VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Легко ли запустить воздушный шар
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Над нашим домом очень часто пролетает различная авиационная техника: самолеты, вертолеты, и даже воздушный шар. Каждый раз, провожая их взглядом, я пытался сравнить летательные аппараты. С самолетом и вертолетом было примерно все понятно: летать им помогают двигатели и крылья или лопасти. Но почему летит и не падает воздушный шар?
И вот, в одной из серий моего любимого мультфильма «Фиксики», главные герои раскрыли секрет и рассказали об истории и принципах работы воздушного шара. С тех пор мне захотелось самому увидеть, как поднимается в воздух этот огромный шар. Что для этого нужно?! И вообще, как придумали подобное средство воздухоплавания?
Цель исследования: изучить воздухоплавание на воздушном шаре как одно из направлений развития авиации.
Задачи:
Изучить теорию о создании воздушного шара.
Проанализировать необходимые элементы и условия для запуска и полета воздушного шара.
Создать макет воздушного шара для более подробного изучения его составляющих частей.
Изучить на практике запуск воздушного шара.
Изучить мнение профессионалов воздухоплавания о воздушных шарах.
Раскрыть практическую значимость данного мероприятия.
Объект исследования - воздушный шар в виде китайского фонарика и газеты.
Предмет исследования-история происхождения, виды воздушных шаров, область применения.
Гипотеза: я считаю, что и в домашних условиях можно легко запустить воздушный шар.
Методы исследования: изучение литературы и материалов Интернета по заданной теме, эксперимент, наблюдение, сопоставление, анализ, интервьюирование.
Актуальность исследованиязаключается в том, что в наше время все больше интерес появляется квоздушным шарам ни как кукрашениям любого праздничного торжества, а как к одному из летательных аппаратов.
Личная значимость: при выполнении работы узнал много нового по теме «Воздухоплавание».
Практическая значимость: возможность использования результатов исследования для запуска воздушных шаров в домашних условиях, а так же во время внеурочной деятельности.
В будущем я планирую продолжить работу по данной теме и рассмотреть другие материалы для создания воздушного шара в домашних условиях и их запуск.
I. Основная часть
1.1. История создания воздушного шара
Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами. Различают управляемые, неуправляемые и привязные аэростаты. Неуправляемые аэростаты свободного полета с оболочкой, имеющей форму шара, называют воздушными шарами.
Управляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями. Привязные аэростаты соединяют с землей тросом, не позволяющим аппарату совершать горизонтальные перелеты.
Воздушные шары, предназначенные для полетов в стратосферу (т. е. на высоту более 11 000 м), называют стратостатами.
Первые полеты на воздушных шарах.
Француз Жосеф Монгольфье родился в 1740 г. Вместе с младшим братом Этьенном они часто мечтали о том, как человек поднимется в воздух. Братья даже придумали набить оболочку тучами, которая держала бы корзину. Однако они не знали, как реализовать эту идею.
Как то Жозеф заметил, что рубашка, которую он держал над каминным огнем за воротник, раздулась, и ему на ум пришла гениальная мысль. Он рассказал о своем открытии Этьенну и братья начали думать, какой формы мог бы быть воздушный шар, который они использовали для первых своих экспериментов.
Сначала они сшили шелковую оболочку размером в один кубический метр. Нагреваемый над огнем шелковый воздушный шар поднялся на высоту тридцати метров. Это произошло в ноябре 1782 г. Данную дату можно считать началом воздухоплавания.
Братья работали тайком в своем саду. Однако когда экспериментальные шары поднимались все выше и выше, они испугались, что соседи увидят их открытие и «украдут» идею. Итак, они решили публично продемонстрировать свой шар на главной площади города Аннона. Приглашенные почтенные лица должны были засвидетельствовать, что основоположниками данной идеи и были братья Монгольфье. 4 июня 1783 г. братья организовали выступление. На площади Кордельеров для данного выступления они изготовили 900 м3 шар: для него братья использовали хлопчатобумажные обрезки формы, которые пришили к бумажным листам и петлями соединили друг с другом. Ткань укрепили вертикальными стержнями. Под хлопчатобумажным абажуром повесили корзину для соломы и шерсти. Когда нагретый воздух поднял шар, братья обрезали веревки.
