Аэронавтика или покорение атмосферы Земли

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Аэронавтика или покорение атмосферы Земли

Тараскин П.П. 1
1ГБОУ РФМЛИ
Милостивая Н.Ю. 1Кузубова И.И. 1
1ГБОУ РФМЛИ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Тема воздухоплавание мне очень интересна. Я часто задавался вопросом, как летают воздушные шары. На эту тему я прочитал разную литературу, энциклопедии. В Интернете нашел интересные материалы по истории воздухоплавания.

Объектом нашего исследования является воздушный шар.

Цель работы: проверить условия воздухоплавания при помощи воздушного бумажного шара и мыльного пузыря.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретический материал о воздухоплавании;

2. Создать воздушный бумажный шар;

  1. Исследовать полет воздушного бумажного шара и мыльного пузыря

4. Выявление параметров, от которых зависит способность подъема шара.

5. Разработать рекомендации по результатам исследований.

Гипотеза исследования: Я исхожу от предположения, что на шар действует сила тяжести и сила Архимеда, то от их соотношений будет зависеть подъем шара. При нагревании воздух в шаре расширяется, часть его выходит, из-за чего шар становится легче и поднимается.

Методы исследования:

-изучение научной литературы;

-анализ расчетных данных;

-анализ качественных и вычислительных задач то теме;

-эксперимент.

Воздушному шару более 220 лет, у него сложная и драматичная история. С глубокой древности люди мечтали подняться в воздух, чтобы парить там подобно птицам. Именно им они подражали в своих первых попытках оторваться от земли.

Цель нашей работы рассмотреть основные моменты истории воздухоплавания, роль воздухоплавания в жизни человека, перспективы воздухоплавания в 21 веке и сами принципы воздухоплавания.

Воздушному шару более 225 лет, у него сложная драматичная история.

1. Изобретение аэростатов

С глубокой древности люди мечтали подняться в воздух, чтобы парить там подобно птицам. Именно им они подражали в своих первых попытках оторваться от земли.  K числу пионеров воздухоплавания, чьи имена не были забыты историей, но чьи научные достижения оставались неизвестными или ставились под сомнение на протяжении столетий, относится бразилец Бартоломмео Лоренцо – автор проекта "Пассаролы", которая до последнего времени воспринималась как чистая фантазия. После длительных поисков в 1971 году удалось найти документы, проливающие свет на события далекого прошлого. В августе 1709 года высшей королевской знати был продемонстрирован полёт модели воздушного шара – тонкой яйцеобразной оболочки с подвешенной под ней маленькой жаровней, нагревающей воздух. Она оторвалась от земли почти на четыре метра. В том же году Гузмао приступил к осуществлению проекта "Пассаролы". История не располагает сведениями о ее испытании. Но в любом случае Лоренцо Гузмао был первым человеком, который, опираясь на изучение физических явлений природы, сумел выявить реальный способ воздухоплавания и попытался осуществить его на практике.

В 1782 году братья Этьенн и Жозеф Монгольфье решили продемонстрировать подъём в воздух, наполненной дымом оболочки в виде шара диаметром 3,5 метра и массой 154 кг. Успех был ошеломляющий. Оболочка продержалась в воздухе около 10 минут, поднявшись при этом на высоту почти 300 метров, и пролетела по воздуху около километра. Чтобы произвести еще больший эффект, братья прицепили к воздушному шару клетку, куда посадили барана, утку и петуха. Это были первые пассажиры в истории воздухоплавания. Через восемь минут шар, проделав путь в четыре километра, благополучно опустился на землю. Каждый полет воздушных шаров братьев Монгольфье приближал их к заветной цели – полету человека. И вот 21 ноября 1783 года человек смог оторваться от земли и совершить воздушный полет. Монгольфьер продержался в воздухе 25 минут, пролетев около девяти километров.

