Полеты на воздушных шариках

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

Полеты на воздушных шариках

Жорова Е.Д. 1
1МАОУ "Гимназия №6" города Перми
Тимофеева Т.Б. 1
1МАОУ Гимназия №6 города Перми
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Все дети, да и большинство взрослых, любят смотреть мультфильмы, когда перед нами на экране разворачивается сказочное и волшебное действие, которое отсылает нас в мир фантазии, где возможно все!

А задумывались ли Вы, что произойдет, если отбросить волшебство и попытаться перенести мультипликационные сюжеты в нашу реальную жизнь? Мы решили попробовать. В качестве мультипликационного прототипа нами был выбран мультфильм «Вверх», в основу сюжета которого положено путешествие героя Карла Фредриксена в собственном доме, который летел по воздуху благодаря привязанным к нему воздушным шарикам.

В нашем исследовании мы задались вопросом — можно ли провести данный полет в реальности и поднять наш дом?

Цель работы — экспериментальная проверка анимационной гипотезы о летающем доме

Задачи работы:

изучить особенности полетов при помощи различных средств воздухоплавания

изучить особенности грузоподъемной силы и продолжительности полетов воздушных шариков в зависимости от наполнения их различными газами

рассчитать количество воздушных шаров, необходимых для подъема в воздух целого дома, продолжительность полета и возможные его направления

смоделировать мультипликационную гипотезу о полете дома на воздушных шариках

Объект исследования — воздушные шары (шарики)

Предмет исследования — подъемная сила воздушных шаров (шариков) в зависимости от наполняющего их газа

Гипотеза исследования — сюжет мультфильма «Вверх» невозможно воспроизвести в реальном мире

Проверка нашей гипотезы осуществлялась в 4 направлениях:

Изучение грузоподъемности воздушных шариков в зависимости от наполняющего их газа. Расчет необходимого количества воздушных шариков для подъема дома.

Изучение продолжительности полета воздушных шариков максимальной грузоподъемности. Расчет предельно возможного расстояния для преодоления домом при помощи воздушных шаров

Изучение времени наполнения воздушных шаров газом. Расчет необходимых условий для наполнения нужного для подъема дома количества воздушных шаров

Изучение ценового диапазона летающих воздушных шаров. Расчет стоимости и целесообразности полета дома на воздушных шарах.

Глава 1. Теоретические обоснования

воздухоплавания при помощи воздушных шариков

1.1. Особенности газов

и их возможностей для полетов воздушных шариков

Итак, какие газы используются для наполнения воздушных шаров?

Самый первый и самый простой – горячий атмосферный воздух. Далее начали использовать водород, гелий и ряд других менее популярных газов, например, даже водяной пар.

Способ определения того, какие газы легче или тяжелее воздуха, заключается в сравнении их молярной массы с молярной массой воздуха. Можно легко вычислить молярную массу M любых веществ, например, углеводородов, если известна их химическая формула. Для этого требуется рассчитать сумму относительных атомных масс образующих его элементов. Значения относительных атомных масс приведены в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева.

Удивительно, но существует лишь 12 газов, которые легче воздуха (Рюмин В.В., 2012):

Газ

Формула

Молярная масса

Относительный вес (воздух=1)

Водород

H2

2

0.069

Гелий

He

4

0.139

Метан

CH4

16

0.560

Аммиак

NH3

17

0.589

Фтористый водород

HF

20

0.694

Неон

Ne

20

0.694

Ацетилен

C2H2

26

0.902

Диборан

B2H6

27

0.936

Синильная кислота*

HCN

27

0.936

Угарный газ

CO

28

0.971

Азот

N2

28

0.971

Этилен

C2H4

28

0.971

Воздушный шарик поднимается вверх в том случае, если он наполнен газом, который легче воздуха. При этом масса самого воздушного шара также не должна быть выше определенных значений. Разница между массой вытесняемого воздушным шаром воздуха и заполняющего воздушный шар воздуха должна превышать массу оболочки этого самого шарика. Такая разница соответствует подъемной силе воздушного шара. По этому значению определяют массу груза, который сможет поднять воздушный шар.