Воздушный шар за 10 минут поднялся на высоту 1000 м. Люди, участвующие в его подъеме, смогли засвидетельствовать его уникальность: был составлен протокол, с которым братья Монгольфье обратились в Парижскую Академию наук, чтобы их официально признали первыми создателями «летающего» аппарата. Это было начало воздухоплавания.
Спустя десять минут, после того как в находящийся оболочке воздух остыл, шар спустился на поле и загорелся от тлеющего в корзине огня.
Этьенн провел множество экспериментов в Париже, пока решил сделать еще один шаг – поднять в воздух человека. Однако полет считается слишком опасным, поскольку еще было не ясно, как изменения высоты влияют на организм человека или другого живого существа. Изобретатели решают в первый полет отправить утку, петуха и овцу.
Это произошло в Версале в сентябре 1783 г. За взлетом наблюдал король Франции Людвиг XVI-ый. Все трое животных были помещены в корзину и шар поднялся. После полета, который продолжался около 8 минут, животные спустились здоровыми и живыми в 3 км от старта; овца спокойно щипала солому. Правда, петух вернулся немного ощипанным, но только потому, что мешался под ногами у овцы... Братья Монгольфье доказали, что живые существа могут без малейшей опасности летать.
В этом же году был совершен первый полет человека на воздушном шаре. Француз Пилатр де Розье и маркиз де Арланд поднялись на воздушном шаре Этьенна Монгольфье. Шар пролетел десять километров и приземлился в местности под названием Бурже. А уже в следующем году по всей Европе проходили экспериментальные полеты.
Использование воздушных шаров
Воздушные шары использовали везде, где только возможно, в том числе и в военном деле. 2 апреля 1794 года правительство Франции поручило капитану инженерного корпуса Кутеллю устроить Воздухоплавательную школу. В основанной вскоре в Медоне школе воспитанники обучались изготовлению аэростатов и обращению с ними. Правда в 1975 году Наполеон I расформировал школу.
Во время Франко-прусской войны 1870—1871 года аэростаты многократно помогали французам, особенно во время блокады Парижа.
Часть используемых воздушных шаров гибла (они сильно страдали от огня дальнобойного оружия и были хороши только в тихую погоду), но всё же полученные результаты были очень вескими; и после окончания войны военными инженерами уже всех стран аэростаты испытывались на пригодность военным целям.
В 19 веке воздушные шары стали атрибутом праздников. Они часто сопровождали коронации монархов, праздники, посвященные важным политическим и военным победам и неотъемлемым развлечением выставок в Париже и Англии во второй половине 19 века.
К концу 19 века воздушные шары стали использоваться в научных целях. В воздух запускали шары-зонды, которые, поднявшись на большую высоту, брали пробы воздуха.
В ХХ веке воздухоплавание имело два главных направления (до начала 1920-х годов термин «воздухоплавание» обозначал передвижение по воздуху вообще):
1. воздухоплавание с помощью аэростатов, или шаров.
2. авиацию, дающую возможность подняться и удерживаться в воздухе, при помощи других летательных аппаратов.
Профессор Д. Менделеев, в своём сочинении «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании», склоняется к мнению, что аэростат надёжнее, ближе к цели, чем летательные машины. Он говорил, что изучение истории дела воздухоплавания, личные опыты и соображения убедили его, с одной стороны, в возможности будущего успеха, а с другой — в необходимости для овладения воздушным океаном ещё многих предварительных исследований и попыток, преимущественно при помощи аэростатов.
Воздушные шары органично влились в нашу жизнь. Они стали отдельным видом спорта и с успехом используются во многих сферах (научной и военной), а также в индустрии развлечений. И сегодня полет на воздушном шаре может позволить себе любой человек, желающий рассмотреть землю с высоты птичьего полета.
