Почему улетел воздушный шар. Почему воздушные шары летают? Полет воздушного шара с точки зрения физики

Чернышова Екатерина, ученица 1 "А" класса МБОУ СОШ № 18

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Проект по теме: «Почему летает воздушный шарик?» Выполнила: ученица 1 класса «А» МБОУ СОШ № 18 Чернышова Екатерина Александровна Научный руководитель: Диденко Ольга Наилевна

Актуальность: воздушные шарики можно встретить на любом празднике Цель: определить причину того, почему воздушный шарик поднимается вверх. Гипотеза: разные свойства газа внутри шарика и воздуха снаружи толкают шарик вверх.

Задачи узнать, каким веществом наполнен воздушный шарик рассмотреть понятие плотности через массу исследовать различными методами плотность доступных в доме веществ Методы и способы: опыты в доступных условиях.

Воздушный шарик наполнили гелием. Он взлетает, потому что плотность гелия меньше плотности воздуха (условие плавания тел).

Плотность показывает, какая масса вещества содержится в единице объема. Чем больше масса, тем больше плотность вещества. ρ (ро) - кг/м³

М асса воды – Мв М асса масла – Мм Мв >Мм => ρ в > ρ м П лотность воды – ρ в П лотность воды – ρ м Мв =114 г Мм=108 г

ρ в > ρ м Исходя из условия плавания тел

Исходя из условия плавания тел ρ д – плотность дерева, из которого сделан кубик ρ в > ρ д

Вывод: воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх, так как его плотность меньше плотности воздуха. Я доказала на основе определения плотности, что плотность масла меньше плотности воды. Также провела опыты и сравнила плотность разных доступных веществ.

Сила Архимеда, или выталкивающая сила, действует не только в жидкостях (например, воде), но и в газах (например, воздухе). Но из-за того, что плотность воздуха (1,29 кг/м 3) намного меньше чем воды (1000 кг/м 3), выталкивающая сила здесь незначительна.

Именно поэтому многие предметы не плавают в воздухе, как в воде. Сила тяжести, действующая на тела, оказывается сильнее выталкивающей силы воздуха.

Однако, как и в воде, чем больший объем занимает тело при неизменной массе, то есть чем больше понижается его средняя плотность, тем больше на него будет действовать выталкивающая сила.

Кроме того, существуют газы, плотность которых меньше, чем воздуха. Такими являются водород и гелий. Также сам воздух при нагревании расширяется, и его плотность уменьшается.

Если заполнить более легким, чем воздух, газом воздушный шар, то выталкивающая сила воздуха поднимет его вверх. Но так как выталкивающая сила воздуха не велика, материал шара имеет ощутимую массу, и к шарам крепят корзины с людьми и другими грузами, то сами шары должны быть огромными. В них должно содержаться достаточное количество более легкого газа, заполняющего большой объем, чтобы выталкивающая сила, действующая на этот объем, превзошла вес всего воздушного шара.

В настоящее время летательные воздушные шары заполняют обычно гелием, так как он не горит, как водород, поэтому безопасен. Раньше воздушные шары заполняли нагретым воздухом. Под шаром находилась горелка. Уровнем огня в ней можно было регулировать высоту, на которую поднимется шар.

Воздух с высотой становится более разреженным, т. е. менее плотным. Поэтому воздушные шары не могут подниматься высоко.

Воздушный шар положил начало гражданской авиации. Принцип его работы не изменился по сей день: отсутствует и двигатель, и руль для управления. Есть лишь купол с корзиной, горелка и мешки с песком.

История создания

Воздушный шар воплотил древнейший замысел человека о подчинении воздушной стихии. Первое описание аэростата было сделано в 1306 году французским миссионером Бассу, который стал свидетелем его подъема в воздух в Китае, в день восхождения на престол императора Фо Киена.

И все же родиной аэростата признается Франция, а его первыми изобретателями — братья Этьен и Жозеф Монгольфье. В 1783 году в городе они произвели запуск сконструированного ими шарообразного аэростата 3,5 метров в диаметре и массой 155 кг, наполненного горячим воздухом. Его полет протекал всего 10 минут на высоте 300 м, а пройденный путь составил около километра.

Купол аэростата братьев Монгольфье был выполнен из льняной ткани и оклеен бумагой. Для подогрева воздуха был разведен костер из мелко нарезанной соломы. А спустя недолгое время устройство агрегата дополнилось специальной корзиной для путешественников.

Подъем в воздух первого аэростата стал небывалым событием для той эпохи. В честь их создателей агрегаты стали называть монгольфьерами.

