Повітроплавання (фізика). Повітроплавання в росії

Слово "авіація" і "повітроплавання" до 20-х рр. XX в. були синонімами. На початку минулого століття все змінилося. Повітроплаванням стали називати переміщення за допомогою апаратів, які легше повітря, а авіацією-літання на літаках. Тобто, суднах, які важчі за повітря. У статті ми детально розглянемо історію повітроплавання, фізику процесу.

Чому аеростат злітає

Згадаймо, при яких умовах тіло, занурене в рідину, спливає. Якщо його щільність менше щільності рідини. Те ж саме стосується газу, зокрема повітря. Повітряна куля (аеростат) злетить, якщо всередині його оболонки знаходиться більш легкий (в порівнянні з повітрям) газ. Аеростат теж "спливає" вгору, правда йому заважає сила тяжіння, що діє на оболонку.

Перерахуємо сили, що діють на кулю. По-перше, це сила тяжіння оболонки. По-друге, це сила тяжіння газу. Газ всередині кулі теж має масу, значить, на нього теж діє земне тяжіння. Будемо вважати, що дві ці сили разом не в змозі побороти Архімедову силу, яка діє на газ з боку Повітря. Якщо це так, тоді куля може злітати і піднімати вантаж.

Піднімальна сила

Розглянемо ключові положення фізики повітроплавання. Якщо ми прив`яжемо аеростат до землі, він буде тягнутися вгору, натягуючи канат з силою, яка називається підйомної. Щоб її обчислити, потрібно з сили Архімеда відняти вагу газу разом з оболонкою. Вага-це сума сили тяжіння оболонки та сили тяжіння газу. Сила Архімеда дорівнює добутку щільності повітря на прискорення вільного падіння і на обсяг кулі.

Підйомна сила тим більше, чим легше оболонка. Вона тим більше, чим більше обсяг кулі і чим більше різниця між щільністю повітря і щільністю газу. Значить, якщо потрібно отримати максимальну підйомну силу, куля потрібно наповнювати найлегшим газом. Це водень. Однак є одна проблема: він дуже горючий, особливо в суміші з киснем. Тому найчастіше кулі надувають гелієм.

Повітряна куля

Аеростат-це апарат, який наповнений легким газом. На фотографії представлений повітряна куля, який використовують для вивчення погоди. Це так званий шар-зонд. Він наповнений гелієм, знизу до нього підвішений радіопередавач передає інформацію про температуру, тиск, вологість повітря на різних висотах. Аеростати використовуються в метеорології.

Існує можливість створювати повітроплавні апарати і порівняно безпечні, і дуже дешеві, і не вимагають ні водню, ні гелію. Замість цих газів оболонку наповнюють звичайним повітрям, але більш гарячим. Таку повітряну кулю винайшли французи, брати Монгольф`є. Подія це було грандіозне! На малюнку представлений перший теплової аеростат. Знизу запалювали вогонь, гаряче повітря наповнював оболонку, і куля злітав вгору. На певній висоті він переставав підніматися. Щоб продовжити підйом, з апарату скидали баласт. Якщо потрібно було опуститися, то зменшували вогонь.

Стратостат

На дуже великій висоті щільність повітря зменшується. Отже, зменшується і підйомна сила. Як її можна підвищити? Необхідно збільшити обсяг, тому ті повітроплавні апарати, які піднімаються дуже високо, в стратосферу, мають величезні розміри. Такі судна називаються стратостатами.

Нещодавно один екстремал встановити рекорд: він піднявся на стратостаті на висоту 39 км і у вільному падінні перевищив швидкість звуку. Це Фелікс Баумгартнер. На фото представлений стратостат, який він використовував. Його розміри близько 100 м, що можна порівняти з висотою Статуї Свободи. Літальний апарат наповнений 85 тис. м³ гелію, внизу підвішена так звана гондола, де знаходиться пасажир.

