ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛЕТА ДИРИЖАБЛЯ (или ПРАКТИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕС К СЕРЬЕЗНЫМ ОТКРЫТИЯМ)

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

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛЕТА ДИРИЖАБЛЯ (или ПРАКТИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕС К СЕРЬЕЗНЫМ ОТКРЫТИЯМ)

Помазкова Д.В. 1
1МБОУ "Лицей № 36" г. Калуги
Помазков В.В. 1
1МБОУ "СОШ № 17" г. Калуги
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Этим летом мы с семьёй отдыхали в Италии. Там мы видели большие красочные воздушные шары, на которых летали люди. Однако, это меня не удивляло, потому что и над Калугой иногда летают воздушные шары, да и в детстве мне часто покупали воздушные шарики, которые «рвались» ввысь. Хотя вопрос, как летают воздушные шары, как регулируется высота, и, самое главное, как с помощью воздушного шара можно попасть из одного города в другой, меня начал интересовать еще в Калуге. Вскоре после увиденных мною парящих воздушных шаров я увидела в Венеции модель, которая меня заинтересовала (Приложение1, рис. 1). Продавец ответила мне, что это дирижабль, однако папа сказал, что это очень условная модель, и что дирижабли на самом деле должны быть другими. Вот тогда-то я впервые и заинтересовалась дирижаблями. Особенно, когда родители мне объяснили, что дирижабли были нескольких типов: у одних, оболочка была изготовлена из ткани, а у других – из гофрированного металла. Причем, вопросами изучения дирижаблей занимался наш великий земляк К.Э.Циолковский. Конечно, после того, как мы вернулись в Калугу, я сразу же пошла с родителями в его музей, и тогда уже более осознанно попыталась понять и историю дирижаблей, и физику их полетов (Приложение 1, рис. 2). И позже я еще раз сходила в Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского (Приложение 1, рис. 3). И вот я заинтересовалась историей создания дирижаблей и почему они летают.

Цель: изучить историю дирижаблестроения и понять принципы их движения в воздухе.

Гипотеза: условия и принципы полета дирижабля в воздухе аналогичны плавающему в воде флакону с шампунем.

Задачи:

1. Изучить историю дирижаблей и выявить интересные факты.

2. Рассмотреть действие силы Архимеды на тела, погруженные в жидкость или газ.

3. Провести сравнительный анализ между дирижаблем и воздушным шаром.

4. Рассмотреть причины изменения вертикального положения дирижабля

5. Рассмотреть причины изменения вертикального положения флакона с шампунем.

6. Провести анализ различий между дирижаблем и флаконом с шампунем.

Объект исследования:техническая модель дирижабля.

Предмет исследования:условия успешногополета дирижабля.

Методы исследования:

- работа с первоисточниками: изучение и отбор информации из литературы и сети Интернет по теме работы;

- методы моделирования, сравнения, качественный анализ и обобщение;

- экспериментальный метод и интерпретация данных.

Актуальность работы: интерес к полетам дирижаблей в настоящее время сложно переоценить, в связи с тем, что дирижаблестроение претерпевает «второе» дыхание. Однако, в отличие от дирижаблей прошлых столетий, используемых в основном в военных и исследовательских целях, современное дирижаблестроение носит скорее развлекательный характер, повышающий настроение человека и его эмоциональный настрой. Тем не менее, вопросы исследования полетов дирижаблей в настоящее время сложно переоценить.

1.1. Интересные факты из истории дирижаблей

История дирижаблей насчитывает более чем двухсотлетнюю историю. Благодаря французскому глаголу со значением «управлять» в русском языке появились как минимум два слова. Одним из них – словом дирижер – называют человека, управляющего группой музыкантов. Вторым словом называют управляемый аэростат - дирижабль.

По определению, дирижаблем называют летательный аппарат легче воздуха, аэростат с двигателем. Двигатель и позволяет дирижаблю двигаться независимо от направления воздушных потоков.

Изобретателем дирижабля считается Жан Батист Мари Шарль Мёнье. Дирижабль Мёнье должен был быть сделан в форме эллипсоида (Приложение 2). Управляемость должна была быть осуществлена с помощью трех пропеллеров. Французский инженер Анри Жиффар сконструировал первый в мире дирижабль и в сентябре 1852 года поднялся на нем над Парижским ипподромом и пролетел примерно 30 километров со средней скоростью 10 километров в час. Вот от этого полета и отсчитывают эру моторной авиации и эру дирижаблей.