Устройство воздушного шара

Современные агрегаты производятся из более технологичных материалов, но схема осталась той же, что и братьев Монгольфье. Для пошива оболочки больше не используется лен и бумага, их заменил тонкий и прочный полиэфирный материал. Вместо костра в корзину под купол устанавливается регулируемая газовая горелка.

Воздушный шар в основе своей рабочей конструкции имеет следующие составные элементы:

• Купол, который наполняется газом для подъема на заданную высоту.
• Горелка — самая сложная деталь, посредством которой создается поток горячего воздуха в купол.
• Корзина для пассажиров, пилота и багажа.

Купол аэростата

Это главная часть воздушного шара, которая сшивается из отдельных кусков материи в колонки, которые затем прочно прикрепляются друг к другу. В качестве материала изготовления используется высокопрочный полиэстер или полиамидная ткань. С внутренней стороны она обрабатывается силиконовой пропиткой, что не позволяет проникать и уходить газу.

Основные требования к куполу, это:

• Прочность и устойчивость к внешним воздействиям и механическим повреждениям.
• Термоустойчивость, поскольку происходит постоянный контакт с нагретым газом.
• Эластичность, за счет которой возможно сохранение заданной формы.

Купол надувается за счет поступления нагретого газа: воздуха, водорода или иного, и за счет его поднимается в небо на нужную высоту. Газ подается через технологическое отверстие в нижней части купола. Для безопасности это отверстие обрабатывается специальной жароустойчивой лентой. Устройство оснащается также специальным клапаном, который используется для вывода наружу горячего газа при снижении и приземлении.

Снаружи конструкции фиксируются ленты нагрузки. К верхней части купола они крепятся с помощью кольца, а внизу присоединяются к подвесным канатам. В итоге образуется надежный каркас, который может иметь различный объем и поднимать груз разной массы.

Горелка

Это технологический элемент аэростата, обеспечивающий подогрев газовой смеси, подъем агрегата в воздух, а также поддержание заданной температуры при полете.

Работает горелка на жидком пропане, который поступает к ней из цилиндров, нагреваясь, становится газообразным и подается непосредственно в шар.

Современные горелки очень мощные, порядка 6000 МВт, производятся из нержавеющей жаропрочной стали. Они не опасны в эксплуатации, поскольку оснащены специальной защитой от ожогов.

Корзина

Предназначена для переноса путешественников и грузов. Необходимо обеспечить ее легкость, и в то же время прочность, поэтому каркас ее выполняется из лозы, а дно — из непромокаемой фанеры. С куполом корзина соединяется стальным тросом. Чтобы воздух не охлаждался, устанавливаются полиуретановые стояки, которые вместе с тросом закрываются специальными оболочками.

В углу корзины размещаются и закрепляются на ремнях цилиндры с газом. Обязательно изготавливаются отсеки для огнетушителя и необходимых в путешествии аксессуаров.

С наружной части на корзину навешивается балласт — мешки с песком. Их сбрасывают в том случае, ели необходимо увеличить высоту полета.

Классификация аэростатов

Существует два наиболее распространенных типа классификации по:

• Способу наполнения купола.
• Назначению.

По способу наполнения оболочки воздушный шар бывает:

• Тепловым.
• Газовым.
• Комбинированным.

Тепловые аэростаты по-прежнему величают монгольфьерами. Подъем их осуществляется за счет подачи горячего воздуха.

В газовых подъемная сила создается легкими газами и их смесями. По-другому их называют шарльерами по имени сконструировавшего их француза Жака Шарля. В 1783 г он впервые с успехом испытал воздушный шар, наполняемый водородом.

Комбинированные аэростаты в полете используют как горячий воздух, так и газовую смесь. Для этого они оснащены двумя оболочками. Разработал такую схему французский физик Пилатр де Розье. К сожалению, изобретатель с помощником погибли во время испытательного полета в 1785 г, но его устройства используются и получили название розьеров.

В 1999 англичанин Брайан Джонс и швейцарец Бертран Пиккар на розьере отправились в первое в истории кругосветное путешествие и благополучно вернулись из него.

По назначению аэростаты делятся на:

• Свободные или неуправляемые. Их применяют в спорте, экстремальном отдыхе, для научных целей и рекламы.

• Привязные. Те же неуправляемые, но зафиксированные на поверхности земли тросом. Это позволяет контролировать его удаленность. Могут подниматься в воздух с пассажирами и без. Привязной шар имеет обтекаемую форму и хвостовое оперение. Используется для обучения парашютистов, для обзора местности, в научных и рекламных целях.

