XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Аэросъемка Земли с воздушного шара

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Апаков Л.Е. 1Дикарев М.А. 1Ковалёв О.Ф. 1Плетнёв И.В. 1

---

1Вторая Санкт-Петербургская Гимназия

Новопашина О.Р. 1

---

1Вторая Санкт-Петербургская Гимназия

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

В апреле 2023 года во Второй Санкт-Петербургской Гимназии проводился интерактивный космический урок, где нам показывали аэросъемку Земли, выполненную с воздушного шара. На фото было видно искривление Земли, а на одном из видео – очертания материков.

Нас очень впечатлило то, что такие фото- и видеоматериалы были получены при помощи воздушного шара, надутого газом, который поднимался в космос на тросе. И нам захотелось повторить такой эксперимент своими силами. Мы обратились к родителям с запросом о том, что мы хотели бы провести такой запуск. Родители спросили, о какой высоте подъема идёт речь? Мы изучили вопрос в сети Интернет и узнали, что искривление земли становится заметным глазу примерно с высоты 10-11 км¹ над поверхностью Земли. Было ясно, что на такую высоту запустить шар будет невозможно, потому что нужно учесть множество факторов: долгий подъём, влажность в разны слоях атмосферы, изменение температуры воздуха, ветровую нагрузку, временные и финансовые затраты на этот проект, воздушную технику (летающие воздушные объекты) и многое другое. Но, вероятно, существовала высота, на которую можно было бы поднять воздушный шар и провести аэросъемку, не создавая препятствий и ограничений для летательных аппаратов.

В результате командных обсуждений, мы смогли определить цель нашей научно-исследовательской работыи согласовать её с родителями:
провести аэросъемку Земли с воздушного шара на разрешенной высоте силами группы учащихся 2 и 3 класса.

Для реализации этой цели, мы сформулировали следующие задачи:

1. Выяснить, как проводится аэросъемка на практике и какие существуют ограничения и требования к данному процессу;

2. Понять, на какую высоту разрешено запускать воздушный шар;

3. Выбрать тип воздушного шара, который подойдет нам;

4. Определить, какой газ необходимо использовать и сколько его потребуется, чтобы надуть воздушный шар;

5. Понять, как надуть воздушный шар;

6. Найти подходящую фото-видео камеру для аэросъемки;

7. Выбрать место для запуска воздушного шара и проведения аэросъемки;

8. Выбрать трос для крепления воздушного шара к управляющему механизму;

9. Запустить воздушный шар и выполнить аэросъемку Земли в соответствии с целевым Результатом;

10. Подвести итоги и сделать выводы после реализации Проекта.

Для реализации данного проекта нам потребовалось познакомиться с литературой и видеоматериалами о том, как проводится аэросъемка Земли, а также с рядом физических явлений, понимание которых было важно для успешного запуска. Большая часть вопросов из области физики рассматривается в учебниках в рамках школьной программы и нам пришлось познакомиться с понятием объема шара, подъемной силы, объема воздуха немного раньше, чем это предполагается по учебному плану.

Степень изученности данного вопроса. При помощи сети Интернет мы узнали, что первый аэроснимок земли был получен в 1858 году в Париже с привязного аэростата². И в течение последующих лет вплоть до сегодняшнего дня, процесс аэросъемки Земли непрерывно развивался³, потому что позволял решить важные задачи для разных отраслей мирового хозяйства (от картографии и строительства до военной разведки). Несмотря на то, что в настоящее время, спутниковые снимки любой точки поверхности Земли возможно увидеть на электронных картах в сети Интернет, нам было любопытно и интересно просвети собственный эксперимент причем именно с возможностью запуска воздушного шара.

В качестве характеристики личного вклада коллектива авторов в решение избранной проблемы хочется особенно подчеркнуть, что инициатива и согласование данного проекта с родителями и руководителем проекта лежала полностью на нас, детях и авторах. И не смотря на то, что первоначально мы получили отказ, мы проявили настойчивость, использовали все свои навыки ведения переговоров и смогли найти такие варианты условий реализации проекта, при которых мы всё же получили согласие на его проведение.

Основная часть

Работа над проектом проходила в соответствии с поставленным задачами.

Требования к проведению аэросъемки и допустимая высота подъема

Чтобы разобраться в том, как должен быть организован наш эксперимент по запуску воздушного шара с камерой, мы начали обсуждение проекта с коллективного решения трёх важных вопросов:

1. Разрешены ли аэросъемка и запуск воздушных шаров?

