Почему взлетает воздушный шар. Как все устроено: пассажирский воздушный шар. Почему воздушные шары и дирижабли наполняют водородом или гелием

Почему летают шары с гелием?

Казалось бы, очень простой вопрос, но иногда он ставит в тупик. Скорее всего, потому, что в школе нам это объясняли сухим языком цифр на скучных уроках. Но сегодня мы хотим веселые воздушные шары, и нас мучают простые вопросы о том, как долго они могут летать и какой вес они смогут поднять. Значит, нужно поближе познакомиться с некоторыми свойствами гелия.

Гелий - это газ. Им наполняется воздушный шарик. Это газ намного легче воздуха. Один кубический метр воздуха, который состоит из смеси разных газов, весит 1,293 кг, а один кубический метр гелия 0,178 кг. Получается, гелий легче воздуха 7,26 раза . Так же выходит, что один кубический метр гелия может поднять 1,115 кг , то есть чуть больше килограмма.

Выходит, что шары летают потому, что они заполняются газом гелием, который в 7,26 раза легче воздуха. Получается, шар подобно пузырьку воздуха в воде, который со дна поднимается вверх. Конечно, существует еще и такой газ как водород, его подъемная сила еще больше. Однако, использовать его нельзя, в отличии от гелия, он взрывоопасен и горюч. Вместо радости и восторга мы можем получить ожоги, пожары, травмы и летальный исход. Но вот интересно, какой вес может поднять этот шарик?

Объем стандартного шара, размером 30 сантиметров, составляет около 14 литров. Поэтому, гелий, который заполняет весь объем шара, может поднять около 15,61 грамм. Но, сам шар тоже имеет свой вес, который составляет порядка 3 грамм. Поэтому в результате на шарике мы можем поднять лишь 12,61 грамм.

Однако, мы живем не в идеальном мире и на практике подъемная сила стандартного шара не превышает 10 грамм. Причин тому много, самая главная заключается в том, что гелий очень быстро просачивается сквозь стенки шара, поэтому сразу же после надувания шарик теряет подъемную силу. На практике, после надувания обычный шар, размером 30 сантиметров, перестанет летать через 12-18 часов.

Конечно, шар можно обработать специальным составом, чтобы тот терял гелий значительно медленнее, однако и состав имеет свой вес и эффект наступает после его застывания, а за это время шарик успевает «похудеть». Но когда эффект все-таки наступит шар сможет продержаться в воздухе от 3 до 30 суток. Поскольку в нем будет сохранятся гелий в количестве, которое сможет обеспечить подъемную силу большую, чем вес самого шара.

Но вот теперь мы подходим к самому интересному вопросу, а сколько нужно шариков, чтобы поднять в воздух человека? Если ваш вес 70 килограмм, то путем несложных математических расчетов, мы можем прийти к выводу, что для этого требуется 7000 (семь тысяч) воздушных шаров.

Опять же, после надувания шаров, они начнут терять подъемную силу сразу же. На надувание 7000 шаров, команде из 4х человек потребуется весь день, а может быть и вся ночь. Поэтому реально, шариков может потребоваться гораздо больше. Значит, для поднятия человека нужна большая команда, и огромное количество шаров с запасом. Думаю, десяти тысяч шариков (!!!) вполне достаточно для того, чтобы поднять человека в воздух.

Но обычно, люди хотят поднять подарок весом 200. Теперь мы точно знаем, что 20 шаров имеют подъемную силу в 200 грамм. Однако, поднять 200 грамм они не смогу, подъемная сила скомпенсирует вес подарка и всего-то. Значит нам нужен как минимум 21 шар, чтобы подъемная сила в результате составила 10 грамм. Но, конечно, шары лучше взять с запасом, штук 25-30. Чтобы наверняка!

Получается, что шар летает поскольку он заполнен гелием, который в 7,26 раза легче чем воздух, стандартный шар имеет подъемную силу около 10 грамм и способен летать 12-18 часов без обработки, от 3 до 30 суток с обработкой.

Объяснить причину способности воздушных шаров летать можно несколькими теориями. В широком смысле этот процесс обусловлен соотношением веса воздуха и газа. Если воздушный шар заполнен...

Объяснить причину способности воздушных шаров летать можно несколькими теориями. В широком смысле этот процесс обусловлен соотношением веса воздуха и газа. Если воздушный шар заполнен газом, то он поднимается вверх и не опускается на землю. При наполнении его воздухом, например, когда человек самостоятельно надувает шарик, способность его летать снижается. Газ намного легче воздуха, поэтому шары, наполненные гелием, летают лучше всего.

В зависимости от наполнения воздушные шары могут совершать разные манипуляции :

• если шар наполнен углекислым газом, воздухом или аргоном, то летать он будет хуже;
• неон, метан, азот, гелий и водород заставляют шарик стремительно взлетать из-за минимального веса этих газов и большой разницы с массой воздуха.

