Воздухоплавание

Введение

Воздухоплавание — это искусство и наука полёта в плотной среде — в воздухе. К нему относятся воздушные шары, аэростаты, дирижабли и современные аэростаты-навигационные системы. Главное в воздухоплавании — научиться использовать разницу плотностей газа внутри оболочки и окружающего воздуха, чтобы получить подъёмную силу и нести груз.

Почему вещи поднимаются в воздухе

Когда объём содержимого оболочки меньше по массе, чем масса воздуха того же объёма, возникает подъёмная (выталкивающая) сила — по закону Архимеда. В газах этот принцип работает так же, как в жидкостях:

Выталкивающая сила равна весу воздуха, вытесненного аппаратом: $F subscript A equals rho subscript text возд end text end subscript times g times V$ .
Но внутри оболочки находится газ массой $rho subscript text газ end text end subscript times V$ , поэтому полезная подъёмная сила (чистый подъём) определяется разностью плотностей:

$display style F subscript text подъём end text end subscript equals not stretchy left parenthesis rho subscript text возд end text end subscript minus rho subscript text газ end text end subscript not stretchy right parenthesis times g times V straight.$

Здесь $V$ — объём оболочки, $g almost equal to 9 , 8 text end text text м/с end text squared$ , $rho$ — плотности в кг/м³.

Основные типы аэростатов

Горячий воздух (аэросты) — воздух внутри нагревают; тёплый воздух легче холодного, поэтому возникает подъём.
Газовые аэростаты (гелий, водород) — применяют лёгкие газы; они дают большую подъёмную силу при той же температуре.
Дирижабли — большие оболочки с управляющими рулями и моторами; могут нести людей и грузы.

Пример-задача (с моими числами)

Условие (мои числа): аэростат-радиозонд имеет объём $V equals 12 text end text text м end text cubed$ . Он заполнен гелием с плотностью $rho subscript text гелий end text end subscript equals 0 , 18 text end text text кг/м end text cubed$ . Плотность окружающего воздуха принимаем равной $rho subscript text возд end text end subscript equals 1 , 225 text end text text кг/м end text cubed$ . Вес оболочки зонда (ткани, каркаса) равен $8 text Н end text$ . Какой максимальный вес аппаратуры (в ньютонах) может поднять этот радиозонд?

Решение (шаги):

Найдём разность плотностей:

$display style straight capital delta rho equals rho subscript text возд end text end subscript minus rho subscript text гелий end text end subscript equals 1 , 225 minus 0 , 18 equals 1 , 045 text end text text кг/м end text cubed straight.$

Найдём массу воздуха «разницы», которую можно заменить объёмом $V$ :

$display style m subscript text эфф end text end subscript equals straight capital delta rho times V equals 1 , 045 cross times 12 equals 12 , 54 text кг end text straight.$

Найдём подъёмную силу (в ньютонах):

$display style F subscript text подъём end text end subscript equals m subscript text эфф end text end subscript times g equals 12 , 54 cross times 9 , 8 almost equal to 122 , 9 text Н end text straight.$

Из этой силы нужно вычесть вес оболочки, чтобы получить массу груза, которую можно поднять:

$display style F subscript text полез end text end subscript equals F subscript text подъём end text end subscript minus F subscript text оболочки end text end subscript equals 122 , 9 minus 8 equals 114 , 9 text Н end text straight.$

Ответ: радиозонд может поднять аппаратуру весом примерно 115 Н. Это соответствует массе $m equals F straight divided by g almost equal to 11 , 73 text кг end text$ .

Примечание: если в условии вместо гелия взять водород ( $rho almost equal to 0 , 09 text end text text кг/м end text cubed$ ), подъёмная сила будет больше; если объём меньше — подъём снизится.

Практические замечания

В расчётах важно указывать единицы: объём в м³, плотности в кг/м³, g в м/с², ответ в ньютонах (Н). Чтобы получить массу в килограммах, делим силу на g.
На подъёмную способность влияют температура и давление воздуха (высота полёта): чем выше, тем плотность воздуха меньше — и подъём уменьшается.
Оболочка и дополнительное оборудование (каркас, радиопередатчик, батареи) «съедают» значительную часть подъёма.

Вопросы для самопроверки

Что даёт подъёмную силу в случае аэростата: вес газа внутри или вес вытесненного воздуха?
Запишите формулу для полезной подъёмной силы аэростата.
Почему горячий воздух поднимает корзину воздушного шара?
В задаче выше почему мы учитываем вес оболочки?
Как изменится подъём, если объём аэростата увеличить в два раза?
Что произойдёт с подъёмной силой при подъёме на большую высоту (там, где воздух разрежён)?
Почему водород даёт больше подъёма, чем гелий? Какие у него недостатки?
Посчитайте, какой полезный груз сможет поднять зонд при тех же условиях, но объёмом 8 м³ и гелием с плотностью 0,18 кг/м³ и оболочкой 5 Н.
В чём практическая польза аэростатов-радиозондов?
Какие меры безопасности нужно учитывать при использовании водорода в аэростатах?

Последнее изменение: Суббота, 1 Ноябрь 2025, 13:30