МОУ «Печниковская средняя

общеобразовательная школа»

Каргопольского района

Дружининым Матвеем Сергеевичем

Научный руководитель - учитель

МОУ «Печниковская средняя

общеобразовательная школа»

Каргопольского района

Каргополь

I. Введение ._______________________________________ 3

Цель работы________________________________________ 3

Задачи работы______________________________________ 3

Постановка проблемы. Обзор литературы. ______________ 3

II. Основная часть. Эксперимент . ___________________ 5

Изготовление шара, наполненного горячим воздухом.____ 5

Изготовление шара, наполненного водородом . __________ 7

III. Выводы. _______________________________________ 8

Список литературы _________________________________ 9

I. Введение

Цель работы

Научится строить воздушные шары. Узнать, какой груз может поднять воздушный шар, наполненный горячим воздухом и шар, наполненный водородом.

Задачи работы:

· Построить воздушный шар наподобие китайского фонарика.

· Изменяя объём шара определить время его полёта и массу поднимаемого им груза.

· Наполнить шарик водородом и определить массу поднимаемого им груза.

· Сравнить грузоподъемность шара с горячим воздухом и шара с водородом.

· Узнать воздушный шар какого объёма может поднять в воздух человека.

https://pandia.ru/text/78/568/images/image002_50.gif" align="left" width="231" height="156 src=">Известно, что воздушные шары наполняют тёплым воздухом или самым лёгким газом - водородом , который в 15 раз легче воздуха. Но, как известно, водород очень огнеопасен. Из за этого, например, загорелся и погиб в сороковых годах прошлого века немецкий дирижабль «Гинденбург» (лит 4).

А ещё шары надувают гелием, который немного тяжелее водорода, но он совершенно безопасен, потому что не горит (лит. 5).

https://pandia.ru/text/78/568/images/image004_18.jpg" align="left" width="276" height="193 src=">5 июня" href="/text/category/5_iyunya/" rel="bookmark">5 июня 1783 года состоялась еще одна демонстрация. Шар весом 227 килограммов с оболочкой из холста и веревочной сеткой смог подняться на высоту двух километров. Об этом событии узнала вся Франция, а воздушные шары стали называть монгольфьерами . 21 ноября 1783 года на воздушном шаре впервые поднялись люди: ученый Пилар де Розъе и маркиз д ‘Арланд,

Большой вклад в развитие воздухоплавания на воздушных шарах внес парижский профессор физики Жак-Александр Шарль. В качестве оболочки он использовал легкую шелковую ткань, пропитанную каучукм, а сам шар наполнял водородом, что позволило уменьшить его объем в три раза . Шарль разработал также способы управления воздушным шаром, догадался о необходимости брать с собой балласт для увеличения дальности полета и якорь для посадки. С тех пор и до наших дней форма воздушного шара осталась практически неизменной (лит. 3).

После изобретения воздушных шаров научились строить дирижабли .

https://pandia.ru/text/78/568/images/image007_14.jpg" align="left" width="145" height="346 src=">DIV_ADBLOCK393">

Данные о полете шаров занесены в таблицу 1.

Таблица 1

	Масса шара (гр.)	Масса груза (гр.)	Время полёта
Шар из 1 пакета			3 мин13 сек
Шар из 2 пакетов			5 мин 10 сек

Из таблицы видно что если объём шара увеличить в 2 раза то масса поднимаемого им груза возрастёт только в 1,5 раза. Наверное потому что во втором шаре воздух уже остывает. А если добавить огня, то начинает плавиться нижняя оболочка шара.

Данные таблицы представлены в виде рисунка.

https://pandia.ru/text/78/568/images/image010_14.jpg" alt="F:\шар\IMG_2360.JPG" align="left" width="149" height="152 src="> Потом мы решили наполнить водородом воздушный шарик. Чтобы надуть шарик водородом понадобилось 25 гр. цинка. Мы насыпали в колбу цинк и залили его серной кислотой. На кончик прицепили шарик. Шарик стал медленно надуваться. Он надувался почти 2 часа. А когда он надулся, мы его привязали на ниточку. Окружность шарика составила 78 см. и значит, его объём составил 8 л. а оболочка весила 7,6 гр. и он поднял груз весом 1,1 гр. Мы могли бы надуть шар до 17 л. и он поднял бы груз весом 13 гр.