Развитие дирижаблей шло по трем конструктивным направлениям: мягкие, полужесткие, жесткие.

- Мягкие дирижабли, по сути, похожи на воздушные шары.                                         

- Дирижабли полужёсткого типа имеют в нижней части металлическую оболочку.

- Жёсткие дирижабли. Собирался металлический каркас (как клетка для птиц) и обтягивался снаружи тканью. 

Эра расцвета дирижаблей пришлась на 20-30-е годы ХХ века. В эти годы в центре внимания всего мира были арктические исследования. Ледоколы штурмовали арктические льды.

Великий К. Э. Циолковский критиковал мягкие дирижабли не голословно (невозможность держать высоту, высокая вероятность пожаров, плохая горизонтальная управляемость), еще в 80-х годах XIX века он рассчитал и предложил проект большого грузового дирижабля жесткой конструкции с металлической обшивкой.

К. Э. Циолковский внимательно следил за развитием мировой науки. Ежедневно (а то и по два раза в день) почтальон приносил в двухэтажный домик на улицу Брута (так тогда называлась улица, носящая теперь имя Циолковского) увесистую сумку с письмами и научными журналами, среди которых были и присланные из-за рубежа.

Конструкция всех дирижаблей проста: огромный сигарообразный резервуар, наполненный водородом или гелием, кабина и два поворотных двигателя. Для подъема аэростата в небо использовали водород, хранившийся внутри жёсткого каркаса в многочисленных отсеках или баллонах.

Придуманное в России осуществили в Германии. В начале XX в. благодаря поддержке немецкого чиновника Фердинанда фон Цеппелина началась эпоха расцвета гигантских дирижаблей. На собственные средства граф Цеппелин выстроил жесткий дирижабль и самолично испытал его (Приложение 2).

  Наиболее мощными воздухоплавательными державами были Россия, имевшая в Петербурге более двух десятков аппаратов, и Германия, обладавшая 18 дирижаблями. 

В СССР первый дирижабль построили в 1923 году (Приложение 2). Значение дирижаблей в то время уделялось очень много времени, достаточно отметить, что некоторое время даже г. Долгопрудный назывался Дирижаблестроем. Несмотря на то что дирижабли действительно были созданы советскими учеными в Ленинграде и после переданы Дирижаблестрою, полностью справиться с задачей, обойдясь только советскими работниками, предприятие не смогло. Так, в 1933 году для разработки дирижабля полужесткого типа в СССР был приглашен итальянский специалист Умберто Нобиле. Нобиле справился, и полужесткий советский дирижабль «СССР В-5» создал. Потом создали «СССР В-6», и он даже установил мировой рекорд продолжительности полета. Но после ряда аварий перед началом войны — в 1933 году — было принято решение «законсервировать» Дирижаблестрой, что и было сделано. Газета «Труд» не забывает упомянуть имя, известное практически всем: ведутся «опытные работы по постройке цельнометаллического дирижабля по проектам виднейшего ученого и изобретателя нашего Союза К. Циолковского».

Интерес к дирижаблям не угасал в течение всего ХХ века, особенно когда начались различные энергетические кризисы. В конце ХХ – начале XXI века интерес к дирижаблям вновь усилился вследствие резкого подорожания моторного топлива и их очевидных преимуществ перед авиацией. Чем же так привлекает дирижабль?

При использовании гелия он намного безопаснее самолёта. Ведь гелий не заполняет полностью весь корпус дирижабля, а находится в мешках. Лопнет один мешок – работают остальные. Дирижабль гораздо экологичнее. Для его движения не обязательно использовать углеводородное топливо. Можно применить атомные двигатели, электродвигатели, в том числе на солнечных батареях, и т.д.

При современном дирижаблестроении используются как прежние, ранее не реализованные идеи К.Э. Циолковского, так и новые разработки, которые позволяют контролировать подъёмную силу дирижабля, совершать вертикальные взлёт и посадку, зависать в воздухе почти без затрат энергии, садиться вертикально на воду и твёрдую поверхность и т.д.