      Полет воздушного шара братьев Монгольфье вызвал большой интерес в Париже. Молодому французскому физику профессору Жаку Шарлю было предписано подготовить и провести демонстрацию своего летательного аппарата. Он изготовил оболочку шара из легкой шелковой ткани и покрыл её раствором каучука и скипидара. Кроме того, Шарль был уверен, что Монгольфьеров газ, как называли тогда дымный воздух, - это не лучшее средство для создания аэростатической подъемной силы. Он считал, что гораздо большие выгоды сулит использование водорода, так как он значительно легче воздуха. Для того чтобы добиться большей послушности аппарата, Шарль применил несколько нововведений: при снижении аэростата использовался клапан, уменьшающий количество водорода в шаре; балласт (мешки с песком или дробью) сбрасывался, если надо было набрать высоту. Во время посадки экипаж выбрасывал из гондолы якорь и, тем самым останавливали полет.Первый полет человека на Шарльере произошёл 1 декабря 1783 года. Шар пролетел 5 км, забравшись на небывалую для того времени высоту 2750 метров. Пробыв в заоблачной вышине около получаса, исследователь благополучно приземлился, завершив, таким образом, первый в истории воздухоплавания полет на аэростате с оболочкой, наполненной водородом.

В 1785 году Жан Пьер Бланшар построил аппарат, крылья которого приводились в движение усилием рук и ног. У него появилась мысль перелететь на аэростате через Ла-Манш, доказать тем самым возможность воздушного сообщения между Англией и Францией. Этот исторический перелет, в котором участвовали Бланшар и его друг американский доктор Джеффри, состоялся 7 января 1785 года. Воздухоплавание с момента зарождения было признано дворянской привилегией. Известны случаи, когда простолюдины, поднявшиеся на воздушном шаре, по приземлении были биты плетьми за дерзость, после чего с соблюдением всех правил возведены во дворянство.

2. Воздухоплавание в России

По свидетельству летописца попытка подъёма на большом воздушном шаре в России относится к 1731 году. Рязанскийподьячий Крякутный из Нерехты соорудил нечто, наполнил это нечто субстанцией "поганой и вонючей" и "нечистая сила" совершила чудо, подняла его в воздух выше березы. За это его хотели сжечь!В ноябре 1783 годав день именин императрицы Екатерины Великой, при дворе в Петербурге был запущен маленький воздушный шар диаметром всего 1,5 фута. В 1784 г. русский посланник Иван Барятинский доложил о полётах на воздушных шарах в Европе Екатерине II. Она, убоявшись опасности возникновения пожаров по причине работающих жаровен и горячего воздуха, издала указ, в котором запретилас марта по декабрь кому-либо использовать их. А зимой летать никто не решался!

Александр I снял запрет, на воздухоплавание в России и
полёты стали следовать один за другим.

В 1870 году созданоРусское общество воздухоплавания.

В 1875 году Д.И. Менделеев на заседании Русского физико-химического общества предложил проект стратостата для высотных полетов с герметичной гондолой. Однако, этот проект не был реализован.

В конце 19 века полеты на воздушных шарах стали развлечением.
В августе 1887 года в возрасте 53-х лет знаменитый русский ученый-химик Д.И. Менделеевна военном аэростате совершил полёт из г. Клина длительностью 3 часа 36 минут на высоте 3350 м
для наблюдения солнечного затмения. За этот подвиг Французская Академия Наук наградила его золотой медалью,
на которой был выбит девиз братьев Монгольфье: "Так идут к звездам!".

В 1900 году в Париже открылся 1-й Международный воздухоплава-тельный конгресс.Россию представлял Н. Е. Жуковский.

3. От мечты к профессии

В апреле 1794 года был издан декрет об организации первой воздухоплавательной роты французской армии. Использование французами привязных аэростатов, поднимавшихся на высоту 500 м, позволяло вести наблюдения в тылу противника. Разведывательные данные передавались на землю в специальных коробках, которые спускались по шнурку, прикрепленному к гондоле. Сохранился проект завоевания Англии при помощи флотилии воздушных шаров. 17 августа 1859 года из американского штата Индиана стартовал воздушный шар с необычным для того времени грузом – почтой. С тех пор этот день считается днем рождения авиапочты. В России делались многочисленные попытки использовать воздушные шары для фотографирования окрестностей, домов и т.д. Русская армия использовала сферические и змейковые аэростаты и дирижабли во время русско-японской войны 1904 – 1905 и в годы 1-й мировой войны 1914 – 1918 гг.Широкое применение аэростаты нашли в годы Великой Отечественной войны 1941 – 1945 гг. Их использовали в качестве загорождений в системе ПВО городов, промышленных районов, военно-морских баз. На привязном аэростате в блокадном Ленинграде был установлен передатчик, транслировавший первое исполнение 7 симфонии Шостаковича.