Парить под потолком может шарик, наполненный водородом или гелием (из таблицы видно, что у них минимальный вес относительно воздуха). Именно водородом впервые стали заполнять праздничные шарики. Заполненные водородом, они прекрасно летают, устремляясь ввысь. Но сегодня водород не используется для этих целей. Большой минус его кроется во взрывоопасности. Не только открытое пламя - даже тлеющий окурок может спровоцировать взрыв.Лучшим на сегодняшний день наполнителем воздушных шаров является гелий. Из-за того, что этот газ по весу более легкий, чем воздух, шары прекрасно летают.

Гелий совершенно безопасен для здоровья людей и животных. Он не токсичный, бесцветный и не имеет запаха. Но атомы в его хаотичной структуре очень малы, поэтому заполнять гелием можно только те шары, чья поверхность не имеет крупных пор. Или использовать специальный раствор для обработки шаров изнутри (в жидком виде он обволакивает всю внутреннюю поверхность шарика, а застывая образует на ней плотную корочку).

В отличие от водорода, гелий инертен. Если рядом с человеком или домашним питомцем в помещении лопнет гелиевый шарик, то на здоровье это никак не отразится. Вот почему такие шары являются лучшей игрушкой для ребенка. Они интересны и абсолютно безопасны. Качественный латекс и газ не несут никакого вреда.

И
нтересно отметить, что подъемная сила различается в зависимости от температуры наружного воздуха (Григорьев И.Н., 2013).

Из таблицы видно, что при определенной температуре даже водяные пары могут летать и поднимать небольшие грузы.

1.2. Постановка гипотезы и проблемы исследования

На основании проведенного теоретического анализа нами были сделаны следующие выводы:

Человечество придумало много приспособлений для перемещения по воздуху, одно из них - воздушный шарик

Для наполнения воздушного шарика больше всего подходит гелий с предварительной обработкой резинового шарика специальным раствором. Критерии — безопасность, доступность, высокая подъемная сила и максимальная длительность полета

Осуществлено довольно много успешных попыток перемещения человека по воздуху при помощи воздушных шаров

На основании полученных выводов мы пришли к заключению, что несмотря на успешные попытки реализации полетов человека при помощи воздушных шаров, не осуществлялось попыток проверить гипотезу о возможности перемещения по воздуху целого дома.

На основании этого нами были выдвинуты:

Цель работы — экспериментальная проверка анимационной гипотезы о летающем доме

Задачи практической работы:

изучить особенности грузоподъемной силы и продолжительности полетов воздушных шариков в зависимости от наполнения их различными газами

рассчитать количество воздушных шаров, необходимых для подъема в воздух целого дома, продолжительность полета и возможные его направления

смоделировать мультипликационную гипотезу о полете дома на воздушных шариках

В качестве объекта исследования выступают воздушные шарики, предмета исследования — подъемная сила воздушных шариков в зависимости от наполняющего их газа

Гипотеза исследования — сюжет мультфильма «Вверх» возможно воспроизвести в реальном мире

Проверка нашей гипотезы осуществлялась в 4 направлениях:

1. Изучение грузоподъемности воздушных шариков в зависимости от наполняющего их газа. Расчет необходимого количества воздушных шариков для подъема дома.

2. Изучение продолжительности полета воздушных шариков максимальной грузоподъемности. Расчет предельно возможного расстояния для преодоления домом при помощи воздушных шаров

3. Изучение времени наполнения воздушных шаров газом. Расчет необходимых условий для наполнения нужного для подъема дома количества воздушных шаров

4. Изучение ценового диапазона летающих воздушных шаров. Расчет стоимости и целесообразности полета дома на воздушных шарах.

Глава 2. Результаты исследования и их обсуждение

2.1. Изучение грузоподъемности воздушных шариков в зависимости от наполняющего их газа.

Расчет необходимого количества воздушных шариков

для подъема дома.

Чтобы шары летали их наполняют газами, которые легче воздуха. К ним относятся горячий воздух, гелий, углекислый газ, водород и ряд других (теоретическое обоснование приведено в разделе 1.1. Особенности газов и их возможностей для полетов воздушных шариков).

2.1.1. Наполнение шарика различными газами в домашних условиях

Если с наполнением шарика гелием все понятно — наполняется из специальных баллонов, содержащих сжатый гелий, то с другими газами сложнее.

