Автор: Газизуллина Алина

Возраст: 13 лет

Место учебы: МБОУ СОШ с. Райманово

Город, регион: Город Туймазы, регион 102, Республика Башкортостан.

Руководитель (Газизуллина Анджела Фанильевна, Школа с. Райманово.)

Историко-исследовательская работа " Воздушные шары: наука, спорт, туризм, развлечение…

"

Я думаю о нём, о голубом небе. О чистом и светлом, без единого облачка. Я восхищаюсь им, мирным голубым небом, от него веет спокойствием и безмятежностью.

Я начала свою работу с этих слов потому-что человека всегда тянуло  в небо. Дажо в древности человек стремился к нему, а теперь человек достигнул своей цели.

Ну а воздушные шары и стали первым путём в небо.

Актуальность данной работы заключается в том, что практические возможности воздушных шаров уже давно нашли очень широкое применение в различных отраслях. Например, в туризме, спорте и различных аттракционах, а так же для военных целей и научных метеорологических наблюдений.

Цель работы: Всесторонне, в различных аспектах, рассмотреть применение воздушного шара, как простейшего летательного аппарата, а так же самим изготовить миниатюрную действующую модель.

В этой работе поставлены следующие задачи:

1.        Изучить литературу по теме.

2.        Изучить особенности конструкции воздушного шара.

3.        Исследовать принцип полета воздушного шара.

В работе использовались следующие методы:

1.        Ретроспективное изучение литературных источников.

2.        Выполнение простейших аэродинамических расчётов.

3.        Изготовление и опытные запуски воздушного шара в миниатюре с последующей доводкой и регулировкой.

Объектом исследования стали воздушные шары различных типов и конструкций.

Предмет исследования – использование воздушных шаров в различных отраслях.

Глава I. Воздушный шар и воздухоплавание

I.1. История развития воздушных шаров

Полеты на воздушном шаре были красочно описаны Жюль Верном в его фантастических рассказах. Многие из его предложений стали былью, вошли в нашу жизнь и превратились в обыденную реальность.

Воздушный шар, а точнее — аэростат, был первым летательным аппаратом, позволившим человеку оторваться от земли. Принцип действия аэростата основан на законе Архимеда, причем подъемная сила летательного аппарата создается за счет разности плотностей воздуха и газа, наполняющего оболочку. Более легкий и менее плотный газ стремится вверх в область равных плотностей, увлекая за собой весь летательный аппарат.

Слово «аэростат» составлено из греческих слов «аэро» и «статос», что означает «воздух» и «неподвижный» [3,7]. Этот термин применяется, как официальный научный, технический и профессиональный. В русском же языке прочно укоренилось словосочетание «воздушный шар», которое тоже имеет право на существование. Однако название «воздушный шар» принадлежит и резиновой игрушке, потомку древнего пузыря, наполняемого иногда обычным воздухом, не имеющим подъемной силы. Поэтому в отношении летательного аппарата наиболее приемлемо слово «аэростат»[7].

По техническому решению аэростаты делятся на два основных типа – газонаполненные и тепловые [3].

Газонаполненные аэростаты изобрел французский профессор Жак-Александр-Сезар Шарль. Первый беспилотный полет аэростат Шарля совершил 28 августа 1783 года. Первый пилотируемый свободный полет на газонаполненном аэростате состоялся 1 декабря 1783 года, пилотами были сам профессор Шарль и механик Робер. В честь изобретателя газонаполненные аэростаты некоторое время называли шарльерами. Оболочка газонаполненного аэростата наполнялась водородом, иногда - более дешевым метаном. Сейчас для этого типа аэростатов применяется гелий [1,8].

Иначе устроен тепловой аэростат, изобретателями которого являются французские фабриканты братья Жозеф и Этьен Монгольфье. Эти аэростаты в честь изобретателей называют монгольфьерами. У монгольфьеров оболочка наполнена горячим воздухом или паровоздушной смесью. Для поддержания высокой температуры воздуха внутри оболочки монгольфьеры оснащены горелками, работающими чаще всего на природном газе [8].

