Антуан де Сент-Екзюпері, французький льотчик і поет здійснив вимушену посадку в африканській пустелі і прокинувся на гребені з особою, зверненим до зірок. «Не відразу зрозумівши, що за глибини переді мною, не знаходячи кореня, за який можна вчепитися, ні даху, ні гілки дерева між мною і цими глибинами, я відчув запаморочення, відчув, що вже відірвався і лечу в безодню.
Однак я нікуди не впав. Від потилиці до п'ят я був пов'язаний із Землею. Я віддався їй всією вагою свого тіла і відчув якесь заспокоєння. Сила тяжіння здавалася мені всемогутньою, як любов.
Я відчув, що Земля мене підпирає, підтримує, піднімає і несе в нічний простір. Я відкрив, що вага тіла притискає мене до планети, як на поворотах притискає тіло до машини; а насолоджувався цією підтримкою, її міцністю, її надійністю і відчував під вагою тіла вигнуту палубу мого корабля. Я відчував у своїх плечах цю силу тяжіння - гармонійну, постійну, на віки віків однакову. Я був пов'язаний з рідною Землею ».
Так, тільки завдяки тяжінню Земля стала для нас Матір'ю. Гравітація утримує на Землі людей, тварин, воду і повітря. Тисячі років людина мріяв про політ над хмарами. Але сила тяжіння прив'язувала його до землі. Люди обійшли всі землі, вивчили всі річки і моря, але небо залишалося далеким і незрозумілим. Людини манили блакитні дали. Спостерігаючи світ живої природи, стрімкі польоти птахів, людина давно став мріяти про можливість летіти по повітрю. У багатьох країнах виникали міфи, оповіді, легенди про людей, які намагалися піднятися в повітря.
Ікар Скільки їх було! І на Русі було чимало бажаючих відчути себе птахом, що ширяє над хмарами. Люди робили крила з різних матеріалів: дранок, тканини, міхурів і шкіри тварин. І випробовували свої крила по-різному. Хтось з розгону намагався відірватися від землі, розмахуючи крилами, як півень. Хтось з дерева стрибав, а хто і з церковних дзвіниць.
Саме тому на Русі були заборонені спроби літати. При Івана Грозному вийшов указ про те, що будь-який, хто не послухається заборони, повинен бути страчений. Ще в1227 році в Новгороді за спробу літати були спалені чотири людини.
З деяких джерел відомо, що перший політ на повітряній кулі здійснив наш співвітчизник в 1731 році і лише в 1783 році його спробу повторили брати Монгольф'є. Російським випробувачем повітряної кулі б рязанський піддячий Крянутной. Ця подія не тільки не принесло слави нашій країні, а й мало не закінчилося сумно для аеронавта і його конструкції. Місцеві священнослужителі, обурені такою єретичною зухвалістю мало не «закопали живого в землю».
Повітряні кулі, літаки, дирижаблі, планери, вертольоти Збулася мрія людини, він може літати. Ера повітроплавання почалася з винаходу братами Монгольф'є аеростата. Літальні апарати легше повітря називають аеростатами. Перші аеростати мали зазвичай форму кулі, звідси їх інша назва - повітряні кулі. Аеростат - це оболонка, що заповнюється газом легшим, ніж повітря. Так само як і занурений в воду м'яч відповідно до закону Архімеда спливає на поверхню, аеростат прагнути піднятися з нижніх шарів атмосфери вгору, де щільності газу в оболонці і зовнішнього повітря практично однакові. Досягнувши певної висоти, аеростат виявляється у владі повітряних течій і як би пливе по повітрю. Звідси походить термін «повітроплавання».
Отже, перша повітряна куля, створений братами Жозеф і ЕтьенМонгольфье, був запущений в маленькому невідомому містечку анонім. На середині площі висів на стовпах величезний полотняний куля - сім сажнів завширшки. Куля була покрита зверху папером, знизу було великий отвір, а під отвором висіла жаровня. Брати Монгольф'є поклали в жаровню гаряче вугілля. Вони нагріли повітря в кулі, він розширився, частина його вийшла, куля став легше. Брати перерізали канат, і куля рвонувся в хмари.