• Стратостат. Неуправляемое устройство, которое поднимается в стратосферу, как правило, без пассажиров, с целью научных исследований. Отличается большим размером и герметичной корзиной.

• Управляемые или дирижабли. Их название происходит от французского «dirigeable» - «управляемый». Впервые дирижабль был запущен в воздух в 1852 г. Он был сделан в форме сигары, оснащен винтом и парогенератором. Дирижабли получили широкое распространение в то время. Сегодня они нашли свое применение в туризме, грузовых и гражданских перевозках. В качестве двигателя устанавливаются паровые машины, бензиновые, дизельные и электрические двигатели, а также газовые турбины.

Как летает воздушный шар

Принцип полета аэростата основан на законах физики. Воздух или газ, поступающие в оболочку, имеют температуру выше, чем в окружающей среде, а плотность ниже. Соответственно, под действием выталкивающей силы он устремляется вверх. На определенной высоте действие силы тяжести уравновешивает выталкивающую силу и аэростат «зависает» в небе.

Как управлять аэростатом

Разумеется, шар очень зависит от ветра. Однако большинство современных агрегатов поддаются управлению. Высота полета задается при помощи выпускного клапана в вершине оболочки, а для изменения направления движения используется боковой клапан.

Подготовка

Управление аэростатом — непростое занятие, оно требует обучения и тщательной подготовки. Большое значение имеют метеорологические условия, такие как видимость, облачность, направление и скорость ветра. На основе этой информации и выстраивается маршрут. На пути движения обязательно должны быть участки, пригодные для совершения посадки, поскольку во время путешествия не исключено возникновение непредвиденных обстоятельств.

Взлет

Для осуществления старта выбирают ровную территорию, удаленную от жилых объектов, деревьев, столбов и линий электропередачи.

Для подъема шара в воздух требуются усилия всего экипажа. Вначале воздушный шар собирают:

• Прикрепляют горелку к гондоле и соединяют ее с газовыми баллонами посредством шлангов.
• Проводят пробное включение горелки.
• Растягивают купол в направлении ветра и пристегивают его к гондоле карабинами.

По окончании сборки купол наполняют холодным воздухом с помощью вентилятора. Затем включают горелку. Горячий воздух отрывает шар от поверхности, и экипаж занимает свои места.

Если полет производится на привязном аэростате, его предварительно фиксируют на поверхности.

Полет

Для контроля за полетом требуются хорошие навыки. Для увеличения высоты производится подогрев воздуха путем запуска горелки, а для уменьшения – открывается выпускающий клапан. Движение в боковом направлении происходит за счет попутного ветра. Чтобы двигаться скорее, пилот может подняться повыше, где скорость ветра больше.

Спуск

Для приземления заранее подбирают площадку, большую и безопасную. Пилот выпускает воздух из купола при помощи клапана и воздушный шар потихоньку опускается на поверхность.

Примечательным является то, что если аэростаты столкнутся друг с другом в воздухе, то… ничего не произойдет. Они просто оттолкнутся и полетят дальше. Да и столкнуться им весьма сложно, ведь они путешествуют по направлению ветра — в одну и ту же сторону.

Полет может длиться от 30 минут до 1 часа. Все зависит от скорости и направления ветра в день полета. Длительность полёта ограничена размерами нашего полётного района, включающего в себя Пушкинский район Санкт-Петербурга.

Выдают ли парашюты?

Парашюты не выдают, так как полёты проходят на относительно небольших высотах и, если Вам срочно понадобится на землю, быстрее и безопаснее будет совершить посадку на воздушном шаре .

Застрахованы ли пассажиры?

Тепловые аэростаты относятся к авиации общего назначения. А в авиации в обязательном порядке страхуются пассажирские места на воздушном судне. Поэтому, ступая на борт воздушного шара , Вы уже застрахованы.

Как давно вы летаете с пассажирами?

В Санкт-Петербурге более 5 лет.

Сколько пассажиров может лететь в корзине?

2-4 пассажира, в зависимости от их веса и лётного сезона.

Как выглядит весь процесс, начиная с момента встречи?

Путешествие по небу начинается с момента встречи начинающих воздухоплавателей с экипажем.

Далее мы отвозим наших пассажиров на место старта, этот этап занимает, как правило, не более получаса. После этого Вы можете наблюдать за наполнением аэростата воздухом и подготовкой команды к взлёту, или мы можем привезти Вас непосредственно к моменту старта, если Вы так желаете. Процесс подготовки воздушного шара к взлёту также занимает около получаса. После взлёта Вы можете любоваться достопримечательностями, полёт длится, как правило, от 30 до 60 минут в зависимости от направления и скорости ветра.

