НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ЭНЦИКЛОПЕДИЯ    ССЫЛКИ    КАРТА САЙТА    О САЙТЕ


предыдущая главасодержаниеследующая глава

Тема 6. Воздушный шар

Цель. Ознакомить кружковцев с летательными аппаратами легче воздуха, принципом их полета и изготовить тепловой воздушный шар.

Методические рекомендации. Особый интерес представляет запуск воздушных шаров в пионерском лагере, доставляя удовольствие не только его строителям, но и зрителям. Темой "Воздушный шар" можно завершить занятия в кружке пионерского лагеря. Этой теме достаточно посвятить 4 занятия.

На первом занятии руководитель рассказывает учащимся об истории развития воздухоплавания, кружковцы вычерчивают шаблоны воздушных шаров и склеивают листы папиросной бумаги в полосы необходимой длины. На втором занятии педагог объясняет устройство и основы полета воздушного шара. Затем предлагает кружковцам определить подъемную силу изготовляемого воздушного шара. Решив эту задачу, они вырезают и склеивают сегменты оболочек шаров.

На последующих занятиях руководитель рассказывает о привязных и управляемых аэростатах к применении летательных аппаратов легче воздуха. Практическая часть - подготовка шаров к запуску, пробное наполнение их теплым воздухом.

Если нет возможности запустить шары вблизи помещения, где занимается кружок, то их запуски можно совместить с запуском других моделей. В пионерском лагере шары запускают во время спортивных праздников или соревнований.

На теоретической части занятий целесообразно сообщить следующие сведения.

Попытки построить воздушные шары и подняться на них в воздух относятся к XVIII в. В рукописи А. И. Сулакадзева "О воздушном летании в России с 906 лета по Р. X." так описывается событие, происшедшее в 1731 г. в Рязани. Подьячий при воеводе нерехтец Крякутной "... фурвин* сделал, как мяч большой, надул дымом поганым и вонючим, от него сделал петлю, сел в нее, и нечистая сила подняла его выше березы, а после ударила о колоколню, но он уцепился за веревку, чем звонят, и остался тако жив..."**. Однако в рукописи Сулакадзева, относящейся к 1819 г., в подтверждение приводимых фактов дается ссылка на записки Боголепова и воеводы Воейкова. Но найти их до сих пор не удалось. Следовательно, достоверность описываемых в ней фактов вызывает сомнение.

* (Фурвин - большой мешок.)

** (Дузь П. Д. История воздухоплавания и авиации в России. М., 1981, с. 12.)

В конце XVIII столетия над проблемой воздухоплавания успешно работают во Франции братья Жозеф и Этьен Монгольфье. 5 июня 1783 г. в Видалон-лез-Анноне они испытали свой первый летательный аппарат. Это был бумажный шар, наполненный нагретым воздухом; пассажиров на нем не было. После этого братья Монгольфье построили и запустили несколько больших воздушных шаров. Такие шары стали называть монгольфьерами.

21 ноября 1783 г. Пилатр де Розье и д'Арланд поднялись в корзине, прикрепленной к наполненному горячим воздухом шару. Их полет длился 25 мин. В том же году французский физик Ж. Шарль и братья Робер предложили наполнять шар легким газом - водородом.

В России 24 ноября 1783 г. на Неве, у Эрмитажа, был запущен небольшой воздушный шар диаметром l1/2 фута. А первый полет человека на воздушном шаре в России состоялся 20 июня 1803 г. Его совершил французский воздухоплаватель Гарнерен с женой "в присутствии императорской фамилии и великого стечения зрителей". В Петербурге 18 июля того же года вместе с Гарнереном на воздушном шаре поднялся русский генерал С. Л. Львов. Видимо, уже тогда были намерения использовать воздушные шары для нужд армии.