Принципы работы (составляющие части, необходимые условия) воздушного шара.
И все же, как устроен шар? Что позволяет ему летать?
Воздушный шар — летательный аппарат (аэростат), в котором для полёта используется газ, который легче воздуха. Состоит из заполненной газом оболочки и прикреплённой к ней корзины или прицепной кабины. В зависимости от наполнения, различают монгольфьеры (шары, наполненные нагретым воздухом), шарльеры (наполнены лёгким газом — как правило, водородом или гелием) и розьеры (воздушные суда, использующие одновременно газ и воздух, размещённые в отдельных оболочках).
Современные воздушные шары, используемые для демонстрационных и спортивных полётов, также как и шар братьев Монгольфье, в основном наполняются нагретым воздухом. С помощью пропановой горелки воздух нагревается, и, поскольку разреженный горячий воздух легче холодного, шар взлетает. В случае набора слишком большой высоты пилот дёргает за специальный шнур, соединённый с клапаном в оболочке воздушного шара — часть горячего воздуха выходит наружу, и воздушный шар опускается (снижается).
Интересен тот факт, что братья Монгольфье не понимали, почему шар взлетает, если напустить в него дыма. Они считали, что шар взлетает благодаря самому дыму или другим газам, которые выделяются при сгорании соломы, смешанной с шерстью и бумагой. В то время и в голову никому не приходило, что взлетает он благодаря теплому воздуху.
Для большей безопасности шар окружают сеткой и берут с собой балласт, чтобы облегчить и регулировать поднятие и опускание.
II. Практическая часть
Интервью с калужским воздухоплавателем
И даже зная, как устроен воздушный шар, не каждый сможет поднять его в воздух и полетать на нем какое-то время. Мы решили пообщаться с настоящим воздухоплавателем и встретились с нашим калужским специалистом по воздушным шарам Павлом Титовым.
Как давно вы летаете на воздушном шаре?
- Мой стаж полетов на шаре 8 лет.
Сложно ли управлять воздушным шаром? Можно ли управлять самим полетом или можно надеяться только на ветер?
- Управлять полётом конечно можно, иначе зачем был бы нужен пилот. Однако, сам воздушный шар не имеет возможности менять направление. Но мы можем использовать ветер. Воздух как слоёный пирог. На разных высотах ветер дует в разных направлениях. Изменяя высоту можно изменять направление полёта.
Как высоко и далеко вы долетали?
- До 2500 метров в высоту и до 50 км в длину.
Где можно научиться управлять воздушным шаром?
- Научиться управлять воздушным шаром можно в учебном центре или у частного инструктора почти во всех странах кроме России. У нас обучение на воздушный шар, как и на любые летательные аппараты, относящиеся к так называемой малой авиации, прекращено с 2015 года по распоряжению Росавиации.
Интересно летать? Почему вы выбрали воздушный шар?
- Летать очень интересно. На мой взгляд - это одна из лучших сфер деятельности человека. Небо открывает всё лучшее, что есть в человеке. С высоты Земля прекрасна. В полёте заботы остаются на земле. В полёте только Ты, Небо и Красота. А воздушный шар я выбрал потому, что это самый первый и самый естественный способ полёта. Воздушный шар позволяет соприкасаться с небом так близко как ни один другой летательный аппарат. У нас нет собственной скорости, нет собственного направления полёта. Мы летим, лишь выбирая направления ветра подстраиваясь под них, изменяя высоту. На воздушном шаре можно спуститься к реке или озеру, коснувшись воды дном корзины, приподняться чуть выше и коснуться макушек деревьев. Или подняться на головокружительные высоты и перелететь самые высокие горы.
Создание макета воздушного шара.
Для более детального изучения составляющих частей воздушного шара, мы с мамой сшили миниатюрную модель шара с куполом, корзиной, стропами и балластом.
Запуск воздушных шаров.