Увлекшись естественными науками, братья Монгольфье 5 июня 1783 года подняли в небо первый беспилотный тепловой аэростат. 19 сентября того же года ими был осуществлен подъем на монгольфьере животных. На высоту около полукилометра поднялись баран, утка и петух. Полет прошел успешно, возможность безопасного пребывания человека в небе была доказана.  Первым человеком, кто совершил полет на воздушном шаре, был Джин-Франкос. Это произошло 15 октября 1783 г. и стало началом эры воздухоплавания.

Подготовка пилотируемого полета потребовала от братьев Монгольфье оснащения своего аэростата топкой. Пока шли эксперименты, Этьен Монгольфье и молодой физик Пилатр де Розье осуществляли подъемы на привязном монгольфьере. 21 ноября 1783 года состоялся первый свободный пилотируемый полет аэростата. На борту находились Пилатр де Розье и маркиз д‘ Арланд. Пилоты регулировали температуру воздуха в оболочке, подбрасываю солому в топку. Полет продолжался около двадцати минут и прошел благополучно. Таким образом, приоритет в изобретении пилотируемого воздушного шара принадлежит братьям Этьену и Жозефу Монгольфье [2,3].

Конструкция воздушного шара мало изменилась с момента его изобретения до настоящего времени. Воздушный шар почти всегда имеет сферическую или грушевидную форму. Оболочка воздушного шара представляет собой огромный мешок из ткани, покрытый каучуком, обеспечивающим эластичность и его герметичность. До середины 19 века воздушные шары были не управляемые. Поднявшись в воздух, шар просто дрейфовал по ветру. Горячий воздух остывал, просачивался через оболочку, шар терял высоту. Регулирование высоты полета осуществлялось сбросом балласта (мешки с песком), загруженного перед началом полета в гондолу или выпуском воздуха через клапан. Были предприняты попытки устройства регулируемых парусов, но это успеха не принесло.

В период франко-прусского конфликта в 1870-71 гг. 65 воздушных шаров были использованы для переброски пассажиров и груза из осаженного Парижа. В 1875 г. были предприняты попытки пересечь на воздушном шаре пролив Ла-Манш. Однако это мероприятие имело сомнительный успех. Пилоты были вынуждены выбросить из гондолы все оборудование, снаряжение и даже одежду.  В начале 20 века воздушный шары стали использовать для научных целей при изучении стратосферы, и в 1901 г. был совершен первый высотный подъем.   

I.2. Применение воздушных шаров

Современные аэростаты – это воздушные шары, которые поднимаются вверх благодаря нагретому воздуху. Их оболочка изготовлена из синтетического материала со специальным покрытием, которое обеспечивает воздухонепроницаемый эффект. Также аэростат укомплектован блоком горелок, которые работают на пропане и бутане. Кроме этого воздушный шар оснащен барометрическими приборами, а также вентилятором для предварительного поступления в оболочку холодного воздуха.

За всё время своего существования воздушные шары применялись и до сих пор используются для различных военных и научных целей, для спорта, туризма и развлечений.

