяется вытесненным окружающим воздухом. Проверьте индекс у плотности: должно быть ρвозд.
Некоторые сравнивают подъёмную силу только с весом гелия. Так забывают, что поднять нужно также оболочку, оборудование и груз. Перед расчётом составьте полный список масс и сложите их.
Равенство архимедовой силы и силы тяжести принимают за полную неподвижность. На самом деле оно означает нулевое вертикальное ускорение: аппарат может покоиться или двигаться равномерно. Для проверки спросите себя, говорится ли о скорости, а не только о силах.
Свободный аэростат путают с управляемым летательным аппаратом. Возможность менять высоту ещё не даёт возможности выбирать горизонтальное направление. Если нет двигателя, винтов и рулей, путь в основном определяет ветер.
Для понимания воздухоплавания нужны закон Архимеда, понятия плотности и силы тяжести, условия равновесия и второй закон Ньютона. Эти знания позволяют перейти от сравнения сил к расчёту ускорения.
Тема связана с плаванием тел, движением в атмосфере и авиацией: везде сравнивают силы, создающие подъём, с весом тела. На практике идеи используют в метеорологических зондах, воздушных шарах и дирижаблях, поэтому воздухоплавание связано также с метеорологией и техникой.
Почему воздушный шар поднимается, если воздух невидим?
Воздух имеет массу и действует на погружённое в него тело со всех сторон. Давление снизу оказывается больше давления сверху, поэтому возникает направленная вверх архимедова сила.
Почему для заполнения аэростатов используют водород или гелий?
Плотность водорода и гелия меньше плотности воздуха. Поэтому при одинаковом объёме они создают большую разность между архимедовой силой и весом газа. Гелий безопаснее водорода, потому что не горит.
Что произойдёт с шаром, если архимедова сила станет равна его весу?
Вертикальная равнодействующая сил станет равной нулю, поэтому шар не будет иметь вертикального ускорения. Если он уже двигался, то может продолжить движение с постоянной скоростью, а в покое сохранит высоту.
Чем дирижабль отличается от обычного воздушного шара?
Дирижабль имеет двигатели, винты и рули, поэтому может управляемо перемещаться по горизонтали. Свободный аэростат таких устройств обычно не имеет и летит вместе с воздушными потоками.
Можно ли управлять направлением движения свободного аэростата?
Полноценно выбирать направление движения свободный аэростат не может. Он способен менять высоту, например сбрасывая балласт или выпуская газ, а направление зависит главным образом от ветра на разных высотах.
4. Воздухоплавание