Опыт 1. Наполнение воздушного шарика теплым воздухом

Материалы:

воздушный шарик

фен

Для проведения данного опыта необходимо наполнить воздушный шарик струей максимально горячего воздуха, подающегося из фена.

Опыт 2. Наполнение воздушного шарика углекислым газом

В данном случае мы должны получить химическую реакцию при соединении кислоты и гидрокарбоната натрия. Так выделяется углекислый газ, который вместо гелия помогает шарику летать.

Материалы:

сода

уксус

воздушный шар

воронка

пластиковая бутылка (0,5л)

Ход эксперимента:

Важно соблюсти правильные пропорции — от этого зависит конечный результат.

В пластиковую бутылку необходимо налить 100 мл уксуса. Вставляем воронку в горлышко, всыпаем туда 1 столовую ложку соды.

Реакция только началась. В это время надеваем на горло бутылки резиновое изделие. Под действием углекислого газа и выделения тепла наш шарик начинает раздуваться.

Не пропустите момент, когда его надо снять с бутылки и перевязать ниткой. Попробуйте запустить вверх — он способен летать под потолком!

Опыт 3. Наполнение воздушного шарика водородом

Газом, который также легче воздуха является водород. Чтобы наполнить им воздушный шарик нужно вновь прибегнуть к химическому опыту.

Материалы:

Гидрокарбонат натрия

проволока

горячая вода

воздушный шарик

Ход опыта:

1. В стеклянную бутылку высыпать 5 столовых ложек с горкой гидрокарбоната натрия.

2. Положить туда же медную стружку или кусочки проволоки и комочки алюминиевой фольги от шоколадки.

3. Доливаем горячей воды, быстро надеваем шар на горлышко, реакция происходит мгновенно, и она небезопасна.

Более безопасный вариант — налить теплую(!) воду в сам шарик, надеть на бутыль, перевернуть, чтобы вылилась вода и начался химический процесс. Изделие наполнится водородом и полетит.

2.1.2. Изучение грузоподъемной силы шариков,

наполненных различными газами

При изучении грузоподъемной силы воздушного шара следует учитывать, что подъёмная сила шара снижается:

при понижении температуры

при запуске уже на высоте, гораздо выше поверхности Земли

при недостаточной надутости;

при увеличении влажности более 80%;

при обработке для длительного полета;

при использовании металлизированных видов шариков, а также шаров с утолщенной стенкой

Поэтому все опыты мы проводили при температуре 22-23 градуса Цельсия и относительной влажности воздуха 50% с латексными шарами одинаковой степени надутости диаметра 12 дюймов или 30 сантиметров.

Для изучения грузоподъемной силы шариков, наполненных различными газами, мы привязывали к шарику грузики различной массы. В качестве грузиков выступали монетки достоинством 1 рубль, 2 рубля, 5 рублей, 10 рублей. В качестве дополнительных грузиков выступали листочки бумаги (их удобно прикреплять и удобно «подрезать» до необходимой нам массы).

Опытным путем было установлено, что шарик, наполненный гелием, поднимает вверх груз массой 12 грамм. При этом интересно отметить, что при взаимодействии шариков наблюдается синергетический эффект, то есть два шарика в связке могут поднять не 24 грамма, а сразу 28!

Для облегчения веса самого шарика мы отрезали входное отверстие шарика и заменили латексную веревочку на обычную нитку. Грузоподъемность такого модифицированного шарика составила уже 14 грамм.

Также опытным путем было установлено, что шарик, наполненный углекислым газом едва поднимается в воздух, шарик, наполненный горячим воздухом, может поднять только самого себя без дополнительного груза, а шарик, наполненный водородом, поднимает груз весом в 13 грамм.

Объединим полученные нами данные в таблицу:

Подъемная сила шариков, наполненных разными газами

Газ, наполняющий шарик

Подъемная сила, грамм

Гелий (шарик без обработки)

12

Гелий (шарик без обработки, без входного отверстия и с тонкой ниткой)

14

Гелий (шарик с обработкой)

12

Гелий (шарик с обработкой, но без входного отверстия и с тонкой ниткой)

14

Горячий воздух

0

Водород

13

Углекислый газ

0

Из таблицы видно, что наибольшей грузоподъемностью обладают шарики, наполненные гелием без входного отверстия, привязанные тонкой ниточкой. Однако тонкая нитка не выдержит большой поднимаемый вес и быстро порвется, а отрезание входных отверстий требует достаточной аккуратности (чтобы не повредить шарик) и, следовательно, довольно больших временных затрат. Следующими идут шарики, наполненные водородом. Но это весьма взрывоопасный газ, поэтому его мы тоже не рассматриваем в расчетах. Следовательно, дальнейшие расчеты мы будем проводить для целых шариков, наполненных гелием с предварительной обработкой.

