Воздухоплавание в физике

Ровно то же самое делали ученые прошлых столетий при изобретении огромных воздушных шаров, которые сегодня используются в основном как развлечение. Тогда же воздушные шары были огромным рывком в попытке человека исследовать слои атмосферы. Как же так происходит? Почему воздушный шар поднимается в небо, вместо того, чтобы падать на землю, как все «нормальные» физические тела. Все дело в Архимедовой силе – той силе, при помощи которой любая среда выталкивает тела наверх.

Воздухоплавание и... водоплавание?

Легенда гласит, что древнегреческий ученый Архимед во время принятия ванны заметил, что если наполнить ванну до краев и лечь в неё, то часть воды выльется. Гениальная догадка Архимеда была в том, что объем вымещенной воды равен объему его тела. И всё, чем тело Архимеда отличалось от воды – это лишь плотность. И Архимед не всплывал на поверхность ванны, только потому, что плотность его тела была больше плотности воды. Если же взять вещества, чья плотность меньше плотности воды, то они благополучно всплывут на поверхность – все мы видели, как трудно утопить деревянный брусок или кусок пенопласта. Это и обуславливает плавание тел.

Ровно по такому же принципу осуществляется воздухоплавание. Вот у нас есть воздушный шар, наполненный самым обычным воздухом. Массу такого шара удобно разбить на массу самого шара (корзина, балласт и проч.) и массу того воздуха, которым шар наполнен. В роли жидкой среды у нас выступает воздух (словосочетание «жидкая среда» не должно ассоциироваться только с жидкостями - газы также являются жидкими средам).

Воздухоплавание: принцип действия

Архимедова сила, действующая на воздух в шаре:

F1=g*ρ1*V1

где V1 – объем воздуха в шаре,
а ρ1 – плотность воздуха.

А сила тяжести, действующая на воздух в шаре:

F2=g*ρ2*V1

где ρ2 – плотность воздуха внутри шара.

Так как на данном этапе воздух в шаре абсолютно такой же, как и воздух вне шара, то ρ1=ρ2, а значит F1=F2, то есть Архимедова сила, действующая на воздух в шаре снизу верх, равна силе тяжести воздуха шаре, направленной сверху вниз, к земле. Силы эти равны и направлены друг против друга, а значит эффект от этого нулевой. А ведь еще есть корзина, балласт, человек и все остальное, что требуется поднять в небо. Как же быть?

Давайте рассуждать: нам нужно сделать так, что Архимедова сила, действующая на воздух в шаре стала больше силы тяжести, тогда сила, толкающая верх станет больше силы, тянущей вниз, и шар взлетит. Мы понимаем, что объем самого шара – постоянен, а значит объем V1 нам изменить не удастся (да и незачем). А вот изменить плотность воздуха внутри шара мы можем! Там нужно, чтобы F1 было больше, чем F2, то есть, чтобы ρбыло больше, чем ρ1. Как же уменьшить плотность воздуха в воздушном шаре? Его надо нагреть!

Если мы установим под шаром горелку и будем нагревать воздух внутри шара. При увеличении температуры воздуха, плотность его будет уменьшаться. Плотность воздуха внутри шара станет меньше плотности воздуха вне шара, Архимедова сила станет больше силы притяжения Земли, как следствие, шар начнет подниматься вверх. Но нам следует учесть, что поднять надо не только сам шар, но и кабину с грузом на борту. Значит объем шара должен быть достаточно большим, чтобы разницы сил (Архимедова сила минус сила тяжести) хватило для поднятия груза. Уменьшая или увеличивая пламя горелки, мы можем подниматься или опускаться на нужную высоту.

Иногда воздушный шар наполняют не воздухом, который надо нагревать, а скажем водородом или гелием, чья плотность в принципе меньше плотности воздуха. Для маневрирования шаром опять же можно использовать горелку и балласт. На этом же принципе работают и дирижабли. Дирижабль – это тот же воздушный шар, только с пропеллером, который позволяет двигаться не только под действием силы ветра, но и в любом выбранном направлении.

Нужна помощь в учебе?