Чтобы выяснить какой груз может поднять воздушный шар надо определить
ДАЮ 100 БАЛЛОВ
нужен краткий конспект:
С давних времён люди мечтали о возможности летать над облаками, плавать в воздушном океане, как они плавали по морю. Для воздухоплавания вначале использовали воздушные шары (рис. 161, а), которые раньше наполняли нагретым воздухом, сейчас — водородом или гелием.
Для того чтобы шар поднялся в воздух, необходимо, чтобы архимедова сила (выталкивающая) FA, действующая на шар, была больше силы тяжести Fтяж, т. е. FA > Fтяж.
По мере поднятия шара вверх архимедова сила, действующая на него, уменьшается (FA = gρV), так как плотность верхних слоёв атмосферы меньше, чем у поверхности Земли. Чтобы подняться выше, с шара сбрасывают специально взятый для этой цели груз (балласт) и этим облегчают шар. В конце концов шар достигает своей предельной высоты подъёма. Для спуска шара из его оболочки при помощи специального клапана выпускают часть газа.
Воздухоплавание: а — стратостат; б — дирижабль; в — воздушные шары
В горизонтальном направлении воздушный шар перемещается только под действием ветра, поэтому он называется аэростатом (от греч. аэр — воздух, стато — стоящий). Для исследования верхних слоёв атмосферы, стратосферы раньше применялись огромные воздушные шары — стратостаты.
До того как научились строить большие самолёты, для перевозки по воздуху пассажиров и грузов применяли управляемые аэростаты — дирижабли (значит «управляемый») (рис. 161, б). Они имеют удлинённую форму, под корпусом подвешивается гондола для пассажиров и гондола с двигателем, который приводит в движение пропеллер.
Воздушный шар не только сам поднимается вверх, но может поднять и некоторый груз: кабину, людей, приборы. Поэтому, для того чтобы узнать, какой груз может поднять воздушный шар, необходимо определить его подъёмную силу.
Пусть, например, в воздух запущен шар объёмом 40 м3, наполненный гелием. Масса гелия, заполняющая оболочку шара, будет равна mr = ρ rV = 0,1890 кг/м3 • 40 м3 = 7,2 кг, а его вес равен Рr = gmr; Рr = 9,8 H/кг • 7,2 кг = 71 Н.
Выталкивающая же сила (архимедова), действующая на этот шар в воздухе, равна весу воздуха объёмом 40 м3, т. е. FA = gρвоздV; FA = 9,8 H/кг • 1,3 кг/м3 • 40 м3 = 520 Н.
Значит, этот шар может поднять груз весом 520 Н — 71 Н = 449 Н. Это и есть его подъёмная сила.
Шар такого же объёма, но наполненный водородом, может поднять груз весом 479 Н. Значит, подъёмная сила его больше, чем шара, наполненного гелием. Но всё же чаще используют гелий, так как он не горит и поэтому безопаснее. Водород же горючий газ.
Гораздо проще осуществить подъём и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием, находящимся в нижней части шара, располагают горелку. При помощи газовой горелки можно регулировать температуру воздуха, а значит, его плотность и выталкивающую силу. Чтобы шар поднялся выше, достаточно сильнее нагреть воздух в нём, увеличив пламя горелки. При уменьшении пламени горелки температура воздуха в шаре уменьшается, и шар опускается вниз.
Можно подобрать такую температуру шара, при которой вес шара и кабины будет равен выталкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе и с него будет легко проводить наблюдения.
По мере развития науки происходили и существенные изменения в воздухоплавательной технике. Появилась возможность для создания новых оболочек для аэростатов, которые стали прочными, морозоустойчивыми и лёгкими.
Достижения в области радиотехники, электроники, автоматики позволили создать беспилотные аэростаты. Эти аэростаты используются для изучения воздушных течений, для географических и медико-биологических исследований в нижних слоях атмосферы.
7 класс
Глава 3. Давление твёрдых тел. жидкостей и газов
§ 54. Воздухоплавание
С давних времён люди мечтали о возможности летать над облаками, плавать в воздушном океане, как они плавали по морю. Для воздухоплавания вначале использовали воздушные шары (рис. 161, а), которые раньше наполняли нагретым воздухом, сейчас — водородом или гелием.
Для того чтобы шар поднялся в воздух, необходимо, чтобы архимедова сила (выталкивающая) FA, действующая на шар, была больше силы тяжести Fтяж, т. е. FA > Fтяж.