Потом мы шарик отпустили. Он улетел очень высоко, и его совсем не стало видно.

Вывод

В отличии от воздушного шара наполненного тёплым воздухом, шарик наполненный водородом может летать очень долго и высоко пока не с дуется или не лопнет. Каждые 1,3 л. водорода, которым наполнен шар могут поднять 1 г. полезного груза.

III. Выводы.

· Мне действительно удалось сделать воздушные шары, наполненные, и горячим воздухом и водородом.

· Недостаток шара, наполненного горячим воздухом в том, что он поднимает груза в 5 раз меньше, чем шар, наполненный водородом. Кроме того он опасен в пожарном отношении, и его надо запускать, когда на земле лежит снег, или после дождя. Зато его можно запускать много раз и не требуется водород.

· На практике, шары с горячим воздухом можно использовать, как китайские фонарики, или поднять за нитку на пятнадцати воздушных шариках мобильный телефон и снять на видеокамеру свою деревню с высоты птичьего полета.

· И как показали результаты работы, воздушный шарик не может поднять в воздух Винни-Пуха. Для этого нужен очень большой шар. А что бы поднять в воздух человека массой в 70 кг. Надо надуть водородом более пяти тысяч детских воздушных шариков!

Список литературы.

1. http://ru. wikipedia. org/wiki/%C2%EE%E7%E4%F3%F8%ED%FB%E9_%F8%E0%F0%E8%EA Статья Воздушный шарик

2. http://dic. *****/dic. nsf/brokgauz_efron/23370/Воздушный Статья Воздушный шар.

3. http://www. ballooning. lt/ru/vozdusnye_sary/istorija_vozdusnyh_sarov/ Статья История воздушных шаров

4. http://dic. *****/dic. nsf/enc_tech/380/дирижабль

5. Большая детская иллюстрированная энциклопедия. – Пер. с франц. – М.: Эгмонт Россия Лтд, 2005

6. Справочник по физике: Пер. с нем. 2-е изд. – М.: Мир, 1985

Воздушные шары поднимаются вверх, потому что заполняющий их газ легче окружающего воздуха. Многие газы, в частности водород и гелий, имеют меньшую плотность, чем воздух. Это означает, что при данной температуре они имеют меньшую массу единицы объема, чем воздух.

Когда столь легкие газы закачаны в воздушный шар, он будет подниматься до тех пор, пока общий вес оболочки с газом, корзины, груза и тросов будет меньше, чем вес воздуха, вытесненного воздушным шаром. (Поскольку воздух рассматривается в физике подобно жидкой среде, здесь применяется тот же самый закон, что и для тел, погруженных в жидкость.) Горячий воздух, имеющий меньшую плотность по сравнению с холодным, также поднимается вверх. Несмотря на то, что горячий воздух не столь легок, как некоторые газы, он более безопасен и легко воспроизводим пропановыми горелками, установленными под горловиной оболочки воздушного шара, которую обычно изготавливают из легкой ткани, такой, как упрочненный нейлон. Заполненные горячим воздухом воздушные шары обычно остаются в полете в течение нескольких часов, но без дополнительного подогрева воздуха внутри оболочки они будут постепенно терять высоту.

Молекулы при разной температуре

• Когда воздух холодный, молекулы движутся медленно и располагаются близко друг к другу.
• Когда воздух нагревается, мо лекулы начинают двигаться быстрее и расходятся в стороны, заполняя больший объем.
• Так как нагреваемый воздух продолжает расширяться, он становится менее плотным.
• При охлаждении воздуха его молекулы теряют свою скорость, объем уменьшается, а плотность увеличивается.

