XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадка парящего воздушного шара
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность исследования. В фильме «Повелитель ветра» известный российский путешественник Федор Конюхов осуществил кругосветный полет на воздушном шаре. Шар поднялся высоко и парил над Землей много часов подряд. Меня заинтересовало, почему воздушный шар может подниматься вверх и парить в небе много времени? В чем загадка парящего воздушного шара? А можно ли сделать его своими руками? Мой дедушка рассказал мне, что ответ на этот вопрос я могу узнать, познакомившись с законами физики.
Цель: создать модель воздушного шара и проверить опытным путем возможность его полета.
Задачи:
- познакомиться с историей изобретения воздушного шара;
- рассмотреть законы физики, объясняющие полет воздушного шара;
- создать модель воздушного шара и осуществить его полет.
Объект: воздушный шар
Предмет: полет воздушного шара
Гипотеза: полет воздушного шара осуществляется за счет подъемной силы, которая должна быть больше, чем сила притяжения.
Методы проведения исследования: поиск информации в библиотеке, электронных базах, анализ, обобщение, моделирование, практический.
Глава 1. Что мы знаем о воздушном шаре
-
-
История полетов на воздушном шаре. Воздухоплавание в России
-
Первым летательным аппаратом, на котором был осуществлен полет человека, стал тепловой воздушный шар.
Воздушный шар - летательный аппарат, в котором для полета используется газ легче воздуха.
В зависимости от наполнения различают монгольфьеры (шары, наполненные нагретым воздухом), шарльеры (наполнены лёгким газом, как правило, водородом или гелием), розьеры (воздушные суда, использующие одновременно газ и воздух, размещённые в отдельных оболочках). В нашем исследовании мы рассмотрим монгольфьеры.
В о Франции в 1783 гoду сыновьям владельца бумажной фабрики братьям Этьену и Жозефу Монгольфье удалось изготовить воздушный шар, который мог поднять человека. Состоялась демонстрация полета воздушного шара диаметром 12 метров. Он представлял собой огромный мешок, сшитый из холста и обклеенный бумагой, который был подвешен на площади города Аннона выше трехэтажных домов. Никто не верил, что это может подняться в воздух В топке под оболочкой сжигали шерсть, бумагу, дерево, мокрую солому. "... одновременное сжигание шерсти и соломы соединяет животное начало с растительным и образует дым, обладающий электрическими свойствами", - это описание движущей силы воздушного шара с точки зрения братьев Монгольфье. Мокрая солома использовалась не случайно, но объяснение этому нашли позднее. Если оболочку наполнять нагретым сырым воздухом, то подъемная сила аэростата будет больше, чем при заполнении его сухим воздухом той же температуры. Оболочка стала наполняться теплым воздухом и вскоре приобрела форму шара. Грузоподъемность шара была около 205 кг. Этьен и Жозеф безумно боялись высоты и не решались отправиться в воздушный полет сами. Кроме того, бумажная оболочка воздушного шара была непрочной и часто сгорала в воздухе при подъеме. Поэтому первыми живыми существами, совершившими полет на воздушном шаре, были овца, утка и петух. При этом событии присутствовали король Людовик XVI и Мария-Антуанетта. За 8 минут шар пролетел на высоте 520 м около 3 км. Пострадал при полете только петух, т.к. на него наступил баран. Через некоторое время состоялся новый полет на воздушном шаре братьев Монгольфье.
Так началась история воздухоплавания. Воздухоплавание - перемещение (плавание) в воздухе на летательных аппаратах легче воздуха.
Братья Монгольфье первыми сумели применить на практике подъёмную силу тёплого воздуха и создать лёгкую и прочную газонепроницаемую оболочку. Воздушные шары братьев Монгольфье получили название "монгольфьеры" и применяются до сих пор. Это современные тепловые аэростаты, поднимающиеся за счет нагретого воздуха. Оболочка выполняется из легкой термостойкой синтетической, очень прочной ткани
За 50 лет до полета братьев Монгольфье рязанский подьячий 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!
24 ноября 1783 года был совершен первый запуск воздушного шара в России. Это было в Санкт-Петербурге, у Эрмитажа.