§ 4. Стратостаты

Стратостаты – это высотные  аэростаты  с герметической гондолой, которые предназначены   для полётов в стратосферу, т. е. на высоту  10-50 км.  До появления реактивных самолетов и метеорологических ракет стратостаты были   единственными летательными аппаратами, позволявшими проводить научные исследования   в  высоких слоях  атмосферы. Первый в мире  настоящий стратостат был сконструирован
и построен  швейцарским учёным Огюстом Пикаром. В 1931 году   в Германии Пикар  совершил первый в истории полёт в стратосферу, достигнув высоты 15,785 км. Большая часть стратостатов была спроектирована и совершила полёты в 30-е годы 20-го века.

В Советском союзе   в  1933 году был построен стратостат "СССР-1", который совершил полёт на высоту 19 км, установив новый мировой рекорд. В 50-х годах 20-го века в США были  проведены полёты  стратостатов  на высоту  30 км. Обычно оболочка  стратостата  обычно заполняется гелием,  хотя первое время  применялся водород, который намного дешевле, но в смеси с воздухом  очень взрывоопасен. Плотность водорода в 14, а гелия в 7 раз меньше плотности воздуха. На старте  оболочку  заполняют  не полностью, а только частично, поэтому  он похож на сморщенную  грушу или каплю,  расширенную вверху. При подъеме на стратостат действуют три силы: сила Архимеда, сила сопротивления воздуха и сила тяжести. По мере подъема устанавливается равновесие, и стратостат перестанет двигаться вверх.  С увеличением высоты подъема газ в оболочке расширяется и  растягивает оболочку. Оболочка стратостата   принимает  шарообразную  форму. Обычно изготавливают стратостаты объемом более 14 000 м3, а самый большой был 283 000 м3. Чем меньше начальный объем стратостата, тем выше он  поднимется. Одновременно  максимальная высота подъема зависит и от  конечного объема стратостата: чем он больше, тем выше поднимется стратостат. Для жизнеобеспечения стратонавтов на гондоле устанавливается система  регенерации воздуха.

В 2002 году  японский стратостат BU60-1 объёмом 60000 м3, диаметром – 50 м и   массой   -  35 кг установил рекорд, поднявшись на высоту 53 км, т.е. стратостат практически вышел за пределы земной атмосферы. На эту высоту он поднимался более 3-х часов  со скоростью около 260 м/мин. сферу.

5. Дирижабли

В 1852 году французский механик Анри Жиффар смог превратить "стоящего в воздухе" в управляемого. Оболочка его аэростата была уже сигарообразной. Управлялся дирижабль с помощью парового двигателя мощностью 3 л.с. и весом 45 кг. Первый технически обоснованный проект большого грузового дирижабля был предложен в 80-х годах ХIХ века великим русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским.

Он предлагал построить огромный даже по сегодняшним меркам — объёмом до 500 000  м³ — дирижабль жёсткой конструкции с металлической обшивкой. Фердинанд фон Цеппелин - немецкий граф родился в 1838 году. Он посвятил
себя дирижаблестроению. На озере Констан был построен огромный ангар, в котором и началось строительство дирижаблей-цеппелинов. Это были огромные жесткие дирижабли, металлический каркас которых был обтянут тканью.Первый пробный полёт дирижабля конструкции Фердинанда Цеппелина, или просто цеппелина, состоялся в 1900 г. В результате постройки в 1909 году специального военного цеппелина Германия стала первой в мире страной, имеющей воздушный военный флот. Летом 1909 года граф Ф. Цеппелин достиг на своем дирижабле Северного полюса.

