§54. Воздухоплавание
Вопросы
1. Почему воздушные шары наполняют водородом или гелием?
Ответ:
Водород или гелий имеет меньшую плотность, по сравнению с воздухом. В итоге возникает сила Архимеда, поднимающая шар в воздухе.
2. Как рассчитать подъёмную силу шара, наполненного гелием?
Ответ:
По силе Архимеда ($F_{А}= gρ_{возд}V$) необходимо понять, какая масса воздуха находится в объеме шара и вычесть из этой массы массу газа в шаре и массу самого шара. Эта разница и станет показателем подъемной силой. ($P_{г} = gm_{г}, m_{г} = ρ_{г}V$).
3. Почему уменьшается выталкивающая сила, действующая на шар, по мере его подъёма?
Ответ:
Мы знаем, что для поднятия шара в воздух необходимо действие выталкивающей силы. $F_{А}$, действующей на шар. при этом ее действие должно превышать силу тяжести $F_{тяж}$, т. е. $F_{А}>F_{тяж}$ шара.
Кроме того, известно, что по мере поднятия шара меняется плотность атмосферы, слои становятся более разряженными, в итоге действие выталкивающей силы уменьшается. ($F_{А} = gρV$, ).
4. Как регулируют высоту подъёма воздушного шара, наполненного горячим воздухом?
Ответ:
Шар можно поднять с помощью горелки, которая устанавливается под отверстием внизу воздушного шара. В итоге, когда горелка подогревает воздух, то меняется его плотность, он становится более разряженным, так как молекулы реагируют друг с другом, сталкиваются, оказывают давление на стенки шара. Часть молекул воздуха либо вылетает вовсе из шара, либо за счет действия на стенки шара его объем увеличивается. То и другое влияет на плотность среды в шаре.
При уменьшении плотности, но сохранении объема шара, появляется подъемная сила, сила выталкивания. Она и поднимает шар вверх. При остывании воздуха плотность увеличивается, и/или шар становится меньшего объема. Шар теряет подъемную силу.
Упражнение 29
1. На весах уравновешена бутылка, внутри которой находится сжатый воздух. Через пробку бутылки пропущена стеклянная трубка с краном, к наружному концу которой привязана оболочка резинового шара (рис. 162,а). Если часть воздуха из бутылки перейдёт в оболочку и раздует её (рис. 162,б), то равновесие весов нарушится. Объясните наблюдаемое явление.
рис. 162
Ответ:
В нашем случае при открытии крана произойдет увеличение объема тела (бутылка и шарик) и воздух из бутылки частично уйдет в шарик. В итоге получается, что произойдет изменение плотности этого тела (бутылка и шарик). Сила выталкивания изменится.
2. На весах уравновесили лёгкий стеклянный шарик. Затем весы поместили под колокол воздушного насоса и откачали воздух. Равновесие весов нарушилось (рис. 163). Почему?
рис. 163
Ответ:
Мы знаем, что сила Архимеда она же выталкивающая сила зависит от среду в которую погружаем тело, от ее плотности, а также от массы и объема погружаемого тела. При этом изменение любой из этих характеристик приведет к изменению баланса. В нашем случае мы изменим плотность среды, в которую погрузили тело (стеклянный шар). В итоге, выталкивающая сила стала меньше, ведь она была равна массе среды в объеме тела (стеклянный шар). Шар потерял выталкивающую силу, весы разбалансировались.
3. Один шарик надут воздухом, другой — водородом, третий — углекислым газом. Какие шарики не взлетят? Объясните почему.
Ответ:
$ρ_{возд}$ = 1290 кг/$м^{3}$;
$ρ_{вод}$ = 90 кг/$м^{3}$;
$ρ_{угл}$ = 1980 кг/$м^{3}$.
Нам необходимо найти значение силы Архимеда и понять, будет ли она подъемной или нет. Возникнет ли выталкивающая сила?Если $F_{А}$, действующая на шар будет больше силы тяжести$F_{тяж}$, то есть$F_{А}$ >$F_{тяж}$, то возникнет выталкивающая сила.
Получается так, если ниже плотность газа, заполняющего воздушный шар в данном объёме, тем меньше действующая на него сила тяжести, тем больше подъёмная сила!
При этом газы с меньшей, чем у воздуха плотностью будут обладать такой выталкивающей силой.Получается:
Шар надутый водородом, взлетит, так как плотность водорода ниже плотности воздуха.
Шар надутый углекислым газом, не взлетит, так как плотность углекислого газа выше плотности воздуха.
Шар надутый воздухом, не взлетит, так как вес оболочки шарика с учётом веса воздуха выше веса окружающего воздуха.