Т от же 1783 год связан с еще одним юбилеем в истории воздухоплавания. Именно тогда член Петербургской академии наук Леонард Эйлер вывел формулы для расчета подъемной силы шара.
В ноябре 1783 года в день именин императрицы Екатерины Великой, при дворе в Петербурге был запущен маленький воздушный шар диаметром всего 1,5 фута.
Через 20 лет, 20 июня 1803 года, в Петербурге состоялся первый в России полет человека на воздушном шаре. «В присутствии императорской фамилии и великого стечения зрителей» его совершил французский воздухоплаватель Гарнерен с женой. А примерно через месяц вместе с Гарнереном на воздушном шаре вверх поднялся и русский генерал С. Л. Львов. Возможно, этот подъем был связан с попыткой применения воздушных шаров в военном деле.
Русские первыми в мире проводили полеты на воздушных шарах с научными целями. Академик Я. Д. Захаров и бельгийский воздухоплаватель Э. Робертсон 30 июня 1804 года применили воздушный шар (аэростат) для изучения верхних слоев атмосферы.
Интересный факт в истории воздухоплавания относится к 1806 году. Участники известной русской научной экспедиции И. Ф. Крузенштерна, совершавшей кругосветное путешествие, пустили в японском порту Нагасаки 6 февраля небольшой монгольфьер. Подъем организовал член-корреспондент русской Академии наук Г. И. Ланг-Дорф для изучения воздушных течений. Это был первый в мировой практике пуск воздушного шара с научной целью.
Вновь полеты на аэростатах с научными целями были совершены в России только в конце 60-х годов прошлого столетия. А еще позже великий ученый, создатель периодической системы элементов Д. И. Менделеев 19 августа 1887 года совершил полет на воздушном шаре для изучения солнечного затмения. После этого он предложил использовать герметичные кабины для высотных полетов.
В 1891 году изобретатель радио А. С. Попов провел сеанс радиосвязи со своим помощником П. Н. Рыбкиным, находившимся на воздушном шаре под облаками.
На рубеже двух столетий в России стало заметным отставание техники воздухоплавания от западноевропейской, о чем свидетельствовало прежде всего отсутствие в постройке дирижаблей.
П осле Великой Октябрьской революции началось широкое применение аэростатов для полетов с научными целями, особенно для исследования стратосферы.
Славную страницу в историю освоения стратосферы вписали советские воздухоплаватели 30 сентября 1933 года, когда стартовал первый наш стратостат «СССР-1», достигший высоты 19 000 м. А 30 января 1934 года отважные советские исследователи - пилот П. Ф. Федосеенко, научные работники А. Б. Васенко и И. Д. Усыскин на стратостате «Осоавиахим-1» достигли высоты 22 000 м. К сожалению, этот полет закончился трагически - все трое исследователей погибли.
В годы Великой Отечественной войны широко использовались привязные аэростаты как средство противовоздушной обороны. В настоящее время аэростаты находят применение для метеонаблюдений в верхних слоях атмосферы. В некоторых странах (США, Польша) аэростаты нередко применяют в спортивных целях.
1.2. Конструкция современного воздушного шара
В оздушный шар состоит из трех частей: купола, корзины и системы горелокс клапаном. Это довольно простое оборудование, и его создание относительно недорого по сравнению, например, с самолетами.
Купол теплового воздушного шара шьется из прочных нейлоновых тканей – полиэстера или полиамида, внутренняя сторона которых покрывается полиуретаном (силиконом). Покрытая полиуретаном ткань не пропускает воздух. Куски ткани - сегменты – сшиваются в колонки, которые потом сшиваются между собой. Отверстие надувания купола обшивают лентой из защитного материала Nomex, который является устойчивым к жару и защищает купол от обжигания во время надувания. Далее на куполе зашиваются вертикальные и горизонтальные ленты нагрузки. Количество лент разное, в зависимости от количества колонок и формы купола. Чем больше у шара колонок, тем больше надо лент для сшивания, тем менее прочными они могут быть. На верхушке ленты крепятся к кольцу верхушки, а внизу лента обвода крепится к канатам подвески купола. Соединения прячутся в мешочках из материала Nomex. Таким образом, получается однородный каркас купола. Купола квалифицируются по объему и грузоподъемности, т. е. максимальному весу, который купол поднимает.