Во время первой мировой войны дирижабли-цеппелины совершали воздушные налеты на побережье Англии, на Лондон и Париж. Но, англичане из орудий, установленных на военных судах, стали сбивать огромные и неповоротливые дирижабли. Граф Фердинанд Цеппелин умер в 1917 году. К этому году фирма "Цеппелин" построила уже более 100 управляемых аэростатов. С 1919 года было налажено посредством дирижаблей "Цеппелинов" пассажирское сообщение между городами Германии, а с 1925 года – транспортировка почты через Атлантику.

В 1929 году Экенер совершил кругосветное путешествие на дирижабле, продолжавшееся 21 день, а в 1930 году – полет в Москву, в 1931 году - в Египет и Палестину, многочисленные полеты
в США и Латинскую Америку. Легендарный дирижабль «Граф Цеппелин» был построен в Германии в 1928 году и являлся на то время крупнейшим и наиболее передовым дирижаблем в мире. Его длина составляла 236,6 м, максимальный диаметр — 30,5 м, объём — 105 000 м³, несущий газ (водород) размещался в 17 отсеках. Силовая установка состояла из 5 моторов «Майбах» VL II мощностью 530 л.с. каждый. Полезная нагрузка дирижабля составляла порядка 25 т, максимальная скорость — 128 км/ч, крейсерская — около 115 км/ч. Дальность полёта — более 10 000 км. Экипаж насчитывал 40—45 человек. Длина гондолы составляла 40 м, ширина — 6 м и максимальная высота — 2,25 м. Пассажиры размещались в 10 двухместных оборудованных каютах со спальными местами. Кухня была рассчитана на обслуживание более 50 человек в течение нескольких суток. Кроме того, имелись почта, умывальные комнаты и пр.

В Советском Союзе первый дирижабль был построен в 1923 году. Всего было построено более десяти дирижаблей мягкой и полужёсткой систем. В 1937 году крупнейший советский дирижабль «СССР-В6» объёмом 18 500 м³ установил мировой рекорд продолжительности полёта — 130 часов 27 минут. Последний советский дирижабль «СССР-В12 бис» был построен в 1947 году.

6. Воздухоплавание в наши дни

После 50 лет забвения аэростаты и дирижабли постепенно возвращаются. Работа над проектированием телекоммуникационных комплексов на основе аэростатных систем развернулась  во многих странах. Первые работы по передаче радиосигналов с привязных аэростатов, поднятых на высоту 2-3 км, начали проводить еще в 30-х годах 20-го века. Использование аэростатов в условиях горной местности позволяет увеличивать дальность радиосвязи в 4-5 раз. С помощью системы Т СОМ М71 в США было организовано вещание на Кубу.

Стратостаты оказывают помощь астрономам, поднимая телескопы на большие высоты, где прозрачность атмосферы почти идеальна. Первыми такой подъем осуществили американцы в 1957 году, когда стратостат поднял телескоп "Стратоскоп-1" на высоту 24 километра. Уже десятилетий военно-морские силы  поднимают  на аэростатах трос-антенну, что обеспечивает связь с погруженными подводными лодками.

Аэростатные радиолокационные комплексы и сегодня успешно «служат» в ПВО в качестве системы слежения и раннего предупреждения.

В 1960 году в США был запущен при помощи ракеты  космический спутник-аэростат связи "Эхо-1". Во время запуска оболочка аэростата располагалась в контейнере в свернутом виде. Внутри нее находились 20 кг самовозгорающегося порошка. После раскрытия контейнера
и нагревания солнечными лучами он превратился в газ и заполнил оболочку. На высоте 1680 километров спутник-аэростат "Эхо-1" просуществовал 9 лет и использовался как радиоотражатель. С помощью  аэростатных систем  возможно обеспечить  беспроводной  высокоскоростной доступ в Интернет  на большой территории. Компании США уже начали  испытание подобных  высотных аэростатных платформ, работающих на солнечной энергии, и несущих ретрансляционное оборудование. В России в  2001 г.  был произведен опытный  запуск аэростатного комплекса «БАРС». Он включал в себя  причальное устройство,  радиостанцию и привязной аэростат. Эта  система, например,  обеспечивала  доступ в Интернет для  школ Москвы.