По мере поднятия шара вверх архимедова сила, действующая на него, уменьшается (FA = gρV), так как плотность верхних слоёв атмосферы меньше, чем у поверхности Земли. Чтобы подняться выше, с шара сбрасывают специально взятый для этой цели груз (балласт) и этим облегчают шар. В конце концов шар достигает своей предельной высоты подъёма. Для спуска шара из его оболочки при помощи специального клапана выпускают часть газа.
В горизонтальном направлении воздушный шар перемещается только под действием ветра, поэтому он называется аэростатом (от греч. аэр — воздух, стато — стоящий). Для исследования верхних слоёв атмосферы, стратосферы раньше применялись огромные воздушные шары — стратостаты.
До того как научились строить большие самолёты, для перевозки по воздуху пассажиров и грузов применяли управляемые аэростаты — дирижабли (значит «управляемый») (рис. 161, б). Они имеют удлинённую форму, под корпусом подвешивается гондола для пассажиров и гондола с двигателем, который приводит в движение пропеллер.
Воздушный шар не только сам поднимается вверх, но может поднять и некоторый груз: кабину, людей, приборы. Поэтому, для того чтобы узнать, какой груз может поднять воздушный шар, необходимо определить его подъёмную силу.
Пусть, например, в воздух запущен шар объёмом 40 м 3 , наполненный гелием. Масса гелия, заполняющая оболочку шара, будет равна mг = ρгV = 0,1890 кг/м 3 • 40 м 3 = 7,2 кг, а его вес равен Pг = gmг;
Pг = 9,8 Н/кг • 7,2 кг = 71 Н.
Выталкивающая же сила (архимедова), действующая на этот шар в воздухе, равна весу воздуха объёмом 40 м 3 , т. е. FA = gρвоздV;
FA = 9,8 Н/кг • 1,3 кг/м 3 • 40 м 3 = 520 Н.
Значит, этот шар может поднять груз весом 520 H — 71 H = 449 Н. Это и есть его подъёмная сила.
Шар такого же объёма, но наполненный водородом, может поднять груз весом 479 Н. Значит, подъёмная сила его больше, чем шара, наполненного гелием. Ho всё же чаще используют гелий, так как он не горит и поэтому безопаснее. Водород же горючий газ.
Гораздо проще осуществить подъём и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием, находящимся в нижней части шара, располагают горелку. При помощи газовой горелки можно регулировать температуру воздуха, а значит, его плотность и выталкивающую силу. Чтобы шар поднялся выше, достаточно сильнее нагреть воздух в нём, увеличив пламя горелки. При уменьшении пламени горелки температура воздуха в шаре уменьшается, и шар опускается вниз.
Можно подобрать такую температуру шара, при которой вес шара и кабины будет равен выталкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе и с него будет легко проводить наблюдения.
По мере развития науки происходили и существенные изменения в воздухоплавательной технике. Появилась возможность для создания новых оболочек для аэростатов, которые стали прочными, морозоустойчивыми и лёгкими.
Достижения в области радиотехники, электроники, автоматики позволили создать беспилотные аэростаты. Эти аэростаты используются для изучения воздушных течений, для географических и медико-биологических исследований в нижних слоях атмосферы.
Вопросы:
1. Почему воздушные шары наполняют водородом или гелием?
2. Как рассчитать подъёмную силу шара, наполненного гелием?
3. Почему уменьшается выталкивающая сила, действующая на шар, по мере его подъёма?
4. Как регулируют высоту подъёма воздушного шара, наполненного горячим воздухом?
Упражнения:
Упражнение № 2
1. На весах уравновешена бутылка, внутри которой находится сжатый воздух. Через пробку бутылки пропущена стеклянная трубка с краном, к наружному концу которой привязана оболочка резинового шара (рис. 162, а). Если часть воздуха из бутылки перейдёт в оболочку и раздует её (рис. 162, б), то равновесие весов нарушится. Объясните наблюдаемое явление.
2. На весах уравновесили лёгкий стеклянный шарик. Затем весы поместили под колокол воздушного насоса и откачали воздух. Равновесие весов нарушилось (рис. 163). Почему?
3. Один шарик надут воздухом, другой — водородом, третий — углекислым газом. Какие шарики не взлетят? Объясните почему.
Плавание тел | Конспект
Равновесие в жидкости изучает раздел гидростатика. Тело плавает в жидкости при условии Fтяж. = FА.
а) Если сила тяжести (Fтяж.) больше архимедовой силы (FA), то тело будет опускаться на дно, тонуть, то есть если Fтяж. > FА, то тело тонет.
б) Если сила тяжести Fтяж. = FА, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, то есть если Fтяж. = FА, то тело плавает.