Горелки, говоря образно, являются силовой станцией горячего воздуха воздушного шара. Это самая сложная часть шара. Горелками накаляется воздух при надувании шара и поддерживается его температура при полете. Горелки «питаются» жидким пропаном, который до сгорания превращается в газ в спиралях горелки. Поэтому почти половину горелки составляет спираль. В горелку сжиженный газ попадает из газового баллона. В спирали жидкий пропан накаляется, и, прогревшись, он превращается в газ. Накаленная горелка работает более производительно, чем холодная. Современные горелки изготавливаются с защитными коробками, которые защищают руки пилота от ожогов и удерживают тепло, излучаемое вниз от накаленной горелки. Горелка изготавливается из очень крепкой нержавеющей стали, поскольку температура сгорания пропана - около +500 C. Поэтому горелки должны выдержать температуру больших разниц. Современные горелки воздушных шаров являются очень мощными.
Корзина обычно изготавливается из лозы, дно корзины – из устойчивой к влаге морской фанеры. Для структурного каркаса корзины используются тросы из нержавеющей стали толщиной 6 мм. Ими корзина крепится к куполу. В гнезда рамы корзины и рамы горелки вставляются стояки из полиуретана. Они укрепляют и делают стабильной систему нагревания. Эти стояки и тросы покрываются кожаными оболочками, которые защищают стояки и тросы от механических повреждений. Газовые баллоны, как правило, закрепляются кожаными ремнями в углах корзины. Футляр для карты, огнетушитель и другие принадлежности также крепятся в корзине в предназначенных для них местах. Стоимость современного воздушного шара для полетов от 1миллиона рублей.
Клапан - механизм, позволяющий регулировать полет воздушного шара. Например, выпуская через клапан часть нагретого воздуха путем открытия клапана, можно уменьшить подъемную силу, снизить высоту полета или осуществить посадку.
-
-
Почему летает воздушный шар?
-
С овременные воздушные шары, также как и шар братьев Монгольфье, наполняют нагретым воздухом. Повышенную температуру шара поддерживают периодически включаемые пилотом газовые горелки. Температура воздуха внутри оболочки может достигать 120°С. Оболочка воздушного шара полностью заполнена горячим воздухом. Воздух, как и любой газ при нагревании расширяется, его объем в условиях постоянного давления увеличивается, а плотность уменьшается по сравнению с плотностью воздуха за пределами оболочки. Разница в массе вытесненного воздушным шаром плотного атмосферного воздуха и находящегося в нем менее плотного нагретого воздуха определяет величину подъемной силы воздушного шара. Подъемная сила оболочки увеличивается с увеличением разности температуры воздуха внутри оболочки и температуры воздуха снаружи оболочки.
И звестно, что на тело, находящееся в жидкости или газе действуют сила тяжести и сила выталкивания (сила Архимеда). Если сила выталкивания превысит силу тяжести, то тело будет подниматься вверх. А чтобы сила тяжести не была выше силы выталкивания, тело должно быть как можно легче. Поэтому оболочку шара и наполняют газами, которые легче нагретого воздуха.
Каждая сила имеет своё направление. Сила тяжести направлена к центру Земли. Архимедова сила - вверх.
Таким образом, воздухоплавание, появившееся в 18 веке, продолжает развиваться и использоваться сегодня не только для полетов людей, но и находит широкое применение в мировой практике для полетов с научными целями. Судьба полёта воздушного шара зависит от соотношения действующих на него сил: силы тяжести, направленной вниз, и силы Архимеда, направленной вверх. Если больше сила тяжести - шар не взлетит. Если больше сила Архимеда, шар будет подниматься вверх. Если силы равны, он будет плавать на определённой высоте.
Глава 2. Конструирование модели воздушного шара в домашних условиях
2.1. Расчет подъемной силы воздушного шара
Я выражаю благодарность нашим консультантам: Казновскому Габбасу Ивановичу, ведущему специалисту АО Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева, Заслуженному конструктору Российской Федерации и Федорченко Светлане Юрьевне, преподавателю физики ГБПОУ «Копейский политехнический колледж имени С.В. Хохрякова».