В отечественной разработке находятся гибриды дирижабля и самолёта, которые могут быть использованы в любом режиме – самолётном, вертолётном, как морское судно на воздушной подушке и т.д. Разрабатываются также беспилотные варианты дирижаблей, управляемые с Земли, для перевозки грузов, видеонаблюдения, телекоммуникационных целей и др.

1.2. Сила Архимеда. Практическое изучение закона

Вопрос, как могут летать дирижабли, изготовленные из гофрированного металла, не давал мне покоя, но – помог случай. Через день, после поездки в Венецию, я увидела в море очень красивый камень, который захотела показать своему брату Илье, я подумала позвать его, но потом решила сама принести ему этот камень, одно только меня смущало, смогу ли я его поднять? Представьте – смогла. Но когда я начала его вытаскивать из воды, он стал очень тяжелым, и мне пришлось позвать на помощь папу. Когда я у него спросила, почему камень стал таким тяжелым, он мне ответил, что пока камень был в воде, она «помогала» мне его поднять, а когда, камень вытащили из воды, то эта помощь закончилась. Однако, папа добавил, что когда камень находится в воздухе, то воздух тоже «помогает» поднять камень, но только значительно меньше, чем вода. И тогда я впервые услышала закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует направленная вверх выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме этого тела. А так как вес воздуха в объеме камня будет намного меньше веса воды в этом же объеме, то поэтому «помощь» воздуха при подъеме камня практически незаметна.

1.3. Дирижабль и воздушный шар. Качественный анализ информации

И тогда я поняла, что и обыкновенный воздушный шарик, и воздушный шар, на котором могут летать люди, и дирижабль – все это может летать, потому, что на них действует сила Архимеда со стороны воздуха. И началось… Я везде пыталась найти аналогию, между водой и воздухом, тем более на море и того, и другого – достаточно.

Например, я поняла, что и дирижабль, и воздушный шар поднимаются в воздух под воздействием силы Архимеда. чем лучше дирижабль воздушного шара, да тем же, чем моторная лодка лучше парусника. Воздушный шар может только, как и парусник, воспользоваться попутным ветром, а дирижабль может (из-за своих двигателей) лететь даже против ветра, правда не сильного, но и моторная лодка, также не может противостоять сильным порывам ветра. Конечно, команда моторной лодки может опустить парус, а у дирижабля так не получится, но, тем не менее, мне кажется, что аналогия здесь есть.

На вопрос, чтобы же лучше использовать: дирижабль или воздушный шар, ответ будет следующим: все зависит от целей (Таблица 1).

Таблица 1. Сравнительный анализ воздушного шара и дирижабля

Критерии

Воздушный шар

Дирижабль

Стоимость изготовления

«+»

Меньше по размерам, изготавливается из мягких, более дешевых материалов

«-»

Имеет значительные размеры, жесткая конструкция изготавливается из дорогостоящих сплавов

Место хранения

«+»

Любое небольшое подсобное помещение, хранится в сдутом состоянии

«-»

Из-за значительных размеров ангаров необходимо хранить в ангаре. Из-за жесткой конструкции невозможно уменьшить размер.

Управляемость

«-»

Может перемещаться в направлении попутного ветра или под небольшим углом к нему

«+»

Может перемещаться в нужном направлении за счет двигателей.

Рабочее тело

«+»

Нагретый воздух

«-»

Может использоваться нагретый воздух, но также используется дорогостоящие водород или гелий.

Грузовые возможности

«-»

Из-за небольшой разницы в плотностях нагретого и окружающего воздуха воздушный шар не может поднять большой груз.

«+»

Из-за значительной разницы в плотностях водорода (гелия) и воздуха – возможен перевоз больших грузов на дальние расстояния.

Экономичность

«+/-»

Выгодно использовать при перевозе на небольшие расстояния небольших грузов. Всегда нуждается в топливе.

«+/-»

Выгодно использовать при перевозе на значительные расстояния больших грузов. Нуждается в топливе, только при направленном движении против ветра.

1.4. Причины вертикального изменения положения дирижабля

Итак, я поняла, как дирижабль перемещается параллельно поверхности земли – за счет двигателей. Дальше меня интересовал вопрос – а как дирижабль набирает высоту или, наоборот, опускается?