Изучая теорию о воздушном шаре, я наткнулся на рассказ К.Э.
Циолковского. В нем он рассказывал о своих впечатлениях во время запуска модели своего воздушного шара.
«... пришлось сооружать бумажный аэростат. Это едва не кончилось бедой. Склеил я из бумаги громадный шар. На спирт денег не было. внизу шара приспособил сетку из тонкой проволоки. На сетку положил несколько смолистых сухих лучин и зажег их. К ликованию мальчишек, шар взмыл в небо, насколько позволяла нитка, которую они поочередно держали в руках. За первым шаром последовал второй, третий. Иногда летательный аппарат, надуваясь, становился не шаром, а принимал причудливые формы. А беда пришла так. Запустили мы шар в ветреную погоду, лучины разгорелись особенно споро, и нитка перегорела. Представляете такую картину: летит над деревянным Боровском шар, а с него сыплются искры. Пожарный на каланче клевал носом, не заметил, но обыватели сразу забранились:
- Этот асмодей спалит весь город!
- Что смотрит полиция?
- Запретить ему, колдуну, с огнем баловаться!
На мою беду шар, правда уже без огня, опустился на крышу дома, где проживал сапожник. Толпа - туда. Подвыпивший сапожник спал, но его растормошили:
- Горишь! Огненный шар на крышу сел!
- И сам погоришь, и город, как при Наполеоне, выгорит.
- Лезь на крышу! Зови городового!
Кто-то услужливо притащил лестницу. Очухавшись, сапожник полез на крышу и , как он выразился, заарестовал шар. Пришлось уламывать его , чтобы не доводил дело до полиции. Помогло испытанное российское средство: поставил бутылку водки. Он опохмелился и махнул рукой.
А вот смотритель уездного училища, считавший себя образованным человеком, пустил по городу слух:
- Циолковский поднял в воздух шар, наполненным горючим составом, шар свалился с неба и со страшной силой взорвался.
После этого случая я больше не решался пускать шар с горящими лучинками. Подогревал шары на земле, устранял с сетки огонь и пускал. Подниматься-то шар поднимался, но очень скоро опускался. Мальчишки гнались за ним, приносили и снова пускали, но прежнего эффекта не было.»
Алтайский К. Н. Циолковский рассказывает ... М.: ДЛ , 1974, с.192-193
К сожалению, погода не позволила нам поучаствовать в запуске большого воздушного шара вместе с Павлом Титовым, и мы решили попробовать запустить воздушный шар в домашних условиях. Для этого мы взяли небольшой бумажный воздушный шар (китайский фонарик), вентилятор и свечу.
Изучив теоретический материал, мы узнали, чем необходимо наполнять купол шара, для того, чтобы он взлетел. Но мне, как и любому ребенку захотелось проверить, а что будет, если заполнить шар холодным воздухом. Результат эксперимента оказался предсказуемым и шар, наполнившись холодным воздухом, остался на земле.
Далее, мы провели 2 эксперимента.
Эксперимент 1.
Создание бумажного шара.
После изучения тканевого макета, мы решили изготовить шар из газеты.
Мы взяли самый тонкий и соответственно легкий вариант бумаги – газету.
Мы надули детский резиновый шарик и обвернули его газетой, намочив ее водой. Делается по технологии папье-маше, но в один ряд. Углы осторожно изогнули соответственно форме шарика, сильно намочили, чтобы бумага прилипла на сгибе друг к другу. Сделали небольшое отверстие круглой формы. Оставили сушиться на 1-2 дня. После сушки спустили детский шарик, убрали из бумажного шара. Можно делать воздушные шары из черно-белой или цветной газеты. Из цветной газеты получаются красивые, праздничные монгольфьеры. Установили шар на подножках диаметром 10 см. На тонких проволоках подвесили сухое горючее, массой 1-2 г на расстоянии 22-30 см от шара, подожгли горючее.
С деланы:
- воздушный шар диаметром 9 см.