Основным показателем, влияющим на полет воздушного шара, является подъемная сила за счет нагретого воздуха, заключенного внутри оболочки воздушного шара. Как известно, чем сильнее нагрет воздух, тем большей подъемной силой он обладает. На подъемную силу также влияет объем шара: чем больше объем шара, тем больше подъемная сила. Также при расчете подъемной силы следует учитывать и температуру окружающей среды, так как именно разница температур снаружи и внутри воздушного шара формирует подъемную силу.
Основной вопрос состоит в том, насколько сильно можно нагреть воздух и чем вообще ограничена эта предельно допустимая температура? Основным ограничением температуры нагрева воздуха в конструкции воздушного шара является допустимая температура нагрева элементов этой конструкции. К примеру, если в качестве оболочки воздушного шара использовать папиросную бумагу, то придется учитывать ее легковоспламеняемость и температура нагрева воздуха в такой оболочке будет ограничена. Если же необходимо создать воздушный шар больших размеров для перемещения тяжелых грузов, следует использовать прочные, негорючие материалы со специальной пропиткой, препятствующей воспламенению и утечке воздуха.
Итак, приступим к расчету подъемной силы воздушного шара. В этом расчете мы учтем такие факторы, как плотность воздуха при разных температурах и конечно же объем воздушного шара.
Как же рассчитать подъемную силу воздушного шара?
Для расчета силы тяжести (Fт) и подъемной силы (силы Архимеда, Fа) используем формулу:
F = ρ * g * V,
где ρ – плотность воздуха при разной температуре, данные значения табличные,
g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения на поверхности Земли,
V – объем воздушного шара.
Мой воздушный шар имеет объем 120 литров или 0,12 м3. Для выполнения расчетов подъемной силы воздушного шара примем усредненные среднестатистические значения плотности воздуха при температуре 60 °С 1,040 кг/м3, а при температуре -20 °С - 1,395 кг/м3 (это табличные значения). Рассчитаем подъемную силу нашего воздушного шара при температуре окружающего воздуха -20 °С:
Fа = 1,395 кг/м3 * 9,81 м/с2 * 0,12 м3 = 1,64 Н
Далее рассчитаем силу тяжести. Здесь берем плотность нагретого воздуха до температуры 60 °С. До такой температуры предположительно может нагреться воздух внутри воздушного шара. Определяем силу тяжести нагретого воздуха внутри шара:
Fт = 1,040 кг/м3 * 9,81 м/с2 * 0,12 м3 = 1,22 Н
К полученной силе тяжести нам необходимо прибавить также вес нашего воздушного шара. Он вычисляется по формуле:
Р = m * g,
где Р – вес воздушного шара,
m – масса воздушного шара,
g – ускорение свободного падения.
Замеренная на точных весах величина m моей модели воздушного шара равна 0,024 кг.
Р = 0,024 кг * 9,81 м/с2 = 0,24 H
Таким образом сила тяжести моего воздушного шара с нагретым воздухом внутри равна 1,22 Н + 0,24 Н = 1,46 Н
Fa (1,64 Н) > Fт (1,46 Н), таким образом мой воздушный шар при температуре воздуха окружающей среды -20 °С и температуре воздуха внутри шара 60 °С взлетит.
2.2 Изготовление воздушного шара в домашних условиях
Я склеила простейший шар - монгольфьер, который имеет цилиндрическую форму, напоминающую опрокинутое вверх дном ведро. Снабжённый простейшим подогревателем, необычный монгольфьер быстро набирает высоту. Этот вариант воздушного шара можно легко изготовить своими руками из доступных материалов в домашних условиях.
Необходимые материалы и инструменты:
-мешки для мусора емкостью 60 литров (2 мешка);
-пластиковые трубочки 8 штук;
-бинт;
-спички;
-скотч;
-тонкая проволока (2 отрезка примерно по 0,5 м);
-алюминиевая подставка от свечи;
-парафиновая свеча;
-игла;
-ножницы.
1 этап. Сборка купола и каркаса
О трезаем у одного из мешков спаянный низ, соединяем мешки с помощью скотча. В итоге получается купол объемом 120 литров. У четырех трубочек отрезаем сгибающуюся часть. Соединяем трубочки друг с другом, собираем квадратный каркас купола.
