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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Для осуществления старта выбирают ровную территорию, удаленную от жилых объектов, деревьев, столбов и линий электропередачи.
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.
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.
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.
У каждого взрослого в глубине души лежит воспоминание о ярком воздушном шарике, рвущемся в небо. Наверное, поэтому и сейчас подаренный шар дарит хорошее настроение и улыбку.
Воздушный шарик является непременным атрибутом дней рождений, свадеб и любых других торжеств. А уж детский праздник представить без него абсолютно невозможно. В чем же заключается его волшебство? Может быть, в стремлении ввысь, в легкости, с которой он поднимается к небу?
Современные шарики, умеющие летать, наполняют газом. Его плотность значительно меньше плотности воздуха, что позволяет ему взлетать все выше и выше. Газ, имеющий меньшую плотность, заполняет внутреннее пространство шарика и на него действует выталкивающая сила воздуха.
Самые обычные шарики можно надуть ртом. Но такие шары не могут лететь вверх, так как плотность углекислого газа, выдыхаемого человеком, ниже плотности воздуха. Для полета им требуется ветер. А вот легкий газ позволяет шарику самостоятельно устремляться вверх.
История появления воздушных шаров насчитывает не одну сотню лет. Существуют упоминания о мешках из выделанной карельскими умельцами кожи быков, наполненных теплым газом, с помощью которых они перемещались на небольшие расстояния. Датируются эти свидетельства XII веком, однако точных подтверждений их истинности ученые не обнаружили.
А вот документально подтвержденная хроника рождения воздушных шаров:
Сейчас шарики выпускаются не только из латекса, но и из фольги — различной формы и размеров. Для надувания используется гелий или смесь гелия и воздуха, гарантирующая полную безопасность и придающая шарикам возможность улетать далеко в небо.
Заречина Кристина
Цель исследования: выяснить, почему улетает воздушный шарик, если он не завязан и от каких факторов зависит дальность его полета.
Предмет исследования: воздушные шарики разного размера и толщины резины.
Загадка воздушного шарика
Я очень люблю свой день рождения. Каждый год мы всей семьей украшаем наш дом к празднику. И, конечно же, важным элементом украшения являются воздушные шары. Ведь они такие красивые! Разноцветные, с красивыми рисунками и надписями. Обычно с братом мы соревнуемся в том, кто быстрее надует шарик ртом. Мы очень торопимся, каждый хочет победить, и вдруг, уже почти надутый шарик, вырывается из рук и стремительно улетает, мечась по комнате, пока совсем не сдуется. Мне всегда было интересно, почему он улетает? Ведь у него нет двигателя, нет крыльев... И от чего зависит дальность его полета?
Цель исследования: выяснить, почему улетает воздушный шарик, если он не завязан и от каких факторов зависит дальность его полета.
Предмет исследования: воздушные шарики разного размера и толщины резины.
Задачи исследования:
Гипотезы исследования:
Методы исследования:
Немного истории...
Глядя на современные воздушные шары, многие люди думают, что эта яркая, приятная игрушка стала доступной только недавно. Некоторые, более осведомленные, считают, что воздушные шары появились где-то в середине прошлого века.
А на самом деле - нет! История шаров, наполненных воздухом, началась гораздо раньше. В прежние времена, разрисованные шары, изготовленные из кишок животных, украшали площади, где проводились жертвоприношения и гулянья знатных людей Римской Империи. После воздушные шары стали применять бродячие артисты, создавая оформление шарами для притягивания новых зрителей. Тема воздушных шаров затрагивается также в русских летописях – скоморохи, выступая для князя Владимира, употребляли шарики, изготовленные из бычьих пузырей.
Первые шары современного типа создал известный английский исследователь электричества, профессор Королевского университета Майкл Фарадей. Но создавал он их не для того, чтобы раздать детям или торговать на ярмарке. Просто он экспериментировал с водородом.
Интересен способ, которым создавал Фарадей свои воздушные шары. Он вырезал два куска каучука, накладывал их друг на друга, склеивал контуру, а посредине насыпал муку, чтобы стороны не липли друг к другу.
Идея Фарадея была подхвачена пионером резиновых игрушек Томасом Ханкоком. Он создавал свои шары в форме набора «сделай сам» состоящего из бутылки с жидкой резиной и шприца. В 1847 году в Лондоне вулканизированные шары были представлены Дж. Г. Инграмом. Уже тогда он использовал их как игрушки, которые нужно продавать детям. Собственно говоря, именно они их и можно назвать прототипом современных шаров.