Русские ученые первые в мире стали совершать полеты на воздушных шарах с научной целью. Так, в 1840 г. академик Я. Д. Захаров и физик Э. Робертсон использовали воздушный шар для изучения верхних слоев атмосферы. 19 августа 1887 г. русский ученый Д. И. Менделеев совершил полет на воздушном шаре для изучения солнечного затмения.

Основной недостаток воздушных шаров (аэростатов) - неуправляемость: направление их полета определяется направлением ветра. Стремление избавиться от этого недостатка привело к созданию управляемых аэростатов - дирижаблей.

В основе полета летательных аппаратов легче воздуха лежит закон, открытый Архимедом: сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости (или газа) в объеме этого тела. Эта сила направлена вертикально вверх и приложена в центре объема погруженной части тела.

Отсюда вытекает необходимое условие полета аппаратов такого типа: газ внутри оболочки должен быть значительно легче окружающего воздуха. Оболочки аэростатов, дирижаблей наполняют легкими газами (например, водородом, гелием). Наибольшей подъемной силой обладает водород - он в 14 раз легче воздуха, но этот газ имеет существенный недостаток - он очень горюч. Гелий в 7 раз легче воздуха, обладает достаточной подъемной силой, но очень дорог. Для наполнения оболочек часто используют смесь гелия с водородом.

Воздушный шар, наполненный нагретым воздухом, называется тепловым. На таких шарах, снабженных горелкой для подогрева воздуха, можно совершать длительные полеты.

Полет бумажных тепловых шаров не регулируется. Снижаются они по мере охлаждения теплого воздуха внутри оболочки. Для увеличения продолжительности полета шара перед пуском завязывают его горловину.

После того как кружковцы усвоят основы полета аэростата, руководитель предлагает им решить задачу по определению подъемной силы теплового воздушного шара, который они будут делать. Для определения подъемной (всплывной) силы надо знать объем шара, массу его оболочки, температуру воздуха, наполняющего оболочку (теплого), и окружающего воздуха.

Из практики температуру нагретого воздуха принимают равной 60-70 °С. Объем шара определяют так: V = 4/3 πR3, где R - радиус шара.

Аккуратно сложенную оболочку шара можно взвесить. Если такой возможности нет, ее массу вычисляют следующим образом. Находят площадь поверхности шара по формуле: S = 4πR2. Массу 1 м2 оболочки, изготовленной из папиросной бумаги, принимают равной 50 г. Умножив это число на площадь поверхности шара, выраженную в квадратных метрах, получают массу искомой оболочки.

Подъемную (всплывную) силу воздушного шара определяют из выражения:

Y = FA - Gш,

где FA - архимедова сила; 
    Gш - сила тяжести шара. 
 FA = ρ1gV; 
 Gш = Gв. г. + G,

 
 где Gв. г. = ρ2gV - сила тяжести нагретого воздуха; 
     Gоб = mg - сила тяжести оболочки. 

Подставив значения FA и Gш в формулу Y = FA - Gш, получим:

 Y = ρ1gV - ρ2gV - mg, 

где ρ1 - плотность окружающего воздуха, кг/м3; 
    g - ускорение свободного падения, м/с2; 
    ρ2 - плотность нагретого воздуха, кг/м3; 
    V - объем шара, м3; 
    m - масса оболочки, кг. 

Пример. Определить подъемную силу шара диаметром 2 м, запускаемого при температуре окружающего воздуха 15°С, если воздух в шаре нагрет до 60°С.

Решение. Из курса физики VI класса известно: чем выше температура, тем ниже плотность. Так, плотность воздуха при 15°С равна 1,3 кг/м3, а при 60 °С 1,04 кг/м3.

Вычислим объем шара:

V = 4πR3/3 = (4×3,14×13)/3 м3 = 4,19 м3.