Брати Монгольф'є захотіли дізнатися, чи можна літати на такій кулі людям. Але бажаючих відправитися в повітряну подорож не було, ніхто не наважився. Монгольф'є прив'язали велику плетений кошик і посадили в неї вівцю, півня і качку. Це були перші повітроплавці. Повернулися вони на землю благополучно. На монгольф'єрів - так стали називати ці кулі - стали літати люди. Перший політ аеростата з людьми здійснив французький фізик і хімік Пілар де Розьє, піонер повітроплавання, разом з маркізом Ф. д 'Арланда на тепловому аеростаті братів Монгольф'є. Пілар де Розьє загинув при спробі перелетіти Ла-Манш на аеростаті власної конструкції, що отримав назву «Розьер». Аеростати цього типу досі застосовуються при спортивних польотах.
До появи літаків аеростати були єдиним засобом пересування для повітряних подорожей. Згодом аеростати стали застосовувати в практичних цілях - це перевезення вантажів, спостереження природних явищ і т. П. Під час 1-ї Світової війни повітряні кулі використовувалися для повітряної розвідки укріплень супротивника і коригування артилерійського вогню, і навіть бомбометання. Широке застосування знайшли аеростати під час Великої Вітчизняної війни. Вони вели спостереження, велике поширення в системі протиповітряної оборони м Москви і Ленінграда від нальотів німецько фашистської авіації отримали аеростати загородження.
У 30-ті роки було побудовано кілька висотних аеростатів для дослідження верхніх шарів атмосфери - стратостатів. Гондола стратостата робилася герметичній, щоб люди на великій висоті не страждали від нестачі кисню.
Вільно летить повітряна куля-іграшка вітру. Аеростати літали тільки туди, куди дув вітер. Це основна причина того, що повітряні кулі не набули широкого поширення. На зміну їм прийшли керовані аеростати-дирижаблі, що в перекладі з французької означає «керований».
Ідеї створення керованих повітряних куль відносяться ще до 18 століття. Ними намагалися керувати за допомогою весел і вітрил або птахів в спеціальних упряжках. Конструкції керованих аеростатів стали створюватися лише в 19 ст. коли з'явилися перші досить легкі двигуни. У 1887 р К. Е. Ціолковський розробив проект жорсткого цельнометаллического дирижабля, який, проте, не був побудований. Майже все життя Ціолковський багато займався питаннями повітроплавання. Його перша наукова робота з повітроплавання "Аеростат металевий, керований" побачила світ в 1892 році.
Кінець 19 - початок 20 ст. - період розквіту дирижаблебудування. У 1900 р в Німеччині був побудований перший жорсткий дирижабль Ф. Цепеліном. У 1919 р англійський дирижабль місткістю 55000 м3 перелетів через Атлантичний океан без посадки, подолавши відстань 5800 км. У дні війни для перевезення спеціальних вантажів в тилу застосовувався дирижабль «У-12». А дирижабль «Перемога», побудований в 1944 році використовувався на Чорному морі для відшукання мінних полів, затонулих суден в 1945-1947 роках.
Їх економічність і велика вантажопідйомність привертала увагу фахівців. У 1960 р у нас в країні було створено громадське конструкторське бюро з проектування сучасних дирижаблів. Основні обов'язки дирижаблів були перевезення вантажів, укладання нафтогазових труб, установка опорних ліній електропередач, робота в важкодоступних районах, де немає доріг.
З кінця 80-хх років все частіше можна бачити плаваючі по небу аеростати, великі і не дуже, часом самої незвичайної форми і неймовірною забарвлення. Щорічно в різних місцях проводиться фестивалі повітряних куль, на які з'їжджаються любителі повітроплавання з багатьох країн світу. Досягнення радіотехніки, електроніки, автоматики, точного приладобудування дозволили створити надійно літаючі безпілотні вільні аеростати. Ними користуються для вивчення повітряних течій, для географічних і медико-біологічних досліджень, для запуску метеорологічних ракет і підйому телескопів і т. Д.
2. Умова польоту повітряної кулі. Вага - один з чинників, від яких залежить можливість літати.