2.1.3. Расчет необходимого количества воздушных шариков для подъема дома

Для того, чтобы рассчитать необходимое количество шариков нужно рассчитать массу дома. Существуют специальные формулы расчёта массы дома, использующиеся при строительстве (для расчета необходимых параметров фундамента и правильного прогноза относительно устойчивости дома в зависимости от типа почвы, на которой он будет построен). В интернете даже представлен онлайн калькулятор расчета массы дома:

Таким образом общая масса дома с мебелью составит: около 450 тонн

Экспериментальным путем мы вычислили, что один воздушный шарик может поднять в воздух массу в 12 грамм. Для вычисления необходимого для подъема дома количество шариков нужно разделить массу дома на подъемную массу одного шарика:

450 тонн : 12 грамм = 450 000 000 грамм : 12 грамм = 37 500 000 (шаров)

Вывод: для того чтобы поднять в воздух типовой двухэтажный частный дом потребуется 37,5 миллионов воздушных шариков 12 диаметра, наполненных гелием, с предварительной обработкой.

2.1.4. Расчет объема необходимых для поднятия дома шариков

Если объём одного шара составляет примерно 0.0135 кубических метра, то объём всех шаров, необходимых для подъема дома составит:

37 500 000 шаров * 0,0135 кубических метра = 506 250 кубических метров

Чтобы наглядно представить этот объем сравним его с объемами аэростатов и других домов. Объем среднего аэростата составляет 2800 кубических метров. Таким образом, необходимый объём шариков будет соответствовать 180 аэростатам, наполненных гелием.

Однако, при расчёте количества аэростатов, необходимых для подъёма дома в реальных условиях, необходимо учесть, что аэростаты надуваются горячим воздухом, подъёмная сила которого в 10 раз меньше подъёмной силы гелия (Таланов А.В., 2002). Таким образом, с учётом поправки на подъёмную силу, для подъёма дома аэростатами потребуется:

180 аэростатов * 10 = 1800 аэростатов.

Если можно было бы надуть 1 огромный шар с гелием, вместо стандартных шариков, то диаметр такого шара составил бы 99 метров.

Вывод: для реализации своего плана главному герою мультфильма бы потребовалось около двух кварталов свободного пространства за домом, чтобы спрятать все шарики до прихода работников социальной службы.

2.2. Изучение продолжительности полета

воздушных шариков максимальной грузоподъемности.

Расчет предельно возможного расстояния для преодоления домом при помощи воздушных шариков

2.2.1. Изучение продолжительности полета

воздушных шариков максимальной грузоподъемности.

Для изучения продолжительности работы подъемной силы воздушных шаров мы провели эксперимент: замеряли грузоподъемность наполненных разными газами шариков каждый день по полного снижения их грузоподъемной силы.

Объединим полученные нами данные в таблицу:

Длительность сохранения подъемной силы шариков,

наполненных разными газами

Газ, наполняющий шарик

Длительность сохранения подъемной силы (время, в течение которого шарик сохраняет подъемную силу)

Гелий (шарик без обработки)

2 дня

Гелий (шарик без обработки, без входного отверстия и с тонкой ниткой)

3 дня

Гелий (шарик с обработкой)

12 дней

Гелий (шарик с обработкой, но без входного отверстия и с тонкой ниткой)

17 дней

Горячий воздух

5 минут

Водород

3 дня

Углекислый газ

меньше 1 минуты

Из таблицы видно, что наибольшей длительностью сохранения грузоподъемной силы обладают шарики, наполненные гелием без входного отверстия, привязанные тонкой ниточкой. Однако все по тем же причинам (тонкая нитка не выдержит большой поднимаемый вес и быстро порвется, а отрезание входных отверстий требует достаточной аккуратности и, следовательно, довольно больших временных затрат) дальнейшие расчеты мы будем проводить для целых шариков, наполненных гелием с предварительной обработкой.