Лет через 80 после этого научный мешочек для водорода превратился в популярную забаву: каучуковые шары широко использовалась в Европе во время городских праздников. За счет наполнявшего их газа они могли подниматься вверх – и это очень нравилось публике, еще не избалованной ни воздушными полетами, ни другими чудесами техники.
В 1931 году Нейлом Тайлотсоном был выпущен первый современный, латексный воздушный шарик. И с тех пор воздушные шарики наконец-то смогли измениться! До этого они могли быть только круглыми – а с приходом латекса впервые появилась возможность создавать длинные, узкие шарики.
Это новшество немедленно нашло применение: дизайнеры, оформляющие праздники, стали создавать из шаров композиции в виде собак, жирафов, самолетов, шляп. Их стали применять клоуны, изобретая необыкновенные фигуры.
Исследовательская работа .
Для начала я решила узнать мнение моих одноклассников и учеников других первых классов. Как они думают, что заставляет улетать воздушный шарик, который не завязан? С этой целью я провела анкетирование. Я предложила им три варианта ответа:
1) Шарику лететь помогает ветер.
2) Газ в шарике легче воздуха, поэтому шарик и летит.
3) Лететь шарику помогает выходящий из него воздух.
Гипотеза 1. Допустим, ему помогает ветер.
Надуем два шарика. Один из них завяжем ниткой. Выйдем на улицу в ветреную погоду. Отпустим шарики. Они летят. Завязанный шарик летит от порывов ветра. А тот, который не завязан, летит быстрее. А потом оба падают на землю. В квартире, где нет ветра, завязанный шарик медленно падает на пол. А незавязанный - летит, хотя и медленнее, чем на улице. А потом падает.
Все-таки ветер помогает полету шарика. Но он летит и без ветра. Значит, моя гипотеза подтвердилась частично.
Гипотеза 2. Предположим, что газ в шарике легче воздуха, поэтому он летит.
Я знаю, чем теплее воздух, тем он легче, поэтому поднимается вверх воздушный шар. Может. углекислый газ тоже легче воздуха?
Проведем следующий опыт. Возьмем два одинаковых шарика. Один надуем сами углекислым газом, а другой с помощью насоса воздухом. Свяжем их ниткой и перекинем через палочку. Мы видим, что шарик, надутый углекислым газом опустился ниже. Значит, он тяжелее. В справочнике я нашла подтверждение моему выводу. Оказалось, что углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха.
Эта гипотеза оказалась ложной.
Гипотеза 3. Возможно, шарик толкает воздух выходящий из него.
Когда мы надуваем шарик, то резиновая оболочка растягивается и заполняется воздухом. Когда входное отверстие освобождаем, воздух с силой вырывается наружу. Шарик при этом уменьшается. Воздух из шарика летит в одну сторону, а оболочка шарика в другую. Они отталкиваются друг от друга. Путь шарика непредсказуем. Когда весь воздух выходит из шарика, он останавливается.
Я спросила об этом у учителя физики Сергея Вячеславовича. Он сказал, что шарик улетает под действием реактивной силы. Реактивное движение возникает, когда от тела отделяется с некоторой скоростью его часть.
Значит, шарик толкает воздух, который выходит из него. Мой шарик -реактивный.
Проведем еще несколько опытов, показывающих реактивное движение шарика.
Интересно, от каких факторов зависит дальность полета шарика?
Возьмем шарики разные по размеру и толщине резины и проведем эксперимент.
Возьмем леску и натянем ее по комнате. На леску наденем часть соломинки. Будем надувать шарики насосом одинаковым количеством воздуха (10 качков). Шарики прикрепим к соломинке скотчем и отпустим. Шарик пролетит по леске какое-то расстояние и остановится. Измерим пройденный путь.
Для наглядности заполним таблицу результатов.
Вывод : Чем толще резина и больше размер шарика, тем дальше он летит.
Реактивное движение можно наблюдать в живой природе.
Реактивное движение используется многими моллюсками.
Осьминоги, кальмары и каракатицы имеют специальный мешочек. В него они набирают воду и выпускают ее сильной струей наружу. Струя эта отталкивает животное назад. Кальмар может развивать скорость до 60–70км/ч.
