"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Воздухоплавание — полёты воздушных шаров и дирижаблей, которые удерживаются в воздухе благодаря его выталкивающему действию. Подъём возникает, когда сила Архимеда, действующая на аппарат, больше его силы тяжести. Для этого внутри оболочки используют горячий воздух или газ меньшей плотности, чем окружающий воздух. Воздушный шар движется главным образом вместе с ветром, а дирижабль способен менять направление с помощью двигателя и рулей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Воздухоплавание — полёты летательных аппаратов, которые удерживаются в воздухе благодаря его выталкивающему действию. К таким аппаратам относят воздушные шары и дирижабли. Это понятие нужно, чтобы отличать полёт за счёт плавучести в воздухе от полёта самолёта за счёт движения крыльев.
Подъёмная сила — выталкивающая сила воздуха, направленная вверх и действующая на шар или дирижабль. Она равна весу вытесненного аппаратом воздуха: Fₐ = ρвоздgV. По этой силе определяют, сможет ли аппарат подняться.
Воздушный шар — летательный аппарат с оболочкой, заполненной горячим воздухом или газом, плотность которого меньше плотности окружающего воздуха. Оболочка вытесняет часть наружного воздуха и получает от него выталкивающую силу. Такое определение помогает понять, почему шар удерживается без крыльев и винтов.
Дирижабль — управляемый летательный аппарат легче воздуха с двигателем и оболочкой, заполненной лёгким газом. Газ создаёт условия для подъёма, а двигатель и рули позволяют выбирать направление движения. Поэтому дирижабль сочетает свойства воздушного шара и управляемого транспортного средства.
На воздушный шар действует выталкивающая сила, потому что воздух давит на оболочку со всех сторон. Давление снизу немного больше давления сверху, поэтому разность давлений создаёт силу вверх. По закону Архимеда её находят как вес вытесненного воздуха: Fₐ = ρвоздgV, где V — объём оболочки, погружённый в воздух.
Движение аппарата зависит от сравнения подъёмной силы и силы тяжести, то есть веса всего аппарата. Если Fₐ больше mg, равнодействующая направлена вверх и аппарат поднимается; если Fₐ меньше mg, он опускается. При равенстве сил аппарат сохраняет высоту или находится в равновесии.
Нагревание помогает шару подняться не потому, что горячий воздух сам толкает оболочку вверх. При нагревании воздух расширяется, а при неизменном объёме оболочки его плотность уменьшается, поэтому внутренний воздух становится легче. Иногда нагрев также увеличивает объём газа, но главное условие — меньшая средняя плотность содержимого вместе с оболочкой по сравнению с наружным воздухом.
Высоту шара можно изменять несколькими способами. Для подъёма воздух внутри оболочки нагревают или сбрасывают балласт, например мешки с грузом, уменьшая общий вес. Для снижения прекращают нагрев и выпускают часть горячего воздуха через клапан, после чего подъёмная сила становится меньше веса.
Дирижабль отличается от обычного шара устройством управления. Его оболочка с лёгким газом создаёт подъёмную силу, двигатель сообщает аппарату горизонтальную скорость, а рули изменяют направление. Воздушный шар без двигателя и рулей почти не выбирает путь по горизонтали и в основном движется вместе с ветром.
| Вид аппарата | Чем заполнена оболочка | Причина подъёма | Возможность управления |
|---|---|---|---|
| Воздушный шар | Горячим воздухом или лёгким газом | Плотность содержимого оболочки меньше плотности воздуха | Ограниченное управление; движение зависит от воздушных потоков |
| Дирижабль | Лёгким газом | Выталкивающая сила воздуха больше веса аппарата | Есть двигатель и рули, поэтому можно управлять направлением движения |
Сначала по таблице сравните, что находится внутри оболочки и за счёт чего возникает подъём. Затем обратите внимание на последнюю колонку: именно двигатель и рули делают дирижабль управляемым. При решении задач о подъёме дополнительно проверяйте не только устройство аппарата, но и соотношение сил.
Воздушный шар вытесняет 200 м³ воздуха, плотность воздуха равна 1,3 кг/м³, g = 10 Н/кг. Требуется найти действующую на шар выталкивающую силу. Используем закон Архимеда и сначала определяем массу вытесненного воздуха.