2.2.2. Расчет предельно возможного расстояния

для преодоления домом при помощи воздушных шариков

Передвигаться по воздуху при помощи воздушных шаров можно только благодаря движению воздуха, то есть ветру.

Расстояние, которое хотел преодолеть герой мультфильма «Вверх» Карл Фредриксен, от Нью-Йорка до Каракаса составляет 2 132 мили или 3 411,2 километра. Максимальное время, за которое летящий на воздушных шариках дом мог бы преодолеть это расстояние, определяется максимальным временем сохранения грузоподъемной силы шариками. Так как мы рассматриваем целые шарики, наполненные гелием с предварительной обработкой диаметра 12 дюймов или 30 сантиметров, это время — 12 дней.

Необходимая скорость ветра при этом должна была бы быть:

3 411,2 километров : 12 дней = 3 411,2 километров : 288 часов =

= 11,8 километра в час (при условии, что ветер будет дуть все время с одинаковой скоростью и точно в нужном нам направлении).

При изучении архива метеорологических данных (Сайт world-weather.ru) нами было установлено, что наиболее распространенная роза ветров в Нью-Йорке состоит из северо-восточных и северо-западных ветров, то есть соответствует необходимому нам направлению. Средняя скорость ветра, зафиксированная в нужном нам районе за последние 50 лет составляет от 3,5 до 4,8 километров в час в зависимости от времени года.

Посчитаем возможное расстояние полета исходя из среднего значения силы ветра:

288 часов х 4,11 километров в час = 1 183,68 километров

Кроме всего вышеперечисленного следует учитывать тот, факт, что изменение атмосферных условий негативно сказывается на состоянии воздушных шаров и может привести к тому, что они просто-напросто начнут взрываться значительно раньше истечения срока действия их грузоподъемной силы.

Так, к факторам разрушительного воздействия на оболочку воздушного шарика относятся:

- на большой высоте (выше 4 км) значительно снижается атмосферное давление, и под давлением гелия внутри, шарики раздуются, в результате чего на определённой высоте оболочка не выдержит и лопнет.  

- ультрафиолетовые солнечные лучи разрушающе влияют на гелиевые шары, из-за них шарики быстро выгорают, меньше летают и быстрее лопаются

- растянутые стенки шариков быстро повреждаются твердыми частицами, находящимися в движущемся воздухе (пыльный воздух). Воздушные потоки (ветер) заставляют шары тереться друг о друга стенками, на которые прилипает пыль. Тонкие стенки шаров быстро получают микроповреждения, через которые гелий быстро покидает шар. В итоге - шары либо просто лопаются, либо быстро сдуваются.

Экспериментально проверить воздействие данных факторов не представляется возможным, поэтому примем за допущение, что дом летел на небольшой высоте (до 4 километров) в чистом воздухе с минимальным трением шаров друг о друга.

Вывод: при благоприятном направлении ветра реальный дом мог бы пролететь в нужном направлении, но лишь треть пути.

2.3. Изучение времени наполнения воздушных шаров газом.

Расчет необходимых условий для наполнения нужного для подъема дома количества воздушных шаров

Для расчета времени наполнения воздушных шаров мы провели наблюдение за продавцами гелиевых воздушных шариков, замерили время, которое они тратят на наполнение одного шарика.
Вышло в среднем около 30 секунд.

Таким образом, для наполнения 37 500 000 шариков понадобится:

37 500 000 шаров×30 секунд = 1 125 000 000 секунд (или 35,6 лет) одному человеку

или 8 часов (за ночь, как было показано в мультфильме) 39 тысячам человек без перерывов на отдых.

Вывод: для заполнения шариков, необходимых для подъема дома за ночь, главному герою понадобилась бы помощь 39 тысяч соседей.

2.4. Изучение ценового диапазона летающих воздушных шаров.

Расчет стоимости и целесообразности полета дома на воздушных шарах.

Для изучения ценового диапазона летающих воздушных шаров с обработкой нами был проведен анализ предложений различных компаний, предоставляющих свои услуги в городе Пермь. Для анализа использовались прайсы, размещенные на официальных сайтах компаний.