S = 4πR2 = 4×3,14×l2 м2 = 12,56 м2, а масса оболочки будет равна 12,56×0,05 кг = 0,63 кг. К ней необходимо прибавить массу горловины 0,1 кг и принять равной 0,73 кг. Вычисляем подъемную силу:

        Y = ρ1gV - ρ2gV - mg = 

 = (1,3×9,8×4,19 - 1,04×9,8×4,19 - 0,73×9,8) Н = 

     = (53,4 - 42,7 - 7,1) Н = 3,6 Н. 

Аэростат - летательный аппарат легче воздуха, взмывающий вверх благодаря подъемной силе газа, заключенного в оболочку. Различают свободные и привязные аэростаты.

Свободные аэростаты имеют шаровидную форму и состоят из легкой оболочки, на которую надевают сеть. Стропы, идущие от сети, присоединяют к кольцу, к которому подвязывают корзину для воздухоплавателей или груза. К корзине обязательно подвешивают мешки с балластом (песком), выбрасываемым для поддержания или увеличения высоты полета. Оболочку делают из тонкой прорезиненной ткани и наполняют легким газом через горловину (аппендикс). При подъеме шара его объем увеличивается за счет расширения газа. Вверху оболочки устроен клапан для выпуска газа с целью снижения.

Почти так же устроен и привязной аэростат, но оболочка его не шарообразная, а удлиненная, и на корме для большей устойчивости он имеет плавники - рули. Запускают такой аэростат на тросе с помощью лебедки.

Дирижабль - управляемый аэростат. Для совершения управляемого полета дирижабли снабжают двигателями и воздушными винтами.

По конструкции различают дирижабли мягкие (с оболочкой из прорезиненной ткани, к которой на стропах крепится кабина), полужесткие (с оболочкой из ткани и металлической или деревянной фермой, к которой снизу крепится кабина), жесткие (с металлическим каркасом, обтянутым тканью) и цельнометаллические. Впервые проект такого дирижабля предложил К. Э. Циолковский.

Дирижабль, как и самолет, имеет оперение с рулями направления и высоты. По сравнению с самолетом дирижабли более ранний вид воздушного транспортного средства.

Большие жесткие дирижабли системы "Цеппелин" в начале нашего века строили в Германии. Их полезная грузоподъемность была 60 т.

В 1928 г. на полужестком дирижабле "Италия" Умберто Нобиле достиг Северного полюса.

В России еще в 1910-1913 гг. строили дирижабли, на которых совершали испытательные полеты.

Много выдающихся перелетов совершил дирижабль "Московский химик-резинщик". Мировой рекорд продолжительности полета был установлен в 1937 г. на дирижабле "СССР В-6" объемом 19000 м3: с командой 16 человек он пробыл в воздухе более 130 ч.

Дальнейшее развитие дирижабли не получили. Тут сказались дороговизна постройки и эксплуатации, необходимость эллингов для хранения, многочисленного обслуживающего персонала и пожарная опасность, в том числе и от атмосферного электричества. В настоящее время постройкой дирижаблей занялись вновь. Современные материалы и новая технология позволяют строить их прочными и надежными. Уже проведены первые испытания дирижабля - подъемного крана, нужного нашим стройкам.

Летательные аппараты легче воздуха нашли широкое применение при исследованиях стратосферы. 30 января 1934 г. отважные советские исследователи П. Ф. Федосеенко, А. Б. Васенко, И. Д. Усыскин на стратостате "Осоавиахим" достигли высоты более 22 км. В настоящее время шары-зонды, снабженные самопишущими приборами и радиопередатчиками (радиозонды), поднимаются на высоту до 30 км.

Практическая часть занятий по данной теме - изготовление теплового воздушного шара. Для выполнения этой работы кружковцев объединяют в звенья по 5-7 человек.

Для постройки шара требуется папиросная и плотная бумага, клей, нитки, ножницы, линейка и карандаш.

Оболочку шара делают из определенного числа веретенообразных продольных полос - "долек". Заготовки для "долек" склеивают из листов папиросной бумаги. Для этого их укладывают "лесенкой" и промазывают все "ступеньки" клеем. При соединении кромку без клея одного листа накладывают на намазанную клеем кромку другого.

