Сколько шариков с гелием поднимут человека. Как управлять воздушным шаром
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=">left " style="border-collapse:collapse;border:none;margin-left:6.75pt;margin-right: 6.75pt">
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
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.
На все тела в воздухе действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы найти архимедову силу , действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле, умножив ускорение свободного падения на плотность воздуха и на объем тела.
F а = g pV т
Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.
Чтобы воздушный шар поднимался выше, его надо наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть водород, гелий или нагретый воздух.
Для того чтобы определить, какой груз может поднять воздушный шар, надо знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести.
F под = F а - (F т оболочки + F т газа внутри + F т груза)
Как же добиться, чтобы сила тяжести F т была меньше силы Архимеда F a ?
Надо подумать каким газом заполнять воздушный шар!
Разность между весом 1м 3 воздуха и весом 1м 3 газа называют подъемной силой 1м 3 газа.
Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия его плотность уменьшается только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющуюся смесь. Негорючим и одновременно легким газом является гелий.
Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше.
После того, как архимедова сила достигнет значения, равного силе тяжести, подъем воздушного шара прекратится.
Чтобы подняться еще выше надо уменьшить силу тяжести Fт, для этого с шара сбрасывают балласт. Сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила опять оказывается больше.
Или можно увеличить силу Архимеда Fа, увеличив объем шара. Для этого надо закачать в оболочку дополнительную порцию газа.
Для того, чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхей части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа. После этого шар начнет опускаться вниз.
Температуру теплого воздуха внутри воздушного шара можно регулировать с помощью обычно газовой горелки, установленной под оболочкой. Увеличивая пламя горелки, можно заставить воздушный шар подниматься выше и наоборот. Если подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар с корзиной окажется равной силе архимеда,
то шар " повиснет" в воздухе.
Краткая энциклопедия воздухоплавания..........
ПОСЧИТАЙ
В некоторых мультфильмах надувшийся человечек всплывает в воздух.
Каким должен стать объем тела человека, чтобы при массе 50 кг, он мог бы всплыть в воздух? Плотность воздуха = 1,3 кг/м3.
Считайте, что при надувании масса тела не увеличивается. А если учесть увеличение массы за счет втягиваемого воздуха, то изменится ли ответ?
"ВОЗДУШНЫЕ" ЗАДАЧИ
В атмосфере какой планеты будет подниматься воздушный шар, наполненный воздухом?
1. Можно ли на Луне для передвижения космонавтов пользоваться воздушными шарами?
2. Две одинаковые по весу оболочки воздушного шара, сделанные одна из тонкой резины, а другая из прорезиненной ткани, наполнены одинаковым количеством водорода (водород из шаров выходить не может) Какой шар поднимется выше?
3. Одинаковый ли вес покажут весы при взвешивании камеры от футбольного мяча, надутой воздухом при атмосферном давлении (камера еще не приняла шарообразной формы), и той же камеры, не надутой воздухом?
У нас часто спрашивают, сколько гелиевых шаров нужно чтобы поднять цветок , открытку или игрушку? Какая подъемная сила гелия? Постараемся подробно рассказать секреты наших расчетов и все формулы.
Для быстрого и простого расчета подъемной силы шарика мы используем формулы. Зная, что что 1м 3 гелия поднимает примерно 1 кг. Другими словами один стандартный шарик 10" (дюймов) или 25-27см поднимает всего 3-4 грамма . Перламутровые шары 12" металлик поднимают до 5 грамм. Поэтому, чтобы поднять игрушку весом 200 грамм, нам понадобиться 200/4 = 50 шаров. Вроде как все просто. Но, т.к. гелий из обычных шаров постоянно выходит, то со временем шарик с гелием теряет часть своей подъемной силы. И поэтому, если Вам надули 50 шаров и Ваш подарок летает, то через несколько часов он летать будет только с сильного пинка. И для того, чтобы у Вас не было претензий к нам нужно взять на 20% больше шариков.
Также следует учесть тот фактор, что в закрытом помещении шары могут спокойно подняться вверх, а вот на улице порывом ветра может просто сносить в сторону. Для того, чтобы поднять подарок на длиной веревке, должен быть хороший запас подъемной силы. И кстати, чем выше Вы поднимаете облако из шаров с подарком, тем больше добавляется вес веревки. Поэтому подъем подарка на высоту лучше делать на крепкой, но тонкой леске.
При желании, Вы можете обрезать "хвостик" у шарика, который идет после узла. Такой прием уменьшит общий вес шара, или даст ему возможность полетать еще около часа.
Когда Вы покупаете подарок, то лучше его сразу взвесить. Всегда рядом есть магазины с весами. Это нужно сделать хотя бы для того, чтобы прикинуть сколько Вы потратите на шары. Из нашей практики были случаи, когда приносили букет цветов, чтобы поднять любимой жене под окном. На вскидку он был достаточно легкий. Но его не смогли поднять даже 100 шариков. Мы обрезали почти все листья и укоротили ножки. Лишь после этого букет уверено держался в воздухе .
Если бюджет позволяет не думать о количестве шариков, а думать лишь о качестве и результате процесса, тогда можно пойти по простому пути. В нашем магазине мы надуваем 20 шаров и крепим к ним подарок - все видят, что конструкция не летает. Тогда надуваем еще 20 шаров, и подарок (например) с шарами полетел вверх. Но так видит заказчик. А в голове думает, что можно было бы взять и 30 шаров . И тут наступает самый толерантный момент. Мы то видим, что подарок не летает. Он конечно поднялся вверх, но запаса подъемной силы у него нет. И если все так и оставить, то праздника у нашего клиента не будет. Поэтому приходится осторожно убеждать, что нужно надуть еще 10-15 шаров. Или выпотрошить из медведя (игрушки) весь лишний хлам, который зашили вовнутрь. А дома можно его незаметно вернуть взад.
Вес больше одного килограмма дешевле поднимать с помощью больших шаров, т.к вес одного большого шара меньше, чем вес большого количества маленьких гелиевых шариков при одном и том же объеме гелия. Рассчитывается подъемная сила большого шара с гелием по формуле. Условно объем гелия в шаре - 4/3 пr3, а дальше используем знания, что в 1 м3 гелия примерно 1 кг веса. К примеру берем шар 1 м в диаметре. Используя формулу или того, кто знает как считать по формулам, получаем объема шара (4/3)*3,14*0,53 = 0,522м3. Будем считать, что метровый шар поднимает 0,5 кг. От этого веса необходимо вычесть вес самого шарика и вес ленточки или лески за которую он зацеплен, это и будет расчетный вес. На улице на подъемную силу влияют некоторые коэффициенты в виде погодные условий - снег, дождь, ветер, солнце или низкая (высокая) температура. Например, стандартные шары, при небольших осадках, могут вообще не летать, т.к. вес налипших на них капель дождя увеличивает общий вес шара.
Любая идея осуществима!!! Были бы у Вас возможности, а у нас желание... или наоборот)