Морской моллюск-гребешок, резко сжимает створки раковины, рывками двигается вперед за счет реактивной струи воды, выброшенной из раковины. Скачок крупного гребешка может достигать полуметра или даже больше в длину.
Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие и выталкивает через заднее отверстие наружу. Так она движется вперед.
Медуза выталкивает из-под своего колоколообразного тела воду, получая толчок в обратном направлении.
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Созревшие плоды “бешеного” огурца при лёгком прикосновении отскакивают от плодоножки, и из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет "бешеный" огурец более, чем на 12 метров.
Одно из главнейших изобретений человечества в XX веке - это изобретение реактивного двигателя, который позволил человеку подняться в космос. Так появились ракеты, а затем реактивные самолеты. Позже и нженеры создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его назвали водометом. Такой двигатель стоит на некоторых быстроходных катерах.
Весело и полезно!
Изучая данную тему, я обнаружила информацию о том, что надувать воздушные шарики не только весело, но и полезно! Оказывается, они "дарят" здоровье нашим легким. Надувание шаров положительно влияет на наше горло (даже служит средством профилактики ангины), а также помогает укрепить наш голос. Этой помощью часто пользуются певцы, так как такая тренировка помогает им правильно дышать во время пения.
Заключение
Итак, подведем итоги... В ходе изучения данной темы, я выяснила, что, во-первых, ветер все-таки помогает лететь воздушному шарику, но, когда он не завязан, он летает и в зарытом помещении без ветра. Моя вторая гипотеза не подтвердилась, углекислый газ, который мы выдыхаем не легче, а тяжелее воздуха, поэтому не может помогать шарику улетать. Полностью подтвердилась моя третья гипотеза, что шарику лететь помогает выходящий из него воздух. Я выяснила, что в этом случае воздушный шарик двигается под действием реактивной силы. Также я провела опыты и выявила, что на дальность полета воздушного шарика влияет его размер и толщина резины, из которой он сделан.
Благодаря изучению этой темы, я узнала много нового и интересного. Я познакомилась с историей создания современного воздушного шарика и его предшественников. Я узнала, что газ, который мы выдыхаем, называется углекислым, и что он в полтора раза тяжелее, чем воздух, которым мы дышим. Я научилась сама проделывать различные интересные опыты, наблюдать, сравнивать полученные результаты и делать выводы. Меня ознакомили с реактивным движением, хотя физику я буду изучать еще не скоро. Я узнала, что в природе есть животные и растения, которые используют реактивное движение. Оказалось также, что надувать воздушные шарики не только весело, но и полезно для здоровья.
Я считаю, что данную работу можно использовать на уроках, чтобы демонстрировать в простой и красочной форме действие реактивной силы, наглядно показать, что углекислый газ тяжелее воздуха. Ведь, когда мы сами проводим различные опыты или наблюдаем за их проведением, нам легче понять принцип действия чего-либо, тем более, если эти опыты такие яркие и веселые!
Любители полетов на воздушных шарах есть по всему миру, и они могут предложить путешествие на монгольфьере, как за деньги, так и за волонтерскую помощь их наземной команде. Если вы уже вкусили прелести таких полетов и теперь желаете самостоятельно дергать за стропы и разжигать горелку, путешествуя соло, то прежде вам необходимо пройти курс обучения и сертификации. Знакомство с принципами работы воздушного шара даст вам преимущество и поможет определиться – подходит ли вам это хобби.
Часть 1
Базовые основыРазбираемся – почему шар летает. Принцип действия воздушных шаров очень прост. Поскольку вы нагреваете воздух или любой другой газ, он становится менее плотным. Точно также, как пузырь воздуха, поднимающийся в аквариуме, горячий воздух будет подниматься над более плотным, холодным воздухом, который его окружает. Стоит подогреть воздух в шаре до нужной температуры, и он сам сможет поднять вверх и купол, и корзину вместе со всем ее содержимым.
Изучаем конструкцию шара. Его устройство настолько простое, что вы уже можете в нем запросто ориентироваться, то изучение необходимой терминологии поможет вам и вашей команде общаться друг с другом:
Одеваем защитную одежду. Пилот должен носить защитные очки, так как он будет находиться возле пламени. Также, пилот и команда должны быть одеты в прочные перчатки, одежду с длинными рукавами и длинные штаны, изготовленные из ткани, не содержащей нейлон, полиэстер и другие, легко воспламеняемые материалы.