Шар получится красивым, если его выполнить из полос разного цвета.

Для шара диаметром 1,5 м нужно 12 полос, а для шара диаметром 2 м - 16 полос. Легко склеить шар диаметром 1 м из восьми "долек" (рис. 14).

Рис. 14. Тепловой воздушный шар диаметром 1 м: а - шаблон 'дольки'; б - порядок изготовления
Рис. 14. Тепловой воздушный шар диаметром 1 м: а - шаблон 'дольки'; б - порядок изготовления

Пока сохнут полосы папиросной бумаги, нужно вычертить шаблон одной "дольки" на полосе из плотной бумаги. Вдоль полосы чертят осевую линию и делят ее на отрезки по 200 мм. Через полученные точки проводят прямые, перпендикулярные осевой линии. На них откладывают отрезки определенной длины в соответствии с рисунком. Эти точки соединяют плавными линиями, получая готовый контур "дольки" шара, который вырезают ножницами. Шаблон готов.

Высохнувшие полосы папиросной бумаги складывают в пачки и накладывают на нее шаблон. Чтобы полосы не смещались, их закрепляют грузиками. Затем вырезают ножницами сразу все полосы по шаблону, оставляя с обеих сторон припуск 4-5 мм на швы.

Сначала "дольки" склеивают попарно (получится 4 "лодочки"), затем каждую пару соединяют по кромке с одной стороны (получится две "пилоточки"). После просушки аккуратно склеивают части между собой. Ширина мазка кисти с клеем 5-7 мм.

Отверстие вверху шара заклеивают круглой накладкой из писчей бумаги и приклеивают к ней "шляпку" - небольшой кружок из плотной бумаги с продетой через него петлей из нити. Внизу к шару приклеивают кольцо-горловину из двух полос плотной бумаги.

Готовый шар подвешивают к потолку и подставляют к его горловине нагреватель с вентилятором. Когда нагретый воздух наполнит шар, могут обнаружиться дефекты оболочки (складки, маленькие отверстия); их нужно сразу устранить. Просушенный шар взвешивают и записывают его массу.

Оболочку воздушного шара диаметром более 3 м рекомендуется делать прочнее. При склеивании ее усиливают вдоль и поперек швов тонкими нитками, а поверх них наклеивают ленты папиросной бумаги шириной 10-15 мм. К поперечной ленте, проходящей по "экватору" шара, приклеивают 5-6 стропов, за которые запускающие держат шар, наполняемый горячим воздухом.

Для запуска шара разводят костер из сухого мелкого хвороста, бумаги. Очень удобно наполнять шар над костром, пользуясь жестяной трубой (ведром без дна), которая направляет горячий воздух к горловине.

Двое держат шар за горловину над костром, один (запускающий) - всю оболочку за верхнюю петлю при помощи легкого шеста, остальные поддерживают оболочку по бокам или за стропы. Постепенно шар наполняется теплым воздухом и стремится вырваться из рук. В этот момент шест можно убрать. Руководитель запуска (один из придерживающих горловину) определяет момент пуска и подает команду: "В полет!". По этой команде все одновременно отпускают шар. Если этого не выполнить, шар может накрениться, нагретый воздух частично выйдет из оболочки и подъемная сила его уменьшится.

Лучше запускать шар в штиль или при слабом ветре.

Для поднятия дополнительного груза (листовок, вымпелов, флажков) можно изготовить грузовой воздушный шар (рис. 15).

Рис. 15. Грузовой воздушный шар
Рис. 15. Грузовой воздушный шар

Он обладает достаточной подъемной силой. Склеивают его из 12 "долек" (размеры показаны на рисунке), диаметр шара 1,5 м.

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© Карнаух Л.А., Злыгостев А.С., 2009-2019
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://fly-history.ru/ 'История авиации и воздухоплавания'

Рейтинг@Mail.ru Rambler s Top100