• Привязные шары для военных целей разделяются на крепостные и полевые; те и другие отличаются только размерами и служат для осмотра расположения своих и неприятельских войск, их расположения и движений. Иногда они служат для корректирования стрельбы артиллерии. Такие аэростаты снабжаются телефонами, проводники которых находятся в связи с штабами главных начальников. Привязные канаты крепятся к шару помощью трапеции, как видно на чертеже, что обусловливает вертикальное положение корзины при любом уклоне шара и не допускает вращения корзины.
• Привязные шары для метеорологических и фотографических целей вводятся в последнее время в разных государствах и служат метеорологам высокими пунктами для научных наблюдений. Шары эти имеют небольшую емкость и поднимают одни записывающие метеорологические инструменты.
• Привязные шары для подъемов публики в последнее время служат непременною принадлежностью всякой большой выставки и делаются обыкновенно значительного объема, не менее 8000 куб. м. Сегодня баллонинг – это уникальная и доходная отрасль системы предприятий и уникальный, привлекающий внимание всех без исключения метод аттракции. Катание на воздушных шарах – элитное развлечение для состоятельных туристов. Так как это дело обыкновенно имеет чисто коммерческую подкладку, то зачастую предприниматели для удешевления своего предприятия строят шары из материалов не очень высокого качества, почему и поднимают публику только в исключительно хорошую погоду, опасаясь за целость своего аэростата и особенно за дорогостоящий газ (обыкновенно водород). Почти все выставочные аэростаты кончали тем, что рвались. Вот почему не следует допускать эксплуатацию выставочных шаров дольше шести месяцев, считая содержание их в наполненном виде. Шар, выслуживший этот срок, уже не представляет гарантий безопасности.
• Светящиеся сигнальные шары представляют собою небольшие шарльеры, сделанные из прозрачной легкой материи. Такой шар рассчитывается на подъем электрического двужильного кабеля и нескольких ламп с накаливанием. Внизу ставится динамо-машина с двигателем или батарея из гальванических элементов или электрических аккумуляторов, назначаемых для питания ламп; там же имеется особый коммутатор в роде телеграфного ключа Морзе для замыкания и размыкания тока и подачи сигналов. Лампы подвешиваются или внутри шара, тогда весь шар светится, или подвешиваются под шаром. Иногда огни ламп делаются разноцветными. Высота подъема обыкновенно не превышает 200 м.
• Пробные воздушные шары — это маленькие шарики, не больше одного метра емкости, обыкновенно из пролакированной бумаги, наполняемые газом. Служат для определения направления ветра и пускаются перед полетом. Обыкновенно делаются цветными и снабжаются лентами из бумаги. Для метеорологических целей к такому шарику подвязывается черная лента определенной длины с обозначенными поперечными, значительно уширенными концами. Зная длину ленты, судят об удалении аэростата, измеряют в то же время углы, составляемые с горизонтом, помощью теодолита и направление по компасу, легко выводят направление и скорость движения воздушных течений на разных высотах.
• Воздухоплавание как спорт начало развиваться в конце 19 столетия. Конструкции воздушных шаров совершенствовались. Постепенно стали устанавливать рекорды дальности и высоты полетов. Развитие другой летательной техники оставило аэростаты привилегией спортсмено

                    Глава II.Конструкция воздушного шара II.1. Расчёты миниатюрной модели шара        Широкое распространение в быту лёгких пластиковых паке­тов, газовых зажигалок и стеариновых свечей позво­ляет надеяться на возможность осуществления полёта воздушно­го шара в домашних условиях. Теоретически обосновать такую возможность   в   состоянии   даже ученик средней образовательной школы, начавший изучать условия плавания тел из курса физики. Как уже отмечалось в первой главе, принцип действия аэростата основан на законе Архимеда.   Измерения показали, что удель­ная подъёмная сила µ горячего воз­духа при 100 °C составляет  0,278 кг/м .   Это значит,  что  при температуре  атмосферы   0 °C   один кубический метр воздуха, нагретого до  100°C,    способен   поднять   груз массой 278 г.

Обозначим объём шара V, плотность относительно холодно­го воздуха комнаты P1и нагрето­го воздуха в оболочке шара P2. Сила Архимеда, действующая на шар, равна весу вытесненного ша­ром холодного воздуха   f₁ = P₁gV, а сила тяжести, действующая на нагретый воздух в шаре, равна f₂ = P₂gV. Тогда подъёмная сила шара составляет

f=f₁-f₂=(P₁-P₂)gV     (1)