Полет воздушного шара с точки зрения физики

С точки зрения физики, на любое тело, помещенное в газ или жидкость, действует сила вытеснения, равная весу тела. Воздушный шар в данном случае является телом, «помещенным» в воздух. Т.к. газ, наполняющий шар, делает его легким по сравнению с воздухом, то начинает осуществляться выталкивающая сила. За счет этого шар стремительно поднимается вверх и начинает летать.

С помощью физики можно объяснить и причину не слишком хороших летательных свойств шаров, наполненных воздухом . Вес в данном случае практически одинаков, поэтому шар может только парить в воздухе, но без силового воздействия он опускается к земле.

Полет воздушного шара в воздухе сравним с плаванием кораблей по воде. И в первом, и во втором случае происходит выталкивание более легкого тела тяжелой водой или воздухом. Причем выталкивающими способностями вода и воздух обладают практически в одинаковой степени.

Почему летают воздушные шары для воздухоплавания

Большие шары, предназначенные для воздухоплавания, летают по таким же причинам, как и маленькие шары-игрушки. Объяснением способности летать в данном случае также являются законы физики. Размер шара, вес корзины и пассажиров находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. Поднимается шар при помощи нагревания в нем воздуха и получаемого в результате этого газа. За счет такого воздействия, шар становится легче воздуха и на него оказывается выталкивающая сила.

Управление воздушным шаром

Управлять любыми воздушными шарами невозможно. Главной управляющей силой всегда является воздух или ветер. Если отпустить маленький воздушный шар и держать его за нитку, то, несмотря на усилия, повернуть его в нужное направление не получится. Аналогичная ситуация происходит и с шарами для воздухоплавания. Единственное, что могут сделать пассажиры, находящиеся в корзине, это снизить шар до уровня земли или поднять его выше в воздух. Высота набирается за счет уменьшения веса (сбрасываются специальные грузы), а снижается шар за счет уменьшения количества газа при помощи контроля температуры нагревания воздуха внутри прорезиненного материала. Температура меняется путем изменения уровня горелки.

Почему воздушные шары и дирижабли наполняют водородом или гелием

В детстве все играли с воздушными шариками. Никто не задумывался, почему воздушные шары наполняют водородом или гелием. Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить некоторые вопросы из школьного курса физики.

Немного физики

Если тело находится в воздухе, на него действует несколько сил. Наибольшее влияние оказывают архимедова сила и вес. Их разность называется подъемной силой. Если они равны, то воздушный шар свободно висит или перемещается по воздуху по замысловатым кривым, форма которых зависит от потоков. Если архимедова сила окажется больше веса, возникает подъемная сила, действующая на воздушный шар вверх.

Вес летательного аппарата складывается из самого газа, оболочки, в которой он находится, и поднимаемого груза.

Если наполнить оболочку обычным воздухом при температуре окружающей среды, шар подниматься не будет. Воздух нужно нагревать. Поэтому воздушный шар нужно оборудовать горелкой для постоянного подогрева воздуха внутри оболочки.

Архимедова сила зависит от объема оболочки и разности плотностей воздуха и газа, находящегося в нем.

С увеличением высоты температура уменьшается, давление воздуха и его плотность в замкнутой оболочке снижаются. Соответственно уменьшается архимедова сила, и шар начинает опускаться. Чтобы этого не произошло, в нижней части оболочки делают отверстие, под которым располагают горелку. Уменьшая или увеличивая количество сжигаемого топлива, можно управлять высотой полета.

В летательных аппаратах с замкнутой оболочкой используются газы, у которых при одинаковой температуре плотность меньше окружающего воздуха.

Среди доступных газов наименьшую плотность имеет водород. В промышленности его получают в больших объемах, поэтому его стоимость относительно небольшая.

На сегодняшний день в целях безопасности сферическую оболочку воздушного шара наполняют гелием. Этот редкий химический элемент впервые был обнаружен с помощью спектрального анализа на солнце и получил свое название Гелиос, что означает солнечный. Гораздо позже этот газ был обнаружен на земле.

При одинаковой температуре плотность гелия в 10 раз меньше воздуха. У водорода показатель еще лучше — 20. Поэтому первоначально шары наполняли водородом. Но он, в отличие от гелия, горючий и взрывоопасный газ. Использование этого элемента безопасно, но шар, наполненный гелием, обладает гораздо меньшей подъемной силой.

Немного истории

Большие воздушные шары называются аэростатами, в прошлом они предназначались в основном для научных исследований. Большинство из них представляли сферы различного диаметра.

Самый большой аэростат Рекорд с объемом сферы более 4000 м³ поднялся в воздух осенью 2010 г. В его гондоле путешествовало 36 человек.