2 этап. Фиксация купола к каркасу
Загибаем край купола на каркасе и фиксируем с помощью скотча.
3 этап. Изготовление каркаса для подогревателя и его фиксация на каркасе купола
При помощи иголки делаем четыре отверстия в боковой стенке алюминиевой подставки для свечи, продеваем в два соседних отверстия тонкую проволоку, закручиваем концы, аналогично вставляем еще одну проволоку с другой стороны и закручиваем. Прикрепляем подставку для подогревателя к каждому углу каркаса купола, подставка должна находиться по центру. Обрезаем лишние концы проволоки.
4 этап. Изготовление и фиксация подогревателя
О трезаем кусок бинта примерно 15 см., сгибаем пополам и накручиваем на спичку и получаем заготовку в виде цилиндра. Растапливаем в ложке парафин над пламенем свечи, пропитываем заготовку парафином. Подогреватель готов. Наносим несколько капель парафина на дно подставки, прикрепляем подогреватель, ждем несколько минут, чтобы подогреватель зафиксировался. Можно запускать модель воздушного шара.
5 этап: Запуск
З апуск надо проводить на открытой местности в безветренную погоду, вдали от лесов, жилых поселений, ЛЭП, АЗС. Расправляем купол, поджигаем подогреватель, дожидаемся пока теплый воздух полностью наполнит купол, плавно отпускаем модель в полет.
Запуск воздушного шара осуществлялся в безветренную погоду при температуре воздуха -20 °С. Высота полета контролировалась нитью, зафиксированной к каркасу воздушного шара. Время подогрева воздуха внутри купола составило 1 минуту, после чего шар начал плавно подниматься вверх. Шар был в полете 6 минут на высоте 8-9 метров. Через 6 минут подогреватель погас, и шар опустился на землю.
Вывод: В ходе работы я сделала действующую модель воздушного шара, испытала ее в полете, рассчитала подъёмную силу и проверила результат опытом.
Заключение
Воздушный шар, на первый взгляд, является простейшим изобретением человеческой мысли. Но, сколько познавательного и интересного кроется в этом изобретении! В своем исследовании я рассмотрела историю появления в оздушного шара, физические законы, объясняющие полет воздушного шара, создала модель воздушного шара и осуществила запуск. Мои теоретические расчеты подтвердились и шар полетел. Я подтвердила гипотезу и доказала, что полет воздушного шара осуществляется за счет подъемной силы, которая должна быть больше, чем сила притяжения.
Я испытала огромную радость, когда моя модель воздушного шара уверенно устремилась вверх.
Цель, которую я поставила в исследовании, достигнута, задачи выполнены. Механизм полета воздушного шара перестал быть для меня загадкой.
Список используемых ресурсов
-
Электронная энциклопедия «Кирилла и Мефодия», 2007.
-
Форд Лили. Подняться в небо. История полетов: от воздушных шаров до сверхзвуковых самолетов. М: Paulsen, 2022.
-
Верн Жюль. Пять недель на воздушном шаре. М: Нигма, 2016.
-
Прошина Е.В. Самолеты, воздушные змеи и шары своими руками. М: Рипол-Классик, 2017.
-
Интернет ресурсы:
https://works.doklad.ru/view/yFI2YN8PjH4.html
https://kopilkaurokov.ru/fizika/prochee/issledovatelskaia_rabota_vozdushnyi_shar_istoriia_dinamika_realnost
https://videouroki.net/razrabotki/issledovatelskaya-rabota-po-fizike-izuchenie-razvitiya-vozdukhoplavaniya-i-raschet-podemnoy-sily-vozdushnogo-detskogo-sharika.html
https://infourok.ru/issledovatelskiy-proekt-po-fizike-polet-vozdushnogo-shara-v-bitovih-usloviyah-1406150.html
http://www.physissledovanie.narod.ru/gost.htm
http://aviamodeling.ru/vozdushnie-shari-i-aerostati/zapusk-vozdushnogo-shara-svoimi-rukami.html
http://rifmovnik.ru/lib/2/book20_2.htm
http://aerostat4all.narod.ru/pattern.html
http://class-fizika.narod.ru/mm9.htm
Источник: https://www.shkolazhizni.ru/culture/articles/19731/