1. Воздушный шар лежит на боку. Пропановые горелки нагревают воздух внутри оболочки, который заставит ее раздуться и подняться вверх.
2. Горячий, легкий воздух (рисунок под текстом) поднимается внутри оболочки вверх и затем стекает вниз вдоль ее стенок. Холодный воздух выдавливается через горловину, вес оболочки с воздухом уменьшается и воздушный шар поднимается вверх.
3. Пилоты поддерживают или увеличивают высоту полета путем периодического включения горелок. До тех пор, пока воздух внутри оболочки горячее наружного, подъемная сила преодолевает силу притяжения.
4. Воздушный шар снижается по мере того, как заполняющий его воздух охлаждается и сжимается. Пилоты могут ускорить снижение, выпуская горячий воздух через отверстие в верхней части воздушного шара.

Взаимодействие давления, объема и температуры

Взаимозависимость трех параметров. Давление, объем и температура газа взаимосвязаны. При комнатной температуре (ближний рисунок справа) движение молекул газа внутри сосуда создает определенное давление. Если объем > меньшей наполовину (средний рисунок справа), внутреннее давление удваивается. Когда воздух нагревается (дальний рисунок справа) , его давление возрастает и объем увеличивается пропорционально росту температуры.

Каковы этапы подготовки к полету на воздушном шаре?

Предполетная подготовка

Для безопасного полета на воздушном шаре обязан проверить метеоусловия и выбрать подходящую отправную точку для взлета. Текущая и прогнозируемая погода должна обеспечивать пилоту необходимую видимость, чтобы иметь возможность видеть и избегать препятствий (туман или низкая облачность), ветер должен быть достаточно слабым, для обеспечения взлета и посадки (менее, чем 8-16 км./ч в зависимости от квалификации и опыта пилота, пассажиров, экипажей и наземных служб).

Отправная точка (взлетная площадка) должна быть достаточно большой, чтобы дать возможность разложить и надуть оболочку воздушного шара с отсутствием в направлении ветра таких препятствий как: линий электропередач, деревьев и зданий. И наконец, отправная точка должна быть расположена таким образом, чтобы прогнозированный поток ветра направлял воздушный шар к подходящему месту посадки. В зоне посадки воздушного шара должны отсутствовать водоемы, крупные городские районы или лес, без наличия достаточного количества топлива перелетать преграды не является безопасным.

Перед запуском, в нагнетают горячий воздух при помощи горелок работающих на пропане.

Для этого, оболочку воздушного шара раскладывают на землю и крепят к корзине и горелке. Вентилятор, часто с бензиновым двигателем, используется для нагнетания холодного уличного воздуха в оболочку. Холодный воздух частичной раздувает шар, до достижения им своей основной формы позволяющей запустить горелку для нагрева воздуха. После того как шар в вертикальном положении, пилот и пассажиры забираются в корзину. Когда пилот готов к запуску, через горелку шара он подает больше тепла и воздушный шар отрывается…

Наземный экипаж укладывает оборудование и следует по направлению полета воздушного шара к месту посадки.

Полет на воздушном шаре.

Требует определенных навыков пилота, чтобы управлять воздушным шаром - подняться или спуститься в потоках воздушных течений. Таким образом, важно, чтобы пилот определил на высотах, помимо высоты аэростата, в каком направлении дует ветер. Чтобы управлять этим, пилот использует различные методы. В том числе использует визуальные метки, такие как флаги на флагштоках, дым из труб, и т.д. Для определения направления ветра над шаром, пилот использует данные о прогнозе погоды до полета, который включает прогноз потока воздуха в верхних слоях. Также данные получают экспериментальным путем запуская гелиевые шары, известных как метеошар , до старта, чтобы получить информацию о том, куда на самом деле дует ветер. Другим способом определения фактического направления ветра является движение других воздушных шаров, размер в диаметре которых составляет больше размера метеошара .