Для того чтобы подняться выше, нужно выпустить больше пропана. Чтобы увеличить подачу пропана в огонь, нужно побольше открыть взрывной клапан на шланге, прикрепленном к газовому баллону, который обычно располагается прямо под горелкой. Чем больше вы откроете клапан, тем большее количество горячего воздуха устремится в шар и тем быстрее он поднимется. .
Изучаем, как оставаться на стабильной высоте. Как и любой объект, более теплый, чем окружающая его среда, воздушный шар остывает в течение длительного времени, что заставляет его постепенно снижаться. Чтобы оставаться на одной высоте, вы должны использовать один из приемов:
Чтобы опустить, откройте парашютный клапан. Помните, что парашютный клапан – это откидная створка на верхушке конверта. В обычном состоянии она герметично закрыта и, чтобы приоткрыть ее, нужно потянуть за стропу красного цвета, которая называется стропой разрыва. Это позволяет горячему воздуху выйти через верх. Пока шар не опустится до нужной отметки, держите стропу натянутой. Затем, отпустите ее, и откидная створка снова закроется.
Контролируем направление снижения или подъема. Напрямую влиять на направление движения воздушных шаров невозможно. Существуют несколько воздушных потоков, которые наслаиваются один на другой. Поднимайте или опускайте шар, улавливая разные перекрестные потоки воздуха, и он будет менять направление движения. Пилоты часто вынуждены изменять маршрут своего движения, подстраиваясь под нужные воздушные потоки.
Проверьте силу ветра. Знание того, когда полет следует отменить, очень важный фактор подготовки пилотов. Полет при сильном ветре чрезвычайно опасен, и осуществлять его запрещено. Новички должны придерживаться простого правила: летать либо в первые часы после восхода солнца, либо за несколько часов до заката, когда направление ветра более предсказуемо и его скорость невелика.
Проверьте наличие предметов жизнеобеспечения. В корзине должны быть как минимум: огнетушитель, аптечка, топографическая карта, авиационная карта, альтиметр (прибор для измерения высоты) и бортовой журнал, в котором пилот фиксирует все детали полета. Проверьте датчик пропана в баллонах. Вы должны быть уверены, что в них достаточно топлива для полета – обычно расход составляет около 30 галлонов (114 литров) в час. Для длительных полетов вам также понадобится радиостанция и возможно электронное навигационное оборудование.
Для взлета наполните шар. Чтобы оторваться от земли, почти всем воздушным шарам требуется помощь нескольких человек. Во-первых, горелку нужно закрепить на раме корзины и установить сбоку от конверта, который лежит на земле. Рот конверта поднять и расправить, и в в течение десяти минут с помощью мощного насоса закачивать воздух, который затем нагревается горелкой. Обычно, пока шар готовится к полету, корзина на земле удерживается людьми или привязывается к автомобилю. Когда пассажиры и пилот уселись в корзину, пилот выпускает из горелки мощную струю пламени и шар отрывается от земли.
Во время старта нужно быть предельно внимательным. Пилот должен быть очень сосредоточен и следить за тем, как надувается конверт, а наземная команда контролирует все стропы. Постоянно осматривайтесь по сторонам во всех направлениях, чтобы вовремя заметить деревья или другие объекты, на которые может наткнуться шар во время взлета. Как только почувствуете первый порыв ветра во время подъема, сразу же зафиксируйте свой взгляд на препятствии, которое расположено по курсу взлета и не отрывайтесь от него, пока шар не преодолеет препятствие. Это помогает быстро фиксировать отклонение от курса и немедленно на него реагировать, ускоряя взлет.
Изучите все погодные явления в районе полета. Для получения летного сертификата будущие пилоты воздушных шаров должны пройти тест по метеорологии, чтобы понимать, как взаимодействуют и влияют друг на друга температура, высота и влажность, а также, что могут рассказать вам о состоянии воздуха различные виды облаков. Конечно, перечислить все в этой инструкции не выйдет, но пару примеров можно привести:
Проверяйте направление и скорость ветра, научитесь читать метеорологическую карту, используя эти данные для составления общей картины скорости и направления движения воздушных потоков. Чтобы узнать локальные условия, плюньте или брызните немного крема для бритья на край корзины.
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.