Ответ: на шар действует выталкивающая сила 2600 Н. Это только подъёмная сила, а возможность подъёма зависит ещё от веса оболочки, груза и газа внутри.
Объём оболочки равен 200 м³, масса шара с грузом — 250 кг, плотность воздуха — 1,3 кг/м³, g = 10 Н/кг. Нужно понять, начнёт ли шар подниматься. Для этого сравним подъёмную силу с силой тяжести шара.
Так как 2600 Н больше 2500 Н, равнодействующая направлена вверх. Ответ: шар будет подниматься. Запас подъёмной силы равен 100 Н, поэтому подъём будет происходить с небольшой результирующей силой.
Объём оболочки горячего воздушного шара равен 500 м³, плотность наружного воздуха — 1,3 кг/м³, плотность горячего воздуха внутри — 0,3 кг/м³, масса оболочки — 100 кг. Требуется найти максимальную массу груза. Сначала сравним массу вытесненного наружного воздуха с массой воздуха внутри оболочки.
Ответ: максимальная масса груза равна 400 кг. В расчёте нельзя брать все 650 кг вытесненного воздуха как грузоподъёмность, потому что 150 кг занимает внутренний воздух и ещё 100 кг приходится на оболочку.
Ошибка 1. Считают, что шар поднимает горячий воздух, который толкает его снизу. Такое объяснение забывает о давлении окружающего воздуха и законе Архимеда. Проверьте себя: в решении должна появиться сила Fₐ = ρвоздgV.
Ошибка 2. Сравнивают подъёмную силу с массой, например 2600 Н и 250 кг. Это разные физические величины и разные единицы измерения. Сначала умножьте массу на g и сравнивайте силу с силой тяжести в ньютонах.
Ошибка 3. В грузоподъёмность записывают массу всего вытесненного воздуха. Часть подъёмного запаса уже расходуется на воздух внутри оболочки и на саму оболочку. Проверка проста: используйте разность ρнаружV − ρвнутрV, а затем вычтите массу оболочки.
Ошибка 4. Полагают, что любой шар может лететь в любом горизонтальном направлении. У обычного шара нет двигателя и рулей, поэтому путь в основном задаёт ветер. Если аппарат должен самостоятельно менять направление, речь идёт о дирижабле.
До изучения воздухоплавания нужно знать закон Архимеда, плотность и формулу m = ρV. Эти знания позволяют находить массу вытесненного воздуха и его вес. Поэтому без них трудно правильно определить подъёмную силу.
Тема продолжает изучение плавания и равновесия тел в жидкости и газе. В обоих случаях тело удерживается, когда выталкивающая сила уравновешивает его вес. Отличается только среда: для шара это воздух.
Полученные знания пригодятся при изучении плавания судов, полёта самолётов и действия подъёмной силы. У судна подъём создаёт вода, у шара — воздух, а у самолёта важную роль играет движение воздуха вокруг крыла. Общая идея связана со сравнением сил.
Почему воздушный шар поднимается, если воздух невидим и почти ничего не весит?
Воздух имеет массу и действует на погружённые в него тела выталкивающей силой. Если вес вытесненного воздуха больше веса шара, равнодействующая направлена вверх, и шар поднимается.
Почему для подъёма шара нужно нагревать воздух внутри него?
При нагревании воздух расширяется и его плотность уменьшается. Тогда воздух внутри оболочки весит меньше, чем такой же объём наружного воздуха, поэтому подъёмная сила может превысить вес шара.
Чем воздушный шар отличается от дирижабля?
Оба аппарата удерживаются в воздухе благодаря оболочке с воздухом или лёгким газом. У дирижабля есть двигатель и рули, поэтому он может управляемо двигаться по горизонтали, а обычный шар в основном несёт ветер.
Как воздушный шар опускается и поднимается?
Для подъёма нагревают воздух в оболочке или сбрасывают балласт, уменьшая общий вес аппарата. Для снижения выпускают горячий воздух либо дают ему остыть, из-за чего подъёмная сила уменьшается.
Почему воздушный шар не может лететь против ветра?
У обычного шара нет двигателя и рулей, создающих горизонтальную тягу. Поэтому его движение по горизонтали в основном определяется направлением и скоростью воздушного потока.
2. Воздухоплавание