Великий, наповнений гарячим повітрям повітряна куля витісняє приблизно 3000 кг повітря. Так що якщо загальна маса кулі, включаючи вантаж і оболонку, менше 3000 кг, то куля злетить. Але є одна проблема: для надування кулі потрібно майже 3000 кг звичайного холодного повітря, так що весь допустимий ваговій межа піде на один тільки повітря. Цю проблему можна вирішити, якщо підігріти повітря на газовому пальнику. Висока температура змушує повітря всередині кулі розширюватися, так що деяка частина виштовхується через отвір внизу купола. Якщо довести обсяг виштовхує повітря, скажімо до 500 кг, тоді залишився всередині кулі гаряче повітря, буде важити вже 2500 кг. За умови, що вага вантажу і оболонки не перевищить 500 кг, куля піднімається в повітря.
Повітряна куля зможе летіти за умови, що його загальна маса не перевищить маси витісняється їм повітря. У куля накачується 2500 кг гарячого повітря, а сам куля витісняє 3000 кг холодного повітря. Тому вага оболонки, кошики, пальників, балонів з газом і команди не повинен перевищувати 500 кг, інакше куля не зможе піднятися. (3) Енциклопедія школяра.
Деякі кулі наповнюють гелієм, але принцип все одно залишається тим же. Як нагріте повітря, гелій легше звичайного повітря, і вага повітря, який він витісняє, «займуть» оболонка купола і весь інший вантаж.
Причиною підйому кулі є підйомна сила, що виникає внаслідок різниці щільності повітря зовні кулі і легкого газу, що заповнює кулю.
1. Вивчення підйому повітряної кулі.
Гіпотеза 1. При наповненні теплим повітрям з кулі витісняється деяка частина повітря, куля стає легше навколишнього повітря, тому піднімаються вгору.
Гіпотеза 2. Підйомна сила повітряного паперового кулі дорівнює різниці між вагою повітря в обсязі кулі і вагою газу, що заповнює кулю. Чим більше різниця в щільності повітря і газу, що заповнює кулю, тим більше підйомна сила. Тому підйомна сила кулі більше на вулиці, де повітря менш прогрітий [2].
Створення паперового кулі.
Методика проведення експерименту. Зробити з газети куля. Необхідно надути дитячий гумову кульку і обгорнути, намочивши водою газету. Робиться за технологією пап'є-маше, але в один ряд. Кути обережно зігнути відповідно формі кульки, сильно намочити, щоб папір прилипла на згині один до одного. Зробити невеликий отвір, бажано круглої форми. Залишити сушитися 1-2 дня. Після сушіння потрібно спустити дитячий кульку, прибрати з паперового кулі. Можна робити повітряні кулі з чорно-білого або кольорового газети. З кольорового газети виходять гарні, святкові монгольф'єрів. Встановити кулю на підніжках або на циліндрі діаметром 10 см. На тонких дротах підвісити сухе пальне масою 1-2 г. на відстані 22-30 см. Від кулі і підпалити пальне.
-створення повітряної кулі - розробка технології створення повітряної кулі;
- умови польоту паперового кулі.
- повітряна куля діаметром 9 см. (Додаток 1)
- повітряна куля діаметром 20 см. (Додаток 1)
Куля діаметром 9 см не полетів.
Діаметр кулі 22 см. Маса газети, пального, дроту = 6,25 м
Знайти об'єм кулі по формулі: V = 4/3 π R3.
Знаючи обсяг можна знайти силу Архімеда: Fa = ρв * g * VШ.
Обчислити силу тяжіння, що діє на кулю: Fт = m * g.
Обчислення. Fт = 0, 00625 * 10 = 0,0625 Н.
V = 4/3 * 3,14 * 0,113 = 0,005 м3. Fa = 1,3 * 10 * 0,005 = 0,065H.
Експеримент не вдалося довести до кінця, по необережності експериментаторів куля згорів.
Гіпотезу 2 не вдалося перевірити по вище зазначеної причини.
2. Політ мильних бульбашок.
Гіпотеза 1. Мильні бульбашки при видування наповнюються теплим повітрям наших легень, який легше навколишнього повітря, тому піднімаються вгору.
