Воздухоплавание

Пример заполнения шаров различными газами

Рассмотрим движение тел, погруженных в газ. Так как сила Архимеда действует на тела, не только погруженные в жидкость, но и в газ, то, используя её действие, можно сконструировать, по аналогии с водными судами, и летательные аппараты, например воздушные шары.

Для воздухоплавания необходимо, чтобы выталкивающая «архимедова сила» была больше силы тяжести. Попробуем отпустить два воздушных шарика: один из них опустился на землю, а второй устремился в небо. Почему? Воздушные шары делают из прочной оболочки, а внутренность наполняют газом. Для того чтобы шар поднимался в небо, плотность этого газа должна быть меньше плотности воздуха. Это может быть гелий, водород или тёплый нагретый воздух.

Объяснение подъемной силы шара

То есть можно подобрать сочетание выталкивающей силы и силы тяжести, чтобы шар как бы завис в воздухе. Воздушный шар может поднимать в небо различные грузы: кабину, людей, разные приборы, таким образом, шар может поднять в воздух вес груза, называемый подъемной силой шара. Для того чтобы рассчитать подъёмную силу шара, нам необходимо вспомнить некоторые понятия.

Формулы расчета подъемной силы

Итак, вес газа мы можем рассчитать по формуле: P_г = m_г ∙ g, масса газа, умноженная на свободное падение.

Необходимо также помнить, что масса газа рассчитывается следующим образом: m_г = ϱ ∙ V, плотность газа, умноженная на объём оболочки шара.

Получается, что для расчета веса газа мы должны умножить плотность газа на ускорение свободного падения и на объём: P_г = ϱ_г ∙ g ∙V.

Также необходимо вспомнить, что сила Архимеда рассчитывается по формуле: F_а = ϱ_в ∙ g ∙ V, плотность воздуха, в который погружён шар, на ускорение свободного падения и на объём шара.

Вес шара будет складываться из веса газа, заполняющего оболочку, и веса самой оболочки: P_ш= P_г+ P_о.

Итак, для того чтобы рассчитать подъемную силу шара, нам необходимо из величины силы Архимеда вычесть вес шара F_под = F_а- P_ш.

Решение задачи

Рассмотрим решение задачи:

Радиозонд объёмом 10 кубических метров заполнен газом, плотность которого составляет 0,09 кг на метр кубический. Необходимо найти вес аппаратуры, который может поднять этот радиозонд, если известно, что вес оболочки радиозонда составляет 6 ньютонов. Запишем краткое условие задачи:

V = 10 м³

ϱ_г = 0,09 кг/ м³–плотность газа, которым заполнена оболочка 0,09 кг на метр кубический

ϱ_в = 1,29 кг/ м³– табличные данные плотности воздуха – 1,29 кг на метр кубический

P₀ = 6 H – вес оболочки 6 Н

----------------------

F_под= ? – найти вес аппаратуры, численно он будет равен подъёмной силе радиозонда.

Итак:

Для расчета подъёмной силы нам необходимо из силы Архимеда вычесть вес шара, F_под = F_а- P_{ш ,} который будет состоять из веса газа, заполнившего оболочку, плюс вес самой оболочки P_ш= P_г+ P_о .

А для расчета силы Архимеда понадобится: F_а = ϱ_в ∙ g ∙ V.

Необходимо помнить, что вес газа рассчитывается по формуле: P_г = ϱ_г ∙ g ∙ V.

Получим конечную формулу, подставив все выражения в исходную:

,

подставим числовые данные:

Ответ: F_под = 114 Н

Подъёмная сила радиозонда составит 114 Н, это и есть вес аппаратуры, который может поднять этот радиозонд.

Развитие воздухоплавания

В заключение хочется отметить, что люди мечтали подняться под облака с древних времен. Международным сообществом признано, что первым это удалось французским изобретателям – братьям Монгольфье в 1783 году. Они сделали огромный шар из бумаги, наполнили его горячим воздухом, и эксперимент состоялся. Именно этот опыт положил начало развития воздухоплавания.

Впоследствии появились и другие воздушные аппараты: аэростаты, дирижабли, и по сей день в небо поднимаются шары и зонды, которые исследуют верхние слои атмосферы. Воздухоплавание на сегодняшний день не только развлечение и не только спорт, но и инструмент научных исследований.

 

Список литературы

1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

 

Домашнее задание

1. Тело, находящееся внутри воды, выталкивается с силой 2 Н. С какой силой это тело будет выталкиваться керосином, плотность которого – 0,8 г/см³?
2. В сосуд прямоугольной формы с площадью дна 20 х 30 см налит керосин до высоты 50 см. Определите массу и давление керосина на дно.
3. Дать определение «архимедовой силе».

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Files.school-collection.edu.ru  (Источник).
2. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).