Воздухоплавание получило распространение в спортивных целях — в состязаниях на продолжительность, высоту и дальность полёта. Воздушный шар "Breitling Orbiter 3" в течение трех недель в марте 1999 г. совершил беспосадочный полета вокруг земного шара. 23 мая 2005 года Российская экспедиция "Святая Русь"под командованием известного российского путешественника Валентина Ефремовавпервые за всю историю освоения Арктики достигла Северного полюса на воздушном шаре. Полет на воздушном шаре от мыса Арктический архипелага Северная Земля до Северного полюса продолжался38 дней.За это время было преодолено980 километровпри температуре -50 0С. Экипаж вел наблюдения за движением воздушных масс в Арктике и занимался изучением состояния организма человека в экстремальных условиях.

Метеозонды – это беспилотный аэростат, предназначенный для изучения атмосферы. Состоит из резиновой или пластиковой оболочки, наполненной водородом или гелием, и подвешенного к ней контейнера с аппаратурой. Приборы позволяют измерять давление воздуха, влажность, температуру и другие параметры. Замеры перемещения шара позволяют определять скорость ветра на разных высотах. Высотные метеозонды могут достигать высоты 30—40 км. Аэростаты можно применять для тушения пожаров в высотных зданиях. Вода подаётся на дирижабль по пожарному рукаву с земли. Современный проект высотного дирижабля. Кто знает, может быть, уже через несколько лет такие корабли станут самым обыкновенным делом?

7. Физические основы воздухоплавания

Полёт воздушного шара основан на законе Архимеда. Ч

Fтяжести

ем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем больше действующая на него подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 0С до 100 0С его плотность уменьшается только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема.

Шар поднимается, когда

F Архимеда > F тяжести; F Архимеда = ρгаза∙ g ∙ V

F под = F Архимеда - (Fтяж. шара + Fтяж. груза + Fтяж. газа)

Высота шара не изменяется, когда

F Архимеда = F тяжести

Шар снижается, когда

F Архимеда < F тяжести

Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше. Чтобы подняться выше, сбрасывают балласт. Для того чтобы опуститься на землю, силу Архимеда надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхней части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа. После этого шар начнет опускаться вниз.

§ 8. Практическая часть

Изучение подъема воздушного шара.

Методика исследования.

Гипотеза 1. При наполнении теплым воздухом из шара вытесняется некоторая часть воздуха, шар становится легче окружающего воздуха, поэтому поднимаются вверх.

Гипотеза 2. Подъемная сила воздушного б шара равна разности между весом воздуха в объеме шара и весом газа, заполняющего шар. Чем больше разница в плотностях воздуха и газа, заполняющего шар, тем больше подъемная сила. Поэтому подъемная сила шара больше на улице, где воздух менее прогрет

  1. Практическое изготовление шара Монгольфье.

  1. Скрепили по 3 трубочки от коктейля.

  2. Повторить тоже с еще 3 трубками.

  3. Скрепить полученные трубки крестом с помощью булавки, на которую прикрепить свечу.

  4. На эту конструкцию надеть мешок и скотчем закрепить его.

  5. Зажечь свечу и подождать пока она прогреет воздух в мешке.

А вот китайские шарики сделанные по такому же принципу

  1. Опровергнуть идею о том, что можно летать на воздушных

Цель работы: Выяснить подъемную силу воздушного шара.

Ход работы:

  1. Измерили объем воздушного шара по формуле: V=4/3π R3

радиус окружности шара вычислили по формуле R= L/2π

Где L -длина окружности и она равна 0, 47 м

R- радиус окружности шара

V – объем шара

V= L3/6 π2; V= ( 0, 47)3 / 6 (3,14)2=0,002 м3

  1. Рассчитаем Архимедову силу, действующую на шар

FA = ρгаза∙ g ∙ V; Fa= 1,43кг/м3*10 Н/кг*0,002 м3=0, 028Н

Как видно , что архимедова сила для одного шара мала.

Чтобы поднять в воздух человека массой 50 кг и весом 500 Н понадобится 500 Н/ 0, 028 Н = 17857 шаров

Согласитесь, что это просто нереально. Значит полет на воздушных шарах в сказке Олеши « Три толстяка» и есть сказка..