С момента взлёта по земле за летящим аэростатом поедет команда сопровождения, которая встретит Вас в месте вашего приземления и после традиционной церемонии посвящения в воздухоплаватели, которая займёт около 30 минут, мы отвезём Вас обратно к месту встречи.

Сколько времени займут у нас все мероприятия?

Весь процесс от момента встречи с командой до возвращения на место встречи может занять до трех часов. При этом пилот перед стартом может переносить полёт на необходимое время, с целью дождаться более комфортных погодных условий для взлёта. Мы рекомендуем Вам выделять для полёта время с запасом, не менее 5 часов, включая дорогу.

Могут ли мои друзья и близкие посмотреть на мой полет?

Почему летают шары с гелием?

Казалось бы, очень простой вопрос, но иногда он ставит в тупик. Скорее всего, потому, что в школе нам это объясняли сухим языком цифр на скучных уроках. Но сегодня мы хотим веселые воздушные шары, и нас мучают простые вопросы о том, как долго они могут летать и какой вес они смогут поднять. Значит, нужно поближе познакомиться с некоторыми свойствами гелия.

Гелий - это газ. Им наполняется воздушный шарик. Это газ намного легче воздуха. Один кубический метр воздуха, который состоит из смеси разных газов, весит 1,293 кг, а один кубический метр гелия 0,178 кг. Получается, гелий легче воздуха 7,26 раза . Так же выходит, что один кубический метр гелия может поднять 1,115 кг , то есть чуть больше килограмма.

Выходит, что шары летают потому, что они заполняются газом гелием, который в 7,26 раза легче воздуха. Получается, шар подобно пузырьку воздуха в воде, который со дна поднимается вверх. Конечно, существует еще и такой газ как водород, его подъемная сила еще больше. Однако, использовать его нельзя, в отличии от гелия, он взрывоопасен и горюч. Вместо радости и восторга мы можем получить ожоги, пожары, травмы и летальный исход. Но вот интересно, какой вес может поднять этот шарик?

Объем стандартного шара, размером 30 сантиметров, составляет около 14 литров. Поэтому, гелий, который заполняет весь объем шара, может поднять около 15,61 грамм. Но, сам шар тоже имеет свой вес, который составляет порядка 3 грамм. Поэтому в результате на шарике мы можем поднять лишь 12,61 грамм.

Однако, мы живем не в идеальном мире и на практике подъемная сила стандартного шара не превышает 10 грамм. Причин тому много, самая главная заключается в том, что гелий очень быстро просачивается сквозь стенки шара, поэтому сразу же после надувания шарик теряет подъемную силу. На практике, после надувания обычный шар, размером 30 сантиметров, перестанет летать через 12-18 часов.

Конечно, шар можно обработать специальным составом, чтобы тот терял гелий значительно медленнее, однако и состав имеет свой вес и эффект наступает после его застывания, а за это время шарик успевает «похудеть». Но когда эффект все-таки наступит шар сможет продержаться в воздухе от 3 до 30 суток. Поскольку в нем будет сохранятся гелий в количестве, которое сможет обеспечить подъемную силу большую, чем вес самого шара.

Но вот теперь мы подходим к самому интересному вопросу, а сколько нужно шариков, чтобы поднять в воздух человека? Если ваш вес 70 килограмм, то путем несложных математических расчетов, мы можем прийти к выводу, что для этого требуется 7000 (семь тысяч) воздушных шаров.

Опять же, после надувания шаров, они начнут терять подъемную силу сразу же. На надувание 7000 шаров, команде из 4х человек потребуется весь день, а может быть и вся ночь. Поэтому реально, шариков может потребоваться гораздо больше. Значит, для поднятия человека нужна большая команда, и огромное количество шаров с запасом. Думаю, десяти тысяч шариков (!!!) вполне достаточно для того, чтобы поднять человека в воздух.

Но обычно, люди хотят поднять подарок весом 200. Теперь мы точно знаем, что 20 шаров имеют подъемную силу в 200 грамм. Однако, поднять 200 грамм они не смогу, подъемная сила скомпенсирует вес подарка и всего-то. Значит нам нужен как минимум 21 шар, чтобы подъемная сила в результате составила 10 грамм. Но, конечно, шары лучше взять с запасом, штук 25-30. Чтобы наверняка!

Получается, что шар летает поскольку он заполнен гелием, который в 7,26 раза легче чем воздух, стандартный шар имеет подъемную силу около 10 грамм и способен летать 12-18 часов без обработки, от 3 до 30 суток с обработкой.