Воздухоплавание

Определения и обозначения

Воздухоплавание — передвижение в атмосфере на летательных аппаратах, которые держатся в воздухе благодаря подъёмной силе. Это название объединяет способы полёта, при которых аппарат легче окружающего воздуха. Оно помогает отличить воздухоплавание от полёта самолёта, который удерживается в воздухе иначе.

Аэростат — летательный аппарат легче окружающего воздуха; к аэростатам относятся воздушные шары и дирижабли. Слово «аэростат» показывает, что аппарат поднимается благодаря своему взаимодействию с воздухом. Это общее название, которое помогает не путать отдельные виды аппаратов.

Воздушный шар — аэростат без двигателя, который поднимается за счёт газа внутри оболочки или нагретого воздуха. Оболочка удерживает газ или нагретый воздух, а корзина может нести людей и груз. Понимание этого определения объясняет, почему шар способен подняться, но не может сам направить себя в нужную сторону.

Дирижабль — управляемый аэростат с двигателями и устройствами для изменения направления движения. Он тоже держится в воздухе благодаря подъёмной силе, но может двигаться с помощью двигателя. Это отличие важно, когда нужно определить, какой аппарат способен выбирать направление полёта.

Как это устроено

Газ внутри аппарата или нагретый воздух может быть легче окружающего воздуха. Нагретый воздух расширяется, поэтому в том же объёме становится меньше его масса, чем в объёме более холодного воздуха вокруг. Окружающий воздух действует на аппарат и выталкивает его вверх, словно поддерживает снизу. Эта выталкивающая сила и помогает шару подняться.

Для подъёма недостаточно, чтобы внутри находился лёгкий газ: нужно учитывать весь аппарат. Вниз тянут оболочка, корзина, груз и содержимое, поэтому вместе они образуют вес шара. Если выталкивающая сила больше этого веса, шар начинает подниматься. Если силы уравновесились, высота может оставаться примерно постоянной, а если вес больше — шар опускается.

Пилот может менять высоту, изменяя свойства воздуха внутри шара или общий вес аппарата. В тепловом шаре горелка нагревает воздух: он становится менее плотным, и подъёмная сила увеличивается. Когда воздух остывает, его плотность растёт, поэтому шар может снижаться. Высоту также меняют выпуском части газа или изменением веса, но результат зависит от устройства аппарата.

Обычный воздушный шар не выбирает направление сам, потому что у него нет двигателя, который толкал бы его вперёд. Его переносит движущийся воздух — ветер. При этом направление ветра может отличаться на разных высотах, поэтому пилот меняет высоту и ищет подходящий поток. Так можно влиять на путь шара, но нельзя гарантированно лететь в любую сторону.

Дирижабль отличается тем, что у него есть двигатель и органы управления. Двигатель создаёт движение, а органы управления помогают менять его направление. Поэтому дирижабль может выбирать курс, а не только перемещаться туда, куда несёт ветер. Подъёмная сила нужна ему для удержания в воздухе, а двигатель — для управляемого движения.

Сравнение летательных аппаратов легче воздуха

Сравнивая аппараты, сначала найди различия в двигателе и управлении: они влияют на то, куда аппарат может лететь. Затем посмотри, что создаёт подъёмную силу и как меняют высоту. В последней строке таблицы указаны примеры использования, а не обязательные правила для каждого аппарата.

Разбор задач

Задача 1. Объясни, почему воздушный шар с нагретым воздухом поднимается вверх. Нужно связать нагрев воздуха с его плотностью и действием окружающего воздуха. Решение:

1. При нагревании воздух расширяется, и в том же объёме его масса становится меньше. Значит, воздух внутри шара менее плотный, чем более холодный окружающий воздух. Это создаёт условия для подъёма.
2. Окружающий воздух выталкивает шар вверх. Сравни эту силу с весом оболочки, груза и воздуха внутри. Если выталкивающая сила больше общего веса, шар поднимается.