Максимальная высота, на которую поднялся аэростат — более 21 км. Рекордный полет совершил гражданин Индии Vijaypat Singhania в 2005 г. Аэростат был заполнен теплым воздухом.

Для перевозки людей и грузов в начале и середине прошлого века использовались дирижабли, имеющие сигарообразную форму.

Самый крупный дирижабль в истории человечества Гинденбург был сконструирован в фашистской Германии в конце 30-х годов. Совершил 21 перелет через Атлантику и погиб в 1937 г. В то время в Германии не было гелия и все емкости Гинденбурга были заполнены водородом. Причина аварии неизвестна. После трагедии наполняемые водородом аэростаты и дирижабли для перевозки пассажиров не применяются. Используются они только в научных целях.

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

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.

Воздушный шар положил начало гражданской авиации. Принцип его работы не изменился по сей день: отсутствует и двигатель, и руль для управления. Есть лишь купол с корзиной, горелка и мешки с песком.

История создания

Воздушный шар воплотил древнейший замысел человека о подчинении воздушной стихии. Первое описание аэростата было сделано в 1306 году французским миссионером Бассу, который стал свидетелем его подъема в воздух в Китае, в день восхождения на престол императора Фо Киена.

И все же родиной аэростата признается Франция, а его первыми изобретателями — братья Этьен и Жозеф Монгольфье. В 1783 году в городе они произвели запуск сконструированного ими шарообразного аэростата 3,5 метров в диаметре и массой 155 кг, наполненного горячим воздухом. Его полет протекал всего 10 минут на высоте 300 м, а пройденный путь составил около километра.

Купол аэростата братьев Монгольфье был выполнен из льняной ткани и оклеен бумагой. Для подогрева воздуха был разведен костер из мелко нарезанной соломы. А спустя недолгое время устройство агрегата дополнилось специальной корзиной для путешественников.

Подъем в воздух первого аэростата стал небывалым событием для той эпохи. В честь их создателей агрегаты стали называть монгольфьерами.

Устройство воздушного шара

Современные агрегаты производятся из более технологичных материалов, но схема осталась той же, что и братьев Монгольфье. Для пошива оболочки больше не используется лен и бумага, их заменил тонкий и прочный полиэфирный материал. Вместо костра в корзину под купол устанавливается регулируемая газовая горелка.

Воздушный шар в основе своей рабочей конструкции имеет следующие составные элементы:

• Купол, который наполняется газом для подъема на заданную высоту.
• Горелка — самая сложная деталь, посредством которой создается поток горячего воздуха в купол.
• Корзина для пассажиров, пилота и багажа.

Купол аэростата

Это главная часть воздушного шара, которая сшивается из отдельных кусков материи в колонки, которые затем прочно прикрепляются друг к другу. В качестве материала изготовления используется высокопрочный полиэстер или полиамидная ткань. С внутренней стороны она обрабатывается силиконовой пропиткой, что не позволяет проникать и уходить газу.

Основные требования к куполу, это:

• Прочность и устойчивость к внешним воздействиям и механическим повреждениям.
• Термоустойчивость, поскольку происходит постоянный контакт с нагретым газом.
• Эластичность, за счет которой возможно сохранение заданной формы.

Купол надувается за счет поступления нагретого газа: воздуха, водорода или иного, и за счет его поднимается в небо на нужную высоту. Газ подается через технологическое отверстие в нижней части купола. Для безопасности это отверстие обрабатывается специальной жароустойчивой лентой. Устройство оснащается также специальным клапаном, который используется для вывода наружу горячего газа при снижении и приземлении.

Снаружи конструкции фиксируются ленты нагрузки. К верхней части купола они крепятся с помощью кольца, а внизу присоединяются к подвесным канатам. В итоге образуется надежный каркас, который может иметь различный объем и поднимать груз разной массы.

Горелка

Это технологический элемент аэростата, обеспечивающий подогрев газовой смеси, подъем агрегата в воздух, а также поддержание заданной температуры при полете.

Работает горелка на жидком пропане, который поступает к ней из цилиндров, нагреваясь, становится газообразным и подается непосредственно в шар.

Современные горелки очень мощные, порядка 6000 МВт, производятся из нержавеющей жаропрочной стали. Они не опасны в эксплуатации, поскольку оснащены специальной защитой от ожогов.

Корзина

Предназначена для переноса путешественников и грузов. Необходимо обеспечить ее легкость, и в то же время прочность, поэтому каркас ее выполняется из лозы, а дно — из непромокаемой фанеры. С куполом корзина соединяется стальным тросом. Чтобы воздух не охлаждался, устанавливаются полиуретановые стояки, которые вместе с тросом закрываются специальными оболочками.

В углу корзины размещаются и закрепляются на ремнях цилиндры с газом. Обязательно изготавливаются отсеки для огнетушителя и необходимых в путешествии аксессуаров.