По итогам анализа было выяснено, что цена на один воздушный шарик, наполненный гелием, с предварительной обработкой 12 диаметра колеблется в диапазоне от 30 до 50 рублей. Так как объем заказа предполагается довольно большой, нами изучались оптовые цены. Для расчета возьмем среднюю цену — 40 рублей за 1 шарик. Минимальную цену в данном случае брать не целесообразно, так как в одной фирме, вероятнее всего, нужного нам количества шаров просто не найдется.

Для расчета общей стоимости шаров нам необходимо умножить нужное количество шариков на стоимость одного шара:

37 500 000 шаров × 40 рублей = 1 500 000 000 рублей

Герой мультфильма собирался долететь из Нью-Йорка до Райского водопада (прототип - водопад Анхель) в Южной Америке. Стоимость авиаперелета Нью-Йорк — Каракас (Венесуэла) с пересадкой в Панаме авиакомпанией America Airlines (Copa Airlines) составляет около 25 000 рублей.

Вывод: потраченных на воздушные шары денег герою мультфильма вполне хватило бы не только на осуществление своей мечты - на перелет на самолете к Райскому водопаду - но и на покупку нового дома в том районе и на безбедную старость в нем.

2.5. Моделирование полета дома на воздушных шарах

Рассчитав все необходимые параметры для полета на воздушных шарах реального дома, мы решили смоделировать ситуацию, применив все использованные нами формулы к игрушечной модели настоящего дома.

Вес данного игрушечного дома составляет 454 грамма, что в 1 миллион раз меньше настоящего дома, вес которого составляет 450 тонн (расчеты приведены в параграфе 2.1.3) То есть в нашем исследовании мы используем модель дома, уменьшенную в масштабе 1 : 1 000 000.

Рассчитаем количество воздушных шаров, необходимых для подъема в воздух данной модели дома: 450 грамм : 12 грамм = 37,5 шаров.

Проверим получившуюся цифру экспериментально. Наш домик взлетел!

Вывод: полученные нами теоретически расчеты получили свое подтверждение на практике.

Выводы

В результате теоретического анализа и эмпирической проверки выдвинутая нами вначале исследования гипотеза получила эмпирическое подтверждение: мультипликационный сюжет о летающем доме невозможно воспроизвести в реальном мире, потому что, даже при всех сделанных нами допущениях:

1. для того чтобы поднять в воздух типовой двухэтажный частный дом потребуется 37,5 миллионов воздушных шариков 12 диаметра, наполненных гелием, с предварительной обработкой

2. для реализации своего плана главному герою мультфильма бы потребовалось около двух кварталов свободного пространства за домом, чтобы спрятать все шарики до прихода работников социальной службы

3. при благоприятном направлении ветра реальный дом мог бы пролететь в нужном направлении, но лишь треть необходимого пути

4. для заполнения шариков необходимых для подъема дома за одну ночь главному героя понадобилась бы помощь 39 тысяч соседей

5. потраченных на воздушные шары денег герою мультфильма вполне хватило бы не только на осуществление своей мечты - на перелет на самолете к Райскому водопаду - но и на покупку нового дома в том районе и на безбедную старость в нем.

Использованная литература

Авиация и воздухоплавание. Серия: Я познаю мир. М.: АСТ, 2004

Былиев Н. Воздухоплавание. М.: Арт-Волхонка, 2017

Григорьев И.Н. Использование метана (природного газа) в моделях аэростатов // Электронный журнал "Химия и химики" (http://chemistry-chemists.com), 2013 г, №3

Дузь П. История воздухоплавания в России. М.: Машиностроение, 2009

Информационный портал https://www.kp.ru/daily/23412/34472/

Проект FullHouse, 2018, https://full-houses.ru/skolko-vesit-dom/

Прошина Е.В. Самолеты, воздушные змеи и воздушные шары своими руками. М.: Литрес, 2013

Рюмин В.В. Занимательная химия. М: Центрполиграф, 2012

Сайт Риа Новости // https://ria.ru/tv_incredibleworld/20130913/962915019.html

Таланов А.В. Все о воздушных шарах, М.: АСТ, 2002 г, 271с

https://world-weather.ru/archive/usa/new_york/

Просмотров работы: 547