2. На какой высоте возможен запуск?

3. Какой шар подойдет для нашей задачи?

Родители помогли нам узнать, что⁴:

- есть запретные зоны для запуска любых летательных аппаратов – рядом с аэропортами и военными базами;

- есть ограничения на проведение аэросъемки – нужно соблюдать конфиденциальность, нельзя снимать людей и военные и коммерческие объекты без разрешения на съемку.

То есть запуск возможен за пределами этих мест.

Мы понимали, что есть высота, на которой воздушные шары опасны для других летательных аппаратов и линий электропередач. С помощью родителей мы выяснили, что в нашей стране действуют правила, разрешающие подъем на высоту до 120 метров над землей – это примерно 40 этажей.

Так стала понятна максимальная высота, на которой мы могли бы провести аэросъемку.

Выбор воздушного шара

Предстояло разобраться, какой шар выдержит взлетит на высоту 120 метров и поднимет камеру? Текстильный? Фольгированный? Латексный? Виниловый?

Нам были важны:

- материал – он должен быть достаточно прочный;

- размер - чем больше диаметр, тем больше шансов, что поднимет камеру. Но и слишком большой тоже не нужен, надувать огромный шар – дорого и долго;

- способ надувания – подходит только газ, а не открытый огонь!

Мы сделали наглядную сравнительную таблицу (см. рисунок 1), которая помогла нам определиться с выбором.

Рисунок 1. Сравнительный анализ требований к воздушному шару

Получилось, что нам подходит прочный виниловый шар.

Мы посмотрели в интернете, какие шары есть в продаже, и выбрали красный, диаметром 3 метра.

Выбор газа и расчёт требуемого количества

Чтобы шар взлетел, нам требовался газ, который был бы легче воздуха.

Для нашего проекта мы выбрали газ гелий, так как он есть в свободной продаже, широко используется для надувания воздушных шаров и достаточно безопасен при использовании, в случае соблюдения техники работы.

Надо было понять, сколько нужно гелия, чтобы наполнить шар.

Здесь нам также предстояло познакомиться с понятием разных состояний веществ, а именно – газа⁵. Оказывается, в баллоне газ продается в жидком виде, но в шаре он будет находиться в газообразном состоянии.

Родители помогли нам посчитать объем шара. Объем шара диаметром 3 м составляет примерно 12 кубических метров.

По данным производителя гелия, в одном баллоне вместимостью 40 л газа содержится 6 кубических метров гелия.

После того, как мы разобрались с физикой, математика оказалась для нас очень простой к подсчёту (см. рисунок 2): чтобы заполнить шар объемом 12 кубических метров, нам потребуется 2 баллона гелия.

Рисунок 2. Расчёт количества газа, требуемое для запуска воздушного шара

Оценка подъемной силы

Дальше надо было понять, какой вес сможет поднять наш шар. Тут нам снова помогли родители и объяснили, что есть формула для расчёта подъемной силы⁶. Получилось, что шар, наполненный 12 кубическими метрами гелия, обладает подъемной силой в 11 килограмм.

Значит, шар, сможет подняться в воздух вместе с камерой, если вес шара, линя и камеры будет меньше 11 кг.

К этому моменту у нас уже были камера, шар и нить, которые мы планировали использовать и мы могли проверить вес всего нашего оборудования и сравнить его с расчётной подъемной силой.

Мы взвесили шар, линь и камеру, получилось примерно 4,5 килограмм. Значит, должны взлететь (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Расчёт подъемной силы воздушного шара с оборудованием

Конструирование переходника для надувания воздушного шара

Нам надо было продумать, как соединить баллон с шаром.

Диаметр трубки гелиевого баллона 3,5 см, а диаметр сопла шара 12 см. Напрямую закачать гелий не получится, т.к разница в отверстиях очень большая. При помощи родителей мы решили сделать переходник.

Мы взяли газовый шланг с газовым краном и паронитовой прокладкой, который подходил к газовому баллону. А на другой стороне шланга мы решили сделать заглушку диаметром 12 см, такую, чтобы ее можно было герметично прикрепить к шару при помощи металлического обода и скотча. К этой заглушке мы также приделали кран, чтобы была возможность перекрывать ход газа и он не попадал обратно из шара в баллон (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Иллюстрация сопла газового баллона, разработанного переходника и сопла воздушного шара.