С наружной части на корзину навешивается балласт — мешки с песком. Их сбрасывают в том случае, ели необходимо увеличить высоту полета.

Классификация аэростатов

Существует два наиболее распространенных типа классификации по:

• Способу наполнения купола.
• Назначению.

По способу наполнения оболочки воздушный шар бывает:

• Тепловым.
• Газовым.
• Комбинированным.

Тепловые аэростаты по-прежнему величают монгольфьерами. Подъем их осуществляется за счет подачи горячего воздуха.

В газовых подъемная сила создается легкими газами и их смесями. По-другому их называют шарльерами по имени сконструировавшего их француза Жака Шарля. В 1783 г он впервые с успехом испытал воздушный шар, наполняемый водородом.

Комбинированные аэростаты в полете используют как горячий воздух, так и газовую смесь. Для этого они оснащены двумя оболочками. Разработал такую схему французский физик Пилатр де Розье. К сожалению, изобретатель с помощником погибли во время испытательного полета в 1785 г, но его устройства используются и получили название розьеров.

В 1999 англичанин Брайан Джонс и швейцарец Бертран Пиккар на розьере отправились в первое в истории кругосветное путешествие и благополучно вернулись из него.

По назначению аэростаты делятся на:

• Свободные или неуправляемые. Их применяют в спорте, экстремальном отдыхе, для научных целей и рекламы.

• Привязные. Те же неуправляемые, но зафиксированные на поверхности земли тросом. Это позволяет контролировать его удаленность. Могут подниматься в воздух с пассажирами и без. Привязной шар имеет обтекаемую форму и хвостовое оперение. Используется для обучения парашютистов, для обзора местности, в научных и рекламных целях.

• Стратостат. Неуправляемое устройство, которое поднимается в стратосферу, как правило, без пассажиров, с целью научных исследований. Отличается большим размером и герметичной корзиной.

• Управляемые или дирижабли. Их название происходит от французского «dirigeable» - «управляемый». Впервые дирижабль был запущен в воздух в 1852 г. Он был сделан в форме сигары, оснащен винтом и парогенератором. Дирижабли получили широкое распространение в то время. Сегодня они нашли свое применение в туризме, грузовых и гражданских перевозках. В качестве двигателя устанавливаются паровые машины, бензиновые, дизельные и электрические двигатели, а также газовые турбины.

Как летает воздушный шар

Принцип полета аэростата основан на законах физики. Воздух или газ, поступающие в оболочку, имеют температуру выше, чем в окружающей среде, а плотность ниже. Соответственно, под действием выталкивающей силы он устремляется вверх. На определенной высоте действие силы тяжести уравновешивает выталкивающую силу и аэростат «зависает» в небе.

Как управлять аэростатом

Разумеется, шар очень зависит от ветра. Однако большинство современных агрегатов поддаются управлению. Высота полета задается при помощи выпускного клапана в вершине оболочки, а для изменения направления движения используется боковой клапан.

Подготовка

Управление аэростатом — непростое занятие, оно требует обучения и тщательной подготовки. Большое значение имеют метеорологические условия, такие как видимость, облачность, направление и скорость ветра. На основе этой информации и выстраивается маршрут. На пути движения обязательно должны быть участки, пригодные для совершения посадки, поскольку во время путешествия не исключено возникновение непредвиденных обстоятельств.

Взлет

Для осуществления старта выбирают ровную территорию, удаленную от жилых объектов, деревьев, столбов и линий электропередачи.

Для подъема шара в воздух требуются усилия всего экипажа. Вначале воздушный шар собирают:

• Прикрепляют горелку к гондоле и соединяют ее с газовыми баллонами посредством шлангов.
• Проводят пробное включение горелки.
• Растягивают купол в направлении ветра и пристегивают его к гондоле карабинами.

По окончании сборки купол наполняют холодным воздухом с помощью вентилятора. Затем включают горелку. Горячий воздух отрывает шар от поверхности, и экипаж занимает свои места.

Если полет производится на привязном аэростате, его предварительно фиксируют на поверхности.

Полет

Для контроля за полетом требуются хорошие навыки. Для увеличения высоты производится подогрев воздуха путем запуска горелки, а для уменьшения – открывается выпускающий клапан. Движение в боковом направлении происходит за счет попутного ветра. Чтобы двигаться скорее, пилот может подняться повыше, где скорость ветра больше.

Спуск

Для приземления заранее подбирают площадку, большую и безопасную. Пилот выпускает воздух из купола при помощи клапана и воздушный шар потихоньку опускается на поверхность.

Примечательным является то, что если аэростаты столкнутся друг с другом в воздухе, то… ничего не произойдет. Они просто оттолкнутся и полетят дальше. Да и столкнуться им весьма сложно, ведь они путешествуют по направлению ветра — в одну и ту же сторону.