Дирижабль

Розглянемо фізику повітроплавання. Аеростат і стратостат рухаються туди, куди дме вітер. Досвідчені повітроплавці знають, що на різних висотах вітер різний. Тому вони регулюють висоту повітряної кулі так, щоб вітер дув туди, куди їм треба. Якщо потрібно плисти з пункту а в пункт Б незалежно від вітру, то слід пристосувати до апарату спеціальний гвинт, як в літаку, який допоможе переміщатися в потрібному напрямку. Такий пристрій називається дирижабль. Як правило, це дуже великі системи. Апарат наповнений гелієм, внизу прикріплена гондола, а під її дном розташований повітряний гвинт. Троси, які звисають з нижньої частини дирижабля, потрібні для того, щоб закріпити його на землі.

Один з найвідоміших у світі дирижаблів побудували німці на початку 30-х рр. XX століття, він називався " Генденбург». Доля цього апарату в чомусь схожа на долю " Титаніка». Він був надзвичайно комфортабельним судном. Його довжина становила близько чверті кілометра. На його борту містилися приблизно 100 осіб. Дирижабль приводили в рух 4 двигуни.

6 травня 1937 року судно спіткала аварія. Його потрібно було наповнювати виключно гелієм, а в той час гелій можна було дістати тільки в США. Так як це був час правління Гітлера, американці навідріз відмовилися продавати газ нацистам. Дирижабль заповнили воднем. Були прийняті надзвичайні запобіжні заходи, щоб не сталася пожежа. Під час посадки стояла передгрозова погода, а в повітрі було сильне електричне поле. Дирижабль здійснював рейс з Німеччини (г. Франкфурта) в Нью-Йорк, через Атлантичний океан. Коли його садили, виникла Іскра, через витік водню дирижабль загорівся. З 97 пасажирів загинуло 35, ще одну людину вбило на землі.

Перші кроки повітроплавання в нашій країні: трохи історії

Про повітроплаванні в Росії дізналися за часів Катерини II. Її посланник у Франції повідомив про винахід братів Монгольф`є.

Сенсацію розтиражували російські газети, а пізніше до друку вийшла книга, яка пояснювала принцип дії повітряної кулі. Її прочитав Ейлер, член Академії наук у Петербурзі. Він вивчив фізику повітроплавання і сконструював перший аеростат. Після єдиного польоту цього апарату Катерина II своїм указом заборонила повітроплавання через небезпеку загоряння. За порушення указу було передбачено штраф у 20 руб.

При Катерині II ніхто указ не порушував, але коли країною правив Олександр I, повітряна куля знову полетів. Це відбувалося в Москві, аеростатом керував чоловік на прізвище терці. Він підносив повітроплавання як циркову виставу і заробляв на цьому великі гроші.

У 1803 р. до Росії запросили знаменитого аеронавта Гарнерена з дружиною. Вони продемонстрували можливості повітряної кулі здивованій публіці, серед якої був і імператор Олександр I.

Використання апарату в науці і військовій справі

Гарнерен здійснив не один показовий політ, перш ніж повітроплаванням суден зацікавилися вчені. Академія наук відправила в політ одного зі своїх членів, Захарова, щоб той проводив спостереження за атмосферою. Академік взяв з собою на борт багато вимірювальних приладів, реактивів. Через те, що повітряна куля була не надто великою, щоб набрати висоту, довелося скинути не тільки баласт, а й багато приладів, їжу і навіть фрак.

У 1812 р. при дворі імператора були впевнені, що Наполеон все-таки піде війною на Росію. Вирішили використовувати повітряне судно у військових цілях. Почалася робота над будівництвом дирижабля. 150 теслярів і майстрів ковальства створювали гондолу, а швачки працювали над створенням оболонки. Дирижабль мав кермо для зміни висоти польоту, а також весла для маневрування. У гондоли був люк для скидання фугасів на противника. На жаль, повітряне судно так і не взяло участь в бою.