Выбор места для проведения аэросъемки Земли с воздушного шара

Для места запуска у нас уже был ряд требований:

- отсутствие воздушных путей авиации, линий электропередач над местом;

- отсутствие домов, заводов, военных частей рядом;

- наличие свободного пространства без деревьев – нам требовалось поле;

- удалённость от большой дороги, чтобы шар не привлекал лишнего внимания;

- наличие подъезда на машинах, так как у нас много оборудования.

Чтобы определить район поиска подходящего поля, мы узнали, где в Ленинградской области запускают коммерческие туристические воздушные шары – это Приозерский район. Мы открыли Яндекс карты и начали искать поле, походящее нам. После того, как на карте было определено подходящее на вид место, мы с родителями съездили на разведку и заранее убедились, что это поле действительно такое, как нам нужно.

Выбор троса и способа крепления воздушного шара

Был ещё один важный технический момент – нить и крепление шара.

Было ясно, что веревка должна быть крепкой, устойчивой на разрыв (например, если будет порыв ветра) и легкой, чтобы шар с ней мог подняться.

Мы изучили в интернете, какие веревки рекомендуются для запуска воздушных змеев и узнали, что подходящими вариантами являются нити для подводной охоты⁷.

Высота нашего запуска была определена как 120 метров, нити мы купили с запасом на обвязку и предполагая, что ветер может сносить шар с камерой в сторону, в этом случае для достижения максимальной высоты может потребоваться запас длины нити.

Для того, чтобы отслеживать, на какую длину поднялся шар, через каждые 10 м мы сделали отметки на веревке.

Мы понимали, что руками веревку шара удержать будет невозможно, нить может порезать руки, если шар дернется при порыве ветра. Наши папы предложили использовать лебедку для равномерного и контролируемого разматывания 200 метров веревки (и потом сматывания).

И еще был нужен утяжелитель, к которому мы закрепим лебедку с веревкой, чтобы они были надежно прижаты к земле. В качестве такого основания мамы отдали нам использованный тяжелый деревянный ящик для цветов (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Линь, процесс нанесения меток для контроля длины линя, утяжелитель

Выбор видеокамеры для проведения аэросъемки Земли

Для получения Результата нам была необходима камера, способная осуществлять фото и видео фиксацию в процессе полета Воздушного шара. Такая камера должна одновременно:

- иметь достаточное разрешение и качество изображения для получения четких и детальных снимков,

- быть ударопрочной (безопасное приземление никто не гарантировал),

- быть небольшого веса (чтобы подъемной силы гелия в Воздушном шаре хватило для подъема самого надуваемого элемента, камеры и системы крепления),

- и быть не очень дорогой (в случае, если воздушный шар вместе с камерой улетят или камера будет повреждена).

Всем этим требованиям соответствовала камера модели GoPro 7 в защитном корпусе (общим весом 229 грамм), которая была у наших родителей. Её мы и решили использовать.

Запуск

Запуск был назначен на 20 августа 2023 года. Накануне мы собрали всё необходимое оборудование для запуска и составили чек-лист всех действий⁸, которые предстояло сделать для того, чтобы наш шар взлетел и аэросъемка прошла успешно.

Было около 10 утра, когда мы встретились в назначенном месте.

Погода была «лётная»: ясно, +17.

Мы определили точное место для проведения работ по запуску и начали перетаскивать всё необходимое.

Мы расстелили на земле тент, развернули на нем шар, надежно привязали стропы к линю с лебедкой, подключили газовый баллон и начали надувать шар.

Все действия мы фиксировали в журнале наблюдений⁹. Поэтому мы можем с точностью сказать, что газ в первом баллоне закончился через 20 минут.

После этого мы поменяли баллон, открыли вентиль и внезапно произошел взрыв.

Мы, конечно же, немного испугались, быстро сориентировались, что никто не пострадал и начали устанавливать причину.

Оказалось, что лопнул газовый шланг, потому что мы открыли вентиль у баллона, но не открыли кран у шара на переходнике. На шланге была огромная дыра и потребовались экстренные меры по его починке, в чем неимоверно круто проявили себя наши папы!

Согласно журналу наблюдений, на ремонт ушло всего 10 минут и в 10-50 мы продолжили закачивать газ из второго баллона в шар.