- воздушный шар диаметром 20 см.
Результаты эксперимента.
Эксперимент № 1.1.
Шар диаметром 9 см не полетел, хоть и наполнился теплым воздухом.
Эксперимент № 1.2.
Диаметр шара 22 см. Масса газеты, горючего, проволоки = 6,25 г.
Эксперимент не удалось довести до конца, по неосторожности экспериментаторов шар сгорел.
Из проведенного эксперимента № 1 мы сделали вывод, что не все виды бумаги можно использовать для создания воздушного шара и даже газета является тяжелой. Также я узнал, поддержание температуры в куполе, должно быть постоянным. Сильный ветер, так же внес свои корректировки и сжег наши труды так быстро, что мы даже не успели их запечатлеть.
Эксперимент 2 (Приложение с. 18-19)
Мы попытались запустить шар в виде китайского фонарика, наполнив его теплым воздухом от свечи, но и в этот раз шар не смог взлететь, так как на него повлияли факторы, которые мы не учли с самого начала. Из-за сильного ветра огонь свечи перекинулся на воздушный шар, и он тоже сгорел.
Я пришел к выводу, что запуск самодельных воздушных шаров обязательно нужно проводить на улице и только в присутствии взрослых.
И только с третьего раза (на следующий день) у нас получилось запустить шар, наполнив его теплым воздухом. Таким образом мы доказали часть нашей гипотезы о том, что воздушный шар можно запустить самостоятельно, в домашних условиях.
Мы не расстроились из-за неудачи, ведь это начало нашего будущего исследования, в котором мы разберем из каких же материалов можно создать воздушный шар в домашних условиях, чтобы он полетел.
Заключение.
Благодаря изучению этой темы, я узнал много нового и интересного. Я познакомился с историей создания современного воздушного шарика и его предшественников. Научился сам проделывать различные интересные опыты, наблюдать, сравнивать полученные результаты и делать выводы.
Изучая теоретический материал, я понял, что во все времена людям хотелось и хочется летать как птицы по небу и почувствовать себя легким и свободным. В своей работе я рассказал, как запустить хотя бы небольшой воздушный шар в домашних условиях и почувствовать эту легкость. Для этого мы изучили историю создания воздушных шаров и необходимые условия для их запуска, а также провели 2 эксперимента и запустили небольшие модели шаров в домашних условиях. Благодаря своим экспериментам я подтвердил свою гипотезу и сделал вывод: все желающие могут повторить наш эксперимент, взяв готовый воздушный шар в виде китайского фонарика, либо склеив его самостоятельно из бумаги, и наполнив его горячим воздухом.
Я считаю, что данную работу можно использовать на уроках, чтобы демонстрировать в простой и красочной форме действие реактивной силы, наглядно показать, что углекислый газ тяжелее воздуха. Ведь, когда мы сами проводим различные опыты или наблюдаем за их проведением, нам легче понять принцип действия чего-либо, тем более, если эти опыты такие яркие и веселые!
Список использованных источников и литературы
Алтайский К. Н. Циолковский рассказывает ... М.: ДЛ , 1974, с.192-193
Гальперштейн Л.Я. Моя первая энциклопедия.: Науч. -поп. издание для детей/ - М.: ООО «Издательство «Росмэн-Пресс», 2003. – 255 с.
Дорогова Е.М., Знаменская Л.Ф., Майоров В.Д. Справочник школьника для начальных классов. Русский язык. Математика. Природоведение. – М.: Стрекоза, 2009. – 520 с.
Я познаю мир: Феномены мира: Детская энциклопедия./С.Н.Зигуненко – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2003. – 396 с.
Ф.Рабиза «Простые опыты» - М. Дет.Лит., 2002
Большая детская энциклопедия. Том 2. Физика: МастерМедиа, 2006.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%85%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F
https://extremecatalog.ru/ballooning/articles/istoriya-poyavleniya-vozdushnogo-shara
Приложение
Эксперимент 2.
Эксперимент 2