Воздушный шар поднимается из-за увеличения температуры воздуха в нем. Известно, что теплый воздух стремится подняться вверх, так же, как и теплая вода, именно поэтому на морской поверхности вода (если не учитывать различные морские течения) всегда теплее, чем на глубине. В тепловых дирижаблях можно менять температуру закачанного воздуха, из-за чего меняется его плотность и, соответственно, подъемная гидростатическая сила. То есть, нагревая, или охлаждая закачанный воздух, можно поднимать или опускать дирижабль.

В конце 80-х-начале — 90-х гг. XX века появился проект «Термоплан», отличительной особенностью которого являлось использование для создания подъёмной силы помимо гелиевой секции дирижабля секции с воздухом, нагреваемым двигателями (идея, высказанная К. Э. Циолковским в 90-х гг. XIX в.). Благодаря этому удалось снизить вес непроизводительного балласта на 70-75% в сравнении с дирижаблями других конструкций. Более того, существуют дирижабли, с оболочкой, наполненной горячим воздухом, которые не требуют дорогого гелия, правда изготовлена она уже не из металла, а из более легких материалов Недостатком является низкая подъемная способность горячего воздуха, которая составляет около 30% от гелия.

Еще больший интерес представляют газовые дирижабли.

Воздушный шарик, когда его только наполнили гелием, пытается подняться вверх, и если его отпустить – он улетит. Но вот когда мы приносим этот шарик домой, и он долго у нас пробудет, то он начинает сдуваться и опускается вниз. Это явление происходит из-за того, что гелий через микроскопические поры резиновой оболочки шарика выходит из него, уменьшая тем самым его объем, а значит и силу Архимеда, действующую на шарик со стороны воздуха. То есть, если мы надуем какую-либо оболочку гелием (или просто газом, который легче воздуха), то если этой силы будет достаточно – оболочка взлетит. На этом принципе основана регулировка по высоте газового дирижабля.

В газовых дирижаблях внутри одной большой оболочки есть емкости поменьше — баллонеты, в которые можно закачивать или откачивать из них атмосферный воздух, управляя, таким образом, общей плотностью газа внутри дирижабля.

1.5. Причины изменения глубины погружения в воду флакона с шампунем.

Эксперимент и интерпретация полученных данных.

Чтобы понять, как газ, находящийся в резервуаре дирижабля может влиять на высоту его подъема, я провела следующий эксперимент (Приложение 3):

Я взяла примерно на четверть пустой флакон с шампунем и сдавила его так, чтобы воздуха в нем не осталось. Затем я набрала прозрачный сосуд с водой и поместила флакон в воду. В этом случае я наблюдала, что флакон опустился на дно сосуда. То есть это так же, как и в случае с камнем: сила Архимеда делает камень, флакон или другой предмет, погруженный в воду легче, но она не становится равной или больше силы тяжести, поэтому флакон не поднимается наверх.

Проанализировав формулу для силы Архимеда, можно заметить, что указанная сила будет увеличиваться с увеличением объема тела при его неизменной массе. Для подтверждения этого предположения, я, моделируя дирижабль, запустила во флакон немного воздуха. В результате этого, он поднялся со дна (значит, сила Архимеда была больше силы тяжести), а флакон поднимался до тех пор, пока эти силы не сравнялись. Т.е. из-за того, что сила тяжести осталась прежней, а сила Архимеда увеличилась, и стала больше силы тяжести, флакон стал всплывать.

Для достоверности, я решила провести такой эксперимент еще один раз: я запустила во флакон еще чуть воздуха (увеличивая тем самые объем тела при его неизменной массе, массой воздуха в этих условиях можно пренебречь), и действительно, флакон с шампунем поднялся еще выше.

1.6. Анализ различий между дирижаблем в воздухе и флаконом с шампунем в воде

Затем я решила проанализировать, в чем будут наблюдаться расхождения настоящего дирижабля и флакона с шампунем.

Понятно, что и флакон с шампунем и дирижабль будут подниматься вверх до той поры, пока сила Архимеда не уравновесится силой тяжести.

Однако, сила Архимеда, действующая на флакон с шампунем, будет уменьшаться за счет уменьшения объема части этого флакона, находящейся под водой, пока не уравновесится силой тяжести.