Когда мы закончили с газом, мы надежно привязали камеру, проверили крепление шара к линю и вот, настал момент, когда было пора отпустить шар!

Затаив дыхание и на счет «три», мы все отпустили руки и шар завис в нескольких метрах над нами.

Дальше мы начали раскручивать лебедку и шар стал набирать высоту!

При длине 30 метров у нас запутался линь на лебедке, но мы смогли его распутать!

А при длине 50 метров мы в первый раз услышали, как линь поет! Оба эти процесса повторялись несколько раз, пока мы разматывали линь на максимальную длину. И вот, в 12-00, спустя 1 час 40 минут после начала запуска, шар достиг максимальной высоты и наша аэросъемка земли достигла высшей точки своего запуска!

Теперь оставалось спустить шар, снять камеру и завершить наш проект.

После того, как шар был у земли, мы сняли с него камеру.

И вот полученные нами результаты аэросъемки Земли с запущенного нами воздушного шара представлены на рисунке 6:

Рисунок 6. Аэросъемка Земли при разной длине размотке линя

Заключение

Это был очень интересный и очень сложный Проект. Когда мы просили родителей помочь с его реализацией, мы не могли себе даже представить, что на его подготовку потребуется так много времени и помощи взрослых. Этот Проект оказался для нас настоящим приключением и крупным экспериментом, и благодаря ему мы научились:

1. Переходить от мечты к цели, а от цели – к воплощению;

2. Разбивать большую цель на маленькие шаги, готовить Проект, выполняя последовательно каждый шаг;

3. Работать в команде, учиться находить общий язык, как между собой, так и с родителями, учиться принимать такие решения, которые устраивали бы всех;

4. Учиться, самостоятельно искать и собирать информацию, принимать и фиксировать свои ошибки, совместно искать варианты их решения;

5. Разбираться в видах воздушных шаров;

6. И, конечно же, делать аэросъемку земли с воздушного шара.

Список используемой литературы и другие источники.

1. Перышкин, И. М. Физика. 7 класс : учебник. - Москва : Просвещение, 2022.; ISBN 978-5-09-092323-1

2. Википедия : электронная энциклопедия – URL: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.03c002dd-66471410-24568b0b-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_first_images_of_Earth_from_space(дата обращения 01.07.2023)

3. Википедия : электронная энциклопедия – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%8D%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%81%D1%8A%D1%91%D0%BC%D0%BA%D0%B0(дата обращения 01.07.2023)

4. КайтВлад. Небо для всех! : Интернет-форум – URL: http://kitevlad.ru/forum/20-79-1 (дата обращения 10.07.2023)

5. Как и Почему? : электронный журнал – URL: https://kipmu.ru/s-kakoj-vysoty-vidno-chto-zemlya-kruglaya/ (дата обращения 01.06.2023)

6. Постановление Правительства Российской Федерации от «25» мая 2019 года № 658 «Об утверждении Правил учета беспилотных гражданских воздушных судов с максимальной взлетной массой от 0,25 килограмма до 30 килограммов, ввезенных в Российскую Федерацию или произведенных в Российской Федерации» : Официальный интернет-портал правовой информации. – URL http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001201905300028 (дата обращения 20.06.2023)

Приложение 1.

Чек-лист действий при запуске воздушного шара для проведения аэросъемки Земли 20 августа 2023 года.

1. Приехать на место

2. Определить, где будет запуск

3. Перетаскать из машин все для проекта на место запуска

4. Оборудовать место работ, разложить инструмент и все необходимое

5. Расстелить тент

6. Развернуть шар на тенте

7. Привязать шар к тросу

8. Надуть шар

9. Герметизировать шар

10. Привязать камеру к шару

11. Включить камеру на запись и убедиться, что она работает

12. Начать вести дневники наблюдений, чтобы записывать высоту и время подъема

13. При положительной грузоподъемности начать разматывать линь

14. Поднять шар на максимальную высоту, на которую удастся это сделать

15. Опустить шар

16. Снять камеру

17. Выпустить из шара гелий

18. Отрезать линь

19. Свернуть шар

20. Собрать все вещи и погрузить в машину

21. Сдать пустые баллоны в магазин (до 21 часа)

Приложение 2.

Журналы наблюдений за запуском воздушного шара при проведении аэросъемки Земли 20 августа 2023 года.