Контроль полета воздушного шара

Направление полета шара зависит от ветра, но высоты полета воздушного шара можно регулировать путем изменения температуры воздуха внутри оболочки. Пилот может запускать один или больше клапанов горелки для повышения температуры внутри оболочки шара, тем самым управляя подъемной силой давая возможность подняться или опуститься или даже остановиться шару. Пилот также может открыть вентиляционные клапаны шара, если оболочка оборудована им, тем самым понижая температуру внутри оболочки, чтобы спуститься или замедлить или даже остановить подъем. Если пилот не будет вмешиваться, воздух внутри оболочки будет медленно охлаждаться.

Замедленная реакция

Один из трюков, присутствующих при , это учиться иметь дело с задержкой реагирования. Чтобы замедлить или остановить спуск требуется экспериментальный опыт открытия клапана горелки. Действие горелки облегчает общий вес системы шара и повышает его плавучесть, но не сразу. С того времени, что горелка работала, замедление спуска или остановка, может пройти 30 и более секунд, в зависимости от темпов снижения шара, в зависимости от охлаждения воздуха в шаре или насколько сильно работала горелка. Эта задержка требует больших знаний со стороны пилота.

Третий класс

Способность менять направление полета на высоте называют третьим классом. В северном полушарии потоки воздуха на высоте двигаются по спирали, если смотреть сверху, из уровней высокого давления и против часовой стрелки к уровню низкого давления. Но при полете близко к земле, шар будет иметь тенденцию двигаться в более прямом направлении. Таким образом, пилот должен найти поворот налево во время спуска к посадке. В южном полушарии направление спирали все с точностью наоборот. В действительности, взаимодействие с неровной местностью данные явления могут уменьшиться или полностью отсутствовать.

Горизонтальный полет

Горелка предназначена для создания достаточного количества разогретого воздуха для быстрого подъема шара. Она является более эффективной только тогда, когда широко открыта.

Но когда воздушный шар не активно подогревается, он охлаждается. Это означает, что оно находится в идеальном равновесии лишь на мгновение. Все остальное время он либо нагрет или воздух в нем охлажден.

Эти два факта дают возможность пилоту использовать горелку с интервалом в несколько секунд для поддержания шара на медленном дрейфе вверх и вниз на уровне желаемой высоты.

Исключение делается при полетах на малых высотах, как и при посадке. Горелка может использоваться очень короткими очередями со значительной высокой частотой, жертвуя тем самым эффективностью их точностью.

Транспорт

Типичная техника - это джипы с прицепом для оборудования.

Хотя, безусловно, можно наслаждаться спортом без погони на автомобиле, передвигаться к месту посадки пешком, на велосипеде, многие воздухоплаватели предпочитают следовать в погоне на автомобиле. Транспортный экипаж при посадке может помочь: с высадкой, ловить канаты при посадке шара в стесненных обстоятельствах; помочь с упаковкой оборудования.

Связь между шаром и транспортным средством осуществляется при помощи двусторонней радиосвязи, мобильных телефонов, или даже крика, когда он находится достаточно близко.

Посадка

Большинство пилотов пытаются выполнять мягкую посадку насколько это возможно. Это становится тяжелой задачей, если скорость ветра на уровне земли будет более чем 8 км/ч или около того. Если шар движется на этой скорости или более, когда он контактирует с землей, корзина (которая обычно не имеет колес и любого другого вида дна) может тянуться по земле или даже перевернуться. Даже присутствующий на земле экипаж не может оказать достаточную помощь. Общий вес (для средней пассажирской системы воздушного шара) может легко превысить вес автомобиля (лучше не стоять на стороне приземления шара, чтобы избежать быть между молотом и наковальней). Пилоты могут улучшить приземление путем посадки, в местах, защищенных от ветра, например, за линией деревьев или в небольшой долине.

На воздушном шаре нет ни моторов, ни привычного нам руля. Из всего технологического арсенала — только горелки, мешки с песком и специальный клапан в верхней части купола для травления воздуха. Как же управлять этим летательным аппаратом?