Гіпотеза 2. Збільшується розмір міхура при попаданні його з холодної в теплу кімнату. Це пояснюється тим, що повітря всередині міхура розширюється.
Приклад: якщо на морозі в -150 С обсяг міхура 1000 куб. см і він потрапляє в кімнату, де температура + 150 С, то він збільшиться на 1000 * 30 * 1/273 = близько 110 куб. см. [6].
Методика проведення експерименту. Необхідно приготувати розчин простого господарського мила. Шматок мила розводять в чистій воді, поки не вийде густий розчин. Краще використовувати чисту дощову або снігову воду або ж кип'ячену охолоджену воду. Щоб бульбашки трималися довго можна додати до розчину 1/3 гліцерину (за обсягом). Також можна додати трохи шампуню. Видувати бульбашки розміром 2,5,10 см.
- Залежно висоти підйому міхура від обсягу;
- залежності швидкості підйому міхура від обсягу;
- зміна цих же параметрів в залежності від температури повітря в приміщенні.
Приготований мильний розчин, різні пристосування для видування бульбашок: стрижень і різні запасні частини від друкарської ручки, скотч
В ході тривалих дослідів вдалося отримати бульбашки різних розмірів. Дрібні були розміром в 1 см, найбільші - до 20 см. Вдувати і вдихали повітря в мильні бульбашки. Великі бульбашки отримані при видування котушкою широкого скотча діаметром 8 см. Бульбашки, отримані при видиху, піднімалися високо. Бульбашки великих розмірів (менш і більше 15 см) піднімалися на висоту більше 2 метрів (від місця видування піднімалися на 60 - 85 см), потім повільно падали. Бульбашки середніх розмірів (5-7 см) піднімалися на висоту до 25 см, вище не піднімалися. Дрібні бульбашки (3-5 см) - всього до 10 см і то дуже рідко.
Залежність швидкості підйому кулі від обсягу не виражена, зате повільніше падіння великих бульбашок. Маленькі кулі падають з висоти 1 метр приблизно за 7 секунд, а великі за час 8 секунд.
Складно спостерігати збільшення розмірів бульбашок при переході з холодної кімнати в теплу, міхур замерзає. Тому провели спостереження за дитячим кулькою.
Методика вимірювань. Занурили куля в холодну воду при t = 200 C. Зміряли ниткою довжину окружності по великому і малому перетину: l 1 = 43 см, l 2 = 48 см. Використовуючи формулу l = 2 х π х R, вирахували радіуси: R = l / 2 x π. R 1 = 6,8 см. А R 2 = 7,6 см. В середньому об'єм кулі дорівнює: V = 4/3 * 3,14 * 7,23 = 1522,6 см3. Потім опустили в гарячу воду при t = 450 C. Довжина кола l 1 = 46 см. L 2 = 50 см. Значить радіуси R 1 = 7,3 см. І R 2 = 8 см. В результаті вийшло, що об'єм кулі збільшився приблизно до V = 4/3 * 3,14 * 7,73 = 1694 см3. Відбулося збільшення обсягу на Δ V = 171,4см3.
Можна створити з газети повітряна куля будь-якого розміру. При виконанні роботи необхідно: а) спочатку розрахувати за формулами який повинен бути обсяг кулі; б) більш рівномірно розподілити масу кулі (на стиках і згинах) по поверхні; в) отвори в кулі робити більшого діаметра.
Цікаві досліди з мильними бульбашками і повністю підтверджують теорію повітроплавання. Наповнений теплим повітрям мильна бульбашка піднімається вгору.
При виконанні роботи дізнався багато нового по темі «Повітроплавання». Експерименти на перший раз здаються простими. Але тільки з часом знаходиш рішення, як краще зробити. Хороші результати вийшли в ході тривалого пошуку способів для правильного приготування мильного розчину і видування бульбашок.
Створення паперового повітряної кулі - дуже копітка, тонка робота. Надалі потрібно знайти більш легкий матеріал для оболонки кулі.
Для бажаючих провести експеримент з повітряними кулями можна використовувати мої прийоми роботи, описані в роботі. Результати даної роботи можуть бути використані практично для демонстрації на уроках, позакласних заходах, на гурткових заняттях з фізики і для самостійних експериментів учнів.