В ситуации с дирижаблем, можно считать его объем, находящийся в воздухе неизменным (особенно, если говорить о конструкциях дирижаблей «жесткого» типа, которые предлагал К.Э.Циолковский). Поэтому в этом случае можно говорить, что сила Архимеда уменьшается за счет других параметров, а именно, за счет уменьшения плотности воздуха (в отличие от воды, у которой плотность можно считать постоянной, плотность воздуха с высотой уменьшается), и уменьшения значения ускорения свободного падения. Однако, учитывая, что значение силы тяжести также зависит от значения ускорения свободного падения, очевидно, что этот параметр не влияет на сравнение сил Архимеда и тяжести. Таким образом, мы приходим к выводу, что дирижабль перестанет подниматься тогда, когда сила Архимеда уменьшится до значения силы тяжести, а значение силы Архимеда может в этом случае уменьшаться только из-за плотности окружающего воздуха (это же относится и к тепловым дирижаблям).

Заключение

1. В результате изучения истории дирижаблей были выявлены интересные исторические факты, в том числе, связанные с основоположником космонавтики, нашим земляком К. Э. Циолковским и его сотрудничестве с зарубежными учеными по вопросам дирижаблестроения.

2. Изучено действие выталкивающей силы (силы Архимеда) со стороны воздуха, позволяющей дирижаблю летать в воздушном океане.

3. В результате сравнительного анализа между воздушным шаром и дирижаблем выявлены преимущества и недостатки последнего.

4. Аналитически выявлены способы, позволяющие менять высоту как тепловому, так и газовому дирижаблям.

5. Проверены опытным путем, предложены и подтверждены способы, позволяющие изменять глубину погружения флакона с шампунем, как аналог поведения дирижабля в воздухе.

6. Определены различия в физических процессах и модели поведения, влияющие на изменение высоты дирижабля в воздухе и глубины погружения флакона с шампунем в воде.

Список литературы:

1. Буссенар Л. Приключения воздухоплавателей. – Москва: НИГМА, 2016 – 304 с.

2. Кульбака С., Обухович В. Дирижабли на войне. – Москва: Paulsen, 2000 – 522 с.

3. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – Москва: - Наука, 1973 – 656 с.

4. Перельман Я. И. Занимательная физика. Книга 1. – С-Петербург: РИМИС, 2009 – 280 с.

5. Сацевич И.Е. Самолеты, вертолеты, дирижабли. Серия: Моя первая энциклопедия. – Москва: АСТ, 2013 – 64 с.

6. Физика. Большой справочник для школьников и поступающих в вузы/Ю.И.Дик, В.А.Ильин, Д.А.Исаев и др. – 2-е изд. М.: Дрофа, 199. – 668 с.

7. Худяков В. На дирижабле в Арктику. "Красин" спасает воздухоплавателей. – Москва: АСТ, 2016 – 32 с.

Интернет-ресурсы:

http://ru.wikipedia.org/wiki/Dirizhabl

http://dolgoprud.org/sheet2_5.htm

http://www.airship-association.org/2008web/whatis.html

http://amyat.narod.ru/hist/borozdin_vp/index.htm

http://amyat.narod.ru/theory/oborudovanie_dirizhabley/index.htm

https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/690062

Приложение 1. Модели дирижаблей

Рис. 1. Модели дирижаблей в Венеции

Рис. 2. Модели дирижаблей в Доме-музее К.Э. Циолковского в Калуге

Рис. 3. Модели дирижаблей в Государственном музее истории космонавтики им. К.Э. Циолковского

Приложение 2. История дирижаблестроения

Дирижабль Мёнье, 1784 г Дирижабль (управляемый Анри Жиффара,

1852 г.

Дирижабль Цеппелина, 1928 Самый большой дирижабль «Гинденбург»,

1936

Первый дирижабль СССР «Красная звезда» Дирижабль «ССС-В5» на аэродроме

1920 г. Дирижаблестроя, 1933 г.

Приложение 3. Экспериментальная часть

а) б) в)

Рис. 1. Эксперимент с флаконом шампуня:

рис. а) Воздуха во флаконе практически нет (флакон на дне емкости);

рис. б) Немного воздуха во флаконе (флакон немного всплыл);

рис. в) Воздухом заполнен весь оставшийся объем (флакон полностью всплыл)

Просмотров работы: 892