в) Если сила тяжести (Fтяж.) меньше архимедовой силы (FA), то тело будет подниматься из жидкости, всплывать, то есть если Fтяж. < FА, то тело всплывает.
1.2. Если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе.
Если плотность сплошного твёрдого тела больше плотности жидкости, то тело в такой жидкости тонет. Тело с меньшей плотностью всплывает в этой жидкости.
1.3. Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.
При равных плотностях тела и жидкости тело плавает внутри жидкости на любой глубине.
2. Плавание судов
Линия, до которой погружаются суда, называется ватерлинией.
Вес вытесняемой судном воды при погружении до ватерлинии называется его водоизмещением.
Вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.
Осадка – глубина, на которую погружается судно.
В России судостроение зародилось на рубеже XVII – XVIII веков.
3. Воздухоплавание (аэронавтика)
Для воздухоплавания вначале использовали воздушные шары, которые раньше наполняли нагретым воздухом, сейчас – водородом или гелием. Для того, чтобы шар поднялся в воздух, необходимо, чтобы FA > Fтяж.
По мере поднятия шара вверх сила FA, действующая на него, уменьшается (FA = g \(\rho\) V), так как плотность верхних слоёв атмосферы меньше, чем у поверхности Земли.
Чтобы подняться выше, с шара сбрасывают специально взятый для этой цели груз (балласт), и этим облегчают шар. Для спуска шара из его оболочки при помощи специального клапана выпускают часть газа.
В горизонтальном направлении воздушный шар перемещается только под действием ветра, поэтому он называется аэростатом.
Для исследования верхних слоёв атмосферы – стратосферы – ещё не так давно применялись огромные воздушные шары – стратостаты.
Воздушный шар не только сам поднимается вверх, но может поднять и некоторый груз: кабину, приборы. Поэтому, для того чтобы узнать, какой груз может поднять воздушный шар, необходимо определить его подъёмную силу.
Допустим, например, в воздух запущен шар объёмом 40 м 3 , наполненный гелием. Масса гелия, заполняющая оболочку шара, будет равна: mг = \(\rho_<г>\) V = 0,1890 \(\frac<кг><м^<3>>\) • 40 м 3 = 7,2 кг, а его вес равен Pг = gmг ; Pг = 9,8 \(\frac<Н><кг>\) • 7,2 кг = 71 Н.
Выталкивающая же сила (архимедова), действующая на этот шар в воздухе, равна весу воздуха объёмом 40 м 3 , то есть FA = g \(\rho\) воздV; FА = 9,8 \(\frac<Н><кг>\) • 1,3 \(\frac<кг><м^<3>>\) • 40 м 3 = 520 Н.
Значит, этот шар может поднять груз весом 520 Н – 71 Н = 449 Н. Это и есть его подъёмная сила.
Воздухоплавание
На все тела в воздухе (как и в жидкости) действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы убедиться в этом, проделаем следующий опыт. Уравновесим на весах сосуд, наполненный сжатым воздухом и закрытый пробкой, через которую пропущена стеклянная трубка, соединенная с пустой оболочкой резинового шарика (рис. 138, а ). Если открыть кран на трубке, то сжатый воздух наполнит шарик и он увеличится в объеме. Как только это произойдет, мы увидим, что равновесие весов нарушится (рис. 138, б ). Произойдет это потому, что на шарик начнет действовать дополнительная выталкивающая сила и его вес уменьшится. 
Чтобы найти архимедову (выталкивающую) силу, действующую на тело в воздухе, надо плотность воздуха ρвозд умножить на ускорение свободного падения g = 9,8 Н/кг и на объем V тела, находящегося в воздухе:
Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.
Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами. Различают управляемые, неуправляемые и привязные аэростаты. Неуправляемые аэростаты свободного полета с оболочкой, имеющей форму шара, называют воздушными шарами. Управляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями. Привязные аэростаты соединяют с землей тросом, не позволяющим аппарату совершать горизонтальные перелеты.
Чтобы аэростат поднимался вверх, его нужно наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть, например, водород, гелий или нагретый воздух.
Первая попытка подъема в воздух на большом шаре, наполненном дымом, была предпринята в 1731 г. русским подьячим Крякутным в Казани. За этот полет церковники изгнали Крякутного из родного города, и о его шаре вскоре забыли.
Во Франции первый воздушный шар (монгольфьер), который с успехом стали применять в целях воздухоплавания, был построен лишь 52 года спустя братьями Ж. и Э. Монгольфье. Для наполнения шара они использовали горячий воздух. Убедившись, что шар может летать, братья Монгольфье посадили в корзину воздушного шара овцу, петуха и утку. Эти животные и стали первыми воздухоплавателями. Осенью 1783 г. на этом же шаре отправились в свой первый (25-минутный) полет люди — Пилат де Розье и д’Арланд.