Из истории воздухоплавания

Появление на свет воздушных шаров стало первым реальным воплощением вековой мечты человечества о покорении пятого океана. В 1306 году французский миссионер Бассу впервые описал, как находясь в Китае, стал свидетелем полета воздушного шара при вступлении на престол императора Фо Киена.

Однако родиной воздухоплавания считается французский городок Аннонэ, где 5 июня 1783 года братья Этьен и Жозеф Монгольфье подняли в небо созданный ими шарообразный аэростат, наполненный нагретым воздухом.

Полет летательного аппарата весом около 155 кг и диаметром 3,5 метров длился всего 10 минут. За это время он преодолел около километра на 300-метровой высоте, что стало выдающимся событием для своего времени. Позже, воздушные шары в честь создателей стали называть монгольфьерами.

Воздушный шар братьев Монгольфье состоял из льняной оболочки, обклеенной бумагой. Чтобы ее наполнить горячим воздухом был разведен костер из мелко нарубленной соломы. А 3 месяца спустя, в конструкцию летательного аппарата было внесено дополнение в виде специальной корзины для пассажиров.

Современные воздушные шары несомненно более совершенны, но сделаны практически по той же схеме. Для изготовления сферической оболочки шара используется специальный тонкий и прочный полиэфирный материал. Изменилась система нагрева воздуха. Функцию костра выполняет регулируемая пропановая газовая горелка, установленная в корзине прямо под куполом.

Несмотря на большую зависимость от ветра, современные воздушные шары управляемы. Высота полета регулируется выпускным отверстием в верхней части купола с помощью разрывного шнура. Для изменения курса предусмотрен боковой клапан. Существуют и более сложные конструкции, где внутри основного купола может размещаться еще один, заполненный гелием.

Как управлять воздушным шаром с корзиной

Управление воздушным шаром – занятие, требующее серьезной подготовки и немалых финансовых затрат. Достаточно сказать, что курс обучения пилота аэростата стоит сегодня около 200 тыс. рублей. Цена самого аэростата (в зависимости от модели) соизмерима с ценой легкового автомобиля.

Подготовка

Полету предшествует тщательная подготовка. Прежде всего необходимо изучить метеоусловия – облачность, видимость и скорость ветра. В соответствии с полученными данными планируется маршрут полета. Ввиду непредвиденных изменений метеоусловий выбирается именно такой маршрут, где на пути есть достаточно мест для безопасных посадок.

Взлет

Чтобы воздушный шар взлетел, необходимы усилия всего экипажа. Оптимальный вариант места для старта – ровная площадка 50 х 50 метров в открытом поле, где рядом нет никаких посторонних объектов – столбов, деревьев, ЛЭП.

Затем начинается сборка шара: к корзине крепятся горелки, которые соединяются специальными шлангами с газовыми баллонами. После пробного запуска горелки экипаж приступает к растягиванию купола (обязательно по направлению ветра). Далее растянутый купол специальными карабинами пристегивается к корзине.

Следующий этап – заполнение купола холодным воздухом с помощью вентилятора, после чего запускается горелка для нагрева воздуха. Разогретый воздух поднимает купол с земли, и экипаж (с пассажирами) занимает свои места. Чтобы шар не улетел, его предварительно привязывают к автомобилю.

Полет

Несмотря на отсутствие мотора и крыльев, воздушный шар управляем, что требует определенных навыков. Основные средства управления – горелки и выпускной клапан. Для набора высоты горелка включается и воздух дополнительно нагревается, а для снижения – клапан приоткрывается. Горизонтальный полет происходит за счет попутного ветра. Именно здесь проявляется мастерство пилота. Так, чтобы лететь быстрее, он может увеличить высоту полета, где скорость ветра сильнее.

Спуск

Место посадки выбирается заранее. Оно должно быть большим и безопасным. Идеальный вариант – футбольное поле рядом с автомобильной дорогой. О месте посадки экипаж по радио сообщает на землю. Далее пилот выпускает воздух из купола при помощи клапана. Шар плавно опускается на землю.