  1. Полет мыльных пузырей.

Гипотеза 1. Мыльные пузыри при выдувании наполняются теплым воздухом наших легких, который легче окружающего воздуха, поэтому поднимаются вверх.

Гипотеза 2. Увеличивается размер пузыря при попадании его из холодной в теплую комнату. Это объясняется тем, что воздух внутри пузыря расширяется.

Пример: если на морозе в -150 С объем пузыря 1000 куб. см и он попадает в комнату, где температура + 150 С, то он увеличится на 1000*30*1/273= около 110 куб.см. [6].

Методика проведения эксперимента. Необходимо приготовить раствор простого хозяйственного мыла. Кусок мыла разводят в чистой воде, пока не получится густой раствор. Лучше использовать чистую дождевую или снеговую воду или же кипяченную охлажденную воду. Чтобы пузыри держались долго можно добавить к раствору 1/3 глицерина (по объему). Также можно добавить немного шампуня. Выдувать пузыри размером 2,5,10 см.

Исследование:

- зависимости высоты подъема пузыря от объема;

- зависимости скорости подъема пузыря от объема;

- изменение этих же параметров в зависимости от температуры воздуха в помещении.

Приготовлен мыльный раствор, разные приспособления для выдувания пузырей: стержень и разные запасные части от пишущей ручки, скотч…

Результаты эксперимента.

В ходе длительных опытов удалось получить пузыри разных размеров. Мелкие были размером в 1 см, самые большие – до 20 см. Вдували и вдыхали воздух в мыльные пузыри. Большие пузыри получены при выдувании катушкой широкого скотча диаметром 8 см. Пузыри, полученные при выдохе, поднимались высоко. Пузыри больших размеров (менее и более 15 см) поднимались на высоту более 2 метров (от места выдувания поднимались на 60 - 85 см), потом медленно падали. Пузыри средних размеров (5-7 см) поднимались на высоту до 25 см, выше не поднимались. Мелкие пузыри (3-5 см) - всего до 10 см и то очень редко.

Зависимость скорости подъема шара от объема не выражена, зато медленнее падение больших пузырей. Маленькие шары падают с высоты 1 метр примерно за 7 секунд, а большие за время 8 секунд.

Заключение.

При выполнении работы узнал много нового по теме «Воздухоплавание». Эксперименты на первый раз кажутся простыми. Но только со временем находишь решение, как лучше сделать. Хорошие результаты получились в ходе длительного поиска способов для правильного приготовления мыльного раствора и выдувания пузырей. Создание бумажного воздушного шара – очень кропотливая, тонкая работа. В дальнейшем нужно найти более легкий материал для оболочки шара. Для желающих провести эксперимент с воздушными шарами можно использовать мои приемы работы, описанные в работе. Результаты данной работы могут быть использованы практически для демонстрации на уроках, внеклассных мероприятиях, на кружковых занятиях по физике и для самостоятельных экспериментов учащихся.

Литература.

  1. Перышкин, А. В. Физика 7. –М,: Дрофа. 2020 г.

  2. Лукашик, В. И. Олимпиадные задачи..

  3. Кириллова, И. Г.Книга для чтения по физике. -М,: Просвещение. 1986 г.

  4. Оксфорд. Энциклопедия школьника. - М. : Астрель. 2022.

  5. Современная иллюстрированная энциклопедия. Техника.

  6. Перельман. Я.И. Занимательная физика. Книга 1.-М,: Наука. 1986 г.

  7. Перельман. Я.И. Знаете ли вы физику.// Библиотека «Квант» выпуск 82. –М,: Наука. 1992 г.

8. Энциклопедия для детей. Том 14. Техника. Гл. ред. М.Д. Аксёнова. — М.: Аванта+, 2004.

9. Материалы Интернета:

http://www.ballooning.ru/history-001.html

http://www.ballooning-rus.ru/history/

http://gorod.crimea.edu/librari/vozdux/

www.class-fizika.spb.ru

www.wikipedia.org

http://gallery.cnews.ru

Просмотров работы: 57