Для того чтобы определить, какой груз способен поднять воздушный шар, следует знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести:
Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила.
При нагревании воздуха от 0 °С до 100 °С его плотность уменьшается всего лишь в 1,37 раза. Поэтому подъемная сила шаров, наполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Заметив это, французский ученый Ж. Шарль предложил наполнять воздушный шар водородом — газом, плотность которого в 14 раз меньше плотности воздуха. Благодаря такой плотности подъемная сила водорода более чем втрое превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема.
Первый полет на воздушном шаре, наполненном водородом (рис. 139), состоялся в первый день зимы 1783 г. Диаметр шара составлял 8,5 м. Проведя в полете 2,5 ч, воздухоплаватели провели замеры давления и температуры воздуха на высоте 3400 м. Подобные измерения впоследствии стали играть важную роль в метеорологии. 
В России первые полеты на воздушном шаре были осуществлены в 1803 г. (сначала в Петербурге, затем в Москве).
Вначале полеты на воздушных шарах имели, как правило, развлекательный характер. Но затем аэростаты все больше и больше стали применять с научными (изучение атмосферы, метеорологические исследования) и военными (разведка, бомбардировка) целями, а также в качестве транспортного средства. В 1929 г. немецкий дирижабль «Граф Цепеллин» совершил с тремя промежуточными посадками кругосветный перелет протяженностью 35 тыс. км за 21 день. Средняя скорость полета при этом составила 177 км/ч.
В годы Великой Отечественной войны аэростаты («аэростаты заграждения») сыграли большую роль в противовоздушной обороне Москвы и Ленинграда.
Наполняя аэростат водородом, следует помнить, что этот газ обладает одним большим недостатком — он горит и вместе с воздухом образует взрывчатую смесь. Поэтому при полетах на воздушных шарах, наполненных водородом, следует соблюдать особую осторожность, иначе такой полет может закончиться трагедией. Одна из таких трагедий произошла в 1937 г., когда во время приземления взорвался немецкий дирижабль «Гинденбург», унеся с собой 36 человеческих жизней.
Негорючим и в то же время легким газом является гелий. Поэтому многие аэростаты в наше время наполняют гелием.
Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты. Поэтому по мере поднятия аэростата вверх действующая на него архимедова сила становится меньше. После того как архимедова сила достигает значения, равного силе тяжести, подъем аэростата прекращается. Чтобы подняться выше, с шара сбрасывают специально взятый для этого балласт (например, высыпают песок из мешков). При этом сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила вновь оказывается преобладающей.
Для того чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу, наоборот, следует уменьшить. Это достигается путем уменьшения объема шара. В верхней части шара имеется специальный клапан. При открывании этого клапана часть газа из шара выходит, и шар начинает опускаться вниз.
Воздушные шары, предназначенные для полетов в стратосферу (т. е. на высоту более 11 000 м), называют стратостатами. Подъемная сила стратостатов должна быть достаточно велика. Поэтому их наполняют водородом, у которого она максимальна.
Теплый воздух также не утратил своего значения. Он удобен тем, что его температуру (а вместе с ней его плотность и, следовательно, подъемную силу) можно регулировать с помощью газовой горелки, расположенной под отверстием, находящимся в нижней части шара. Увеличивая пламя горелки, можно заставить шар подниматься выше. При уменьшении пламени горелки шар опускается вниз. Можно подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар вместе с кабиной, оказывается равной выталкивающей силе. Тогда шар повисает в воздухе, и с него легко проводить наблюдения.
В наше время ученые и конструкторы планируют использование аэростатов не только на Земле, но и на других планетах. Так, например, в 1985 г. советские автоматические межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2» доставили аэростаты на Венеру. Перемещаясь в ее атмосфере, эти аппараты передали на Землю ценную информацию о физических условиях на этой планете.
1. Что такое аэростаты? 2. Чем отличаются воздушные шары от дирижаблей? 3. Почему воздушные шары иначе называют монгольфьерами? 4. Какими газами наполняют аэростаты? Почему именно ими? 5. Какие летательные аппараты называют стратостатами? 6. Как определяется подъемная сила воздушного шара? 7. Как регулируют высоту подъема воздушного шара, наполненного теплым воздухом? 8. Шарик, наполненный гелием, был случайно отпущен ребенком. До каких пор этот шарик будет подниматься вверх?