В нашем распоряже­нии имеется тонкий полиэтилено­вый пакет размером 30x40 см. Ес­ли такой пакет наполнить воздухом, то получится тело, которое прибли­жённо можно заменить параллепипедом с основанием 15x15 см и вы­сотой около 40 см. Объём надутого пакета примерно равен 0,009 кубических метра, или 9 литров.  Согласно  табличным данным, плотность   сухого   воздуха  при   нормальном давлении и температуре 20 °С   составляет 1,205 кг/м ,  а при100 °С  равна 0,946 кг/м . Подставляя эти значения в фор­мулу (1), получаем, что подъёмная сила проектируемого воздушного шара  может достичь  величины 2,28 10 Н. Это значит, что шар сможет поднять груз (считая и его обо­лочку) массой 0,0233 кг (23 г.)

Проверить выполненный расчёт можно, если воспользоваться при­ведённым выше значением удельной подъёмной силы горячего воздуха: шар объёмом 9 л, воздух в котором нагрет до 100°С, сможет поднять груз массой  m=µV=0,0255кг.  Это неплохо согласует­ся с полученным выше значением, особенно если учесть, что наш рас­чёт проведён для перепада темпера­тур не 100°С,  а 80°С.

Итак, чтобы воздушный шар по­летел вверх, сила тяжести, дейст­вующая на оболочку шара и другие его элементы, должна быть меньше силы Архимеда.

Монгольфьер летает потому, что плотность нагретого воздуха внутри шара меньше, чем холодно­го снаружи.

Чтобы понять, почему плот­ность воздуха зависит от его тем­пературы, нужно вспомнить газо­вые законы.

Согласно закону Гей-Люссака объём V данной массы m газа при постоянном давлении прямо пропор­ционален его абсолютной темпера­туре T:

V/T=const    (2)

Отсюда следует, что плотность газа P=m/V при неизменном давлении обратно пропорциональна абсо­лютной температуре: PТ = const. Тогда для двух разных значений температуры T₁ и T₂ отношение соответствующих плотностей P₁ и P₂  равно:

P₁/P₂ = T₂/T₁   (3)

Изменение   плотности   газа   можно записать в виде:

∆P = P₁-P₂ = P₁(1-P₂/P₁)

Учитывая соотношение (3), отсюда получаем, что изменение плотности газа при нагревании его от темпера­туры T₁ до T₂ = T₁ + ∆T составляет

∆P = P₁(1-T₁/T₂) = P₁*∆T/T₂    (4)

Поэтому воздух объёмом V, на­гретый до температуры Т₂, при тем­пературе окружающего воздуха Т₁ согласно закону Архимеда (1) в со­стоянии поднять груз массой

m= ∆P*V = P₁*∆T/T₂*V    (5)

Подстановка в последнюю фор­мулу значений  P₁=1,205 кг/м, V=0,009м³     Т₂ =373 К   и   ∆T = 80 К  даёт значение m=0,0233кг, ко­торое вполне согласуется с оценка­ми, полученными выше.

Воздушный шар, в отличие, на­пример, от дирижабля, снизу от­крыт. Это отверстие совершенно не­обходимо, иначе на большой высоте, где давление внешнего воздуха ма­ло, внутреннее давление разорвёт оболочку шара.

В случае дирижабля подъёмная сила Архимеда обусловлена, оче­видно, разностью давлений на верх­нюю и нижнюю его поверхности. А за счёт чего появляется подъёмная сила воздушного шара?

Нетрудно сообразить, что в воз­душном шаре или аэростате подъ­ёмная сила возникает за счёт разно­сти давлений извне и изнутри на одни и те же участки его оболочки. Вблизи нижнего отверстия аэроста­та эта разность давлений равна нулю, так как внутренний объём аэро­стата свободно сообщается с атмо­сферой. В верхней части оболочки указанная разность давлений дости­гает максимума [приложение 1].

Воздушные шары в туризме и в развлечении, используются по разному некоторые для того чтобы увидеть с неба разные архитектурные сооружения, ну некоторые чтобы просто развлечься , чтобы набраться эмоций.

Воздушные шары это здорово.

Сайты

Сайт Воздушные шары