Ответ. Нагретый воздух внутри шара менее плотный, а окружающий воздух выталкивает аппарат вверх. Шар поднимется, когда выталкивающая сила больше его общего веса. Один лишь нагрев не отменяет необходимости учитывать оболочку и груз.

Задача 2. Сравни воздушный шар и дирижабль: укажи, как каждый из них перемещается и управляется. Решение:

1. У воздушного шара нет двигателя для самостоятельного движения. Поэтому его переносит ветер, а пилот может менять высоту и искать подходящий воздушный поток. Это ограничивает возможность выбирать направление.
2. У дирижабля есть двигатель и органы управления. Двигатель помогает ему двигаться, а органы управления — менять направление. Значит, его движение не определяется только ветром.

Ответ. Воздушный шар в основном несёт ветер, а пилот управляет его высотой. Дирижабль движется с помощью двигателя и может менять направление. Оба аппарата легче окружающего воздуха и используют подъёмную силу.

Задача 3. Шар поднялся, но летит туда, куда дует ветер. Объясни, как пилот может изменить высоту и почему это не означает полного контроля над направлением. Решение:

1. Пилот может нагреть воздух внутри шара, чтобы изменить его плотность и подняться выше. Если воздух остывает, шар может снизиться. Так изменяют высоту полёта.
2. На разных высотах воздушные потоки иногда движутся в разных направлениях. Пилот может выбрать высоту, где поток поможет изменить путь шара. Но ветер всё равно переносит шар, поэтому такое управление не позволяет лететь в любую сторону.

Ответ. Пилот меняет высоту нагреванием или охлаждением воздуха и может искать потоки с нужным направлением. Полностью управлять курсом, как на дирижабле, он не может. Воздушный шар в основном переносится ветром.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что газ внутри шара сам стремится вверх и поэтому поднимает оболочку. Так думают, потому что лёгкие предметы часто движутся вверх, но причина подъёма шара — действие окружающего воздуха. Проверь себя вопросом: какая сила выталкивает аппарат? Ответ — выталкивающая сила воздуха.

Ошибка — путать воздушный шар и дирижабль. Оба аппарата легче воздуха, поэтому их легко принять за одинаковые, но у дирижабля есть двигатель и органы управления. Чтобы проверить себя, спроси, может ли аппарат самостоятельно менять направление: обычный шар — нет, дирижабль — может.

Ошибка — думать, что пилот шара способен направить его в любую сторону. Пилот управляет высотой, а движется шар в основном вместе с ветром. Проверь ответ: если у шара нет двигателя, значит, для выбора курса он не может действовать так же, как дирижабль.

Ошибка — считать, что любой газ в оболочке легче воздуха и обязательно поднимет аппарат. Это кажется верным, если помнить лишь о лёгких газах, но нужно учитывать свойства газа и массу всей конструкции с грузом. Проверь себя: сравни выталкивающую силу с общим весом, а не только газ с воздухом.

Связь с другими темами

Чтобы понять воздухоплавание, нужно знать, что воздух занимает пространство, имеет массу и оказывает давление. Эти свойства помогают объяснить, почему воздух может действовать на оболочку и поддерживать аппарат. Без них трудно понять причину подъёма.

Выталкивающая сила встречается не только в воздухе, но и при плавании тел в воде. В обоих случаях среда действует на тело и может поддерживать его. Сравнение этих примеров помогает увидеть общий принцип.

Знания о шарах и дирижаблях пригодятся при изучении самолётов. Самолёт и аэростат удерживаются в воздухе разными способами, поэтому их сравнение показывает, что у летательных аппаратов бывает разная подъёмная сила. Так легче понять устройство полёта.

Что запомнить

• Воздухоплавание — передвижение в атмосфере на летательных аппаратах.
• Аэростат легче окружающего воздуха.
• Воздушный шар поднимается благодаря выталкивающей силе воздуха.
• Нагретый воздух внутри шара менее плотный, чем окружающий.
• Воздушный шар переносится ветром.
• Дирижабль имеет двигатель и может управлять направлением движения.