Муниципальное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа №22 с углубленным изучением предметов художественно-эстетического цикла
Научная работа
по физике
на тему: ОСНОВЫ АЭРОНАВТИКИ
Исполнитель: Нагина И.Ю.
ученица 9 класса «Б»
средней школы №22
Руководитель: Мартос А.Х.
учитель физики
средней школы №22
г.Нижний Новгород
2008 - 2009 г.
Содержание
1. Что такое аэронавтика?
2. Расчеты Архимеда
2.1 Закон Архимеда
2.2 Условия плавания физических тел
3. Демонстрационный эксперимент
4. Воздухоплавание в военных условиях
5. Дорогу в космос проложили аэронавты
Список используемой литературы
1. Что такое аэронавтика?
Аэронавтика (воздухоплавание) так называется искусство подниматься на воздух с помощью известных приспособлений и двигаться в определенном направлении. Идея подняться на воздух и, освободясь от оков тяжести, воспользоваться громадным воздушным океаном, как путем сообщения, очень стара. Еще с глубокой древности начались попытки, хотя большей частью тщетные, плавать по воздушному океану. По преданию, Беллерофонт, летая, поднялся до вершины Олимпа; Архип Тарентский приготовил голубя, который носился в воздухе с помощью механического приспособления. По сообщению французского миссионера Бассу, в Пекине, при вступлении на престол китайского императора Фокиена в 1306 г., на воздух поднялся воздушный шар. Позже, Баттиста Данти в Перуджии, затем бенедиктинский монах Оливер Мальмесбури, равно как португалец Гусман строили летательные машины. Патер Ляна после сочинения Галльени, "L'art de naviguer dans l'air", устроил уже в 1686 г. громадный шар из жести, из которого выкачан был воздух; он выдавал это приспособление за настоящий воздушный корабль.
Только когда братья Монгольфьеры устроили аэростат (см. это сл.) и когда первый такой шар, наполненный нагретым воздухом, поднялся 5 июня 1783 г. в Аннонэ, а второй, устроенный профессором Шарлем и наполненный водородным газом, поднялся 27 августа 1783 г., открылся путь к осуществлению настоящего воздухоплавания.
Во Франции началась тогда настоящая горячка воздухоплавания, поддерживаемая стремлениями профессора Шарля и воздушными путешествии Пилатра де Розье, который в сопровождении маркиза д'Арланда первый осмелился (21 ноября 1783) совершить воздушное поднятие. Поездка его длилась 25 минут, причем он достиг высоты 1000 метров. Его примеру последовали вскоре профессор Шарль и Робертс. 1-го декабря 1783 г., поднявшись с парижского Марсова поля на высоту 2000 метр. Бланшар предпринял 7 января 1785 г. первое путешествие через море; он поднялся с утесов Довера и благополучно опустился на французском берегу, по другую сторону Ла-Маншского канала. Аэростат, устроенный Бланшаром и снабженный веслами, рулем и парашютом, не мог, по заявлению беспристрастных наблюдателей, производить самостоятельных движений, хотя Бланшар думал добиться этого (он даже назвал свой шар "летучим кораблем"). Профессор Шарль усовершенствовал свою систему, снабдив свой шар клапаном для, выпускания излишнего газа, так как в высших разреженных слоях воздуха газ, заключенный в шаре, сильно расширялся и грозил прорвать оболочку аэростата, делаемую большей частью из шелка. Для большей безопасности шар окружали сеткой и стали брать с собой балласт, чтобы облегчить и регулировать поднятие и опускание; на случай неожиданного несчастия стали запасаться большими парашютами с диаметром почти в 6 метров (впервые примененными в воздухоплавании Гарнереном в 1797 г.), а ввиду затруднений при опускании на землю ввели в употребление якорь. Однако, все еще не доставало средства управлять аэростатом, т. е. добиться независимости направления шара от воздушных течений, так как только при этом условии воздухоплавание может получить должное значение и сделаться верным средством сообщения. Несмотря на это, попытки применить аэростат к рекогносцировочной службе начались очень рано: впервые лейтенант военных инженеров Мёнье представил Французской академии наук в 1783 году сочинение: "О применении аэростата для военных целей". Первое подобное применение при осаде Валенсии, в 1793 году, не имело надлежащего успеха. Однако, попытки не прекратились, и 2-го апреля 1794 года правительство поручило капитану инженерного корпуса Кутеллю устроить Воздухоплавательную школу. В основанной вскоре в Медоне школе воспитанники обучались изготовлению аэростатов и обращению с ними. Под начальством Кутелля образовались два отряда так называемых аэростьеров (см. это сл.). Шары приготовлялись из шелка, покрытого лаком, и покрывались каучуковой верхней оболочкой. Подобные аэростаты были применены уже в 1794 г. во время осады Мобежа, Шарльруа, Люттиха и при Флерю. Затем Кутелль появился с новым шаром в Рейнско-Мозельской армии, стоявшей перед Майнцем (в 1795 г.), но здесь его постигло несчастие, так как шар его был изорван бурей. Наполеон I расформировал после этого воздухоплавательные отряды. В 1812 году русские стали строить большие шары, из которых предполагалось бросать бомбы на неприятеля, но это не удалось. Во время осады Мальгеры (Венеции) в 1849 г., австрийцы пустили бумажные шары, которые должны были засыпать город бомбами. Но попытка не удалась; шары, гонимые неблагоприятным ветром, приняли другое направление, и бомбы стали падать в австрийский лагерь. Наполеон III пытался в 1859 году, во время австрийско-итальянской войны, узнать расположение неприятельских войск при Сольферино. Для этой цели были снаряжены два воздухоплавателя, Годар и Надар. Надару удалось снять на аэростате туманный фотографический снимок с поля битвы, Годар же не мог сообщить ничего существенного. Во время Американской войны, с 1861 до 1865 г., армия северных штатов употребляла очень часто привязанные или прикрепленные шары, чтобы следить за положением неприятеля в обширных лесах, где велась борьба, и за исходом битвы. Шары этого рода удерживаются на привязи по способу Жиффара с помощью очень крепкого каната. Поднимаясь, воздушный шар сам развивает канат. Свивание каната, т. е. опускание шара, происходящее без выпускания газа, производится с помощью паровой машины. Вследствие большого веса и большого числа пассажиров, поднимательная сила, а следовательно и величина шара, должна быть очень велика; так, напр., объем Жиффаровского в Лондоне в 1869 г. и в Париже в 1878 1879 г. достигал 12000 куб. м. Ладья аэростата, вроде омнибуса, вмещала 32 человека; канат был длиной в 650 м и весил около 3000 кг. Устроенная для этого шара арена имела в диаметре 175 метров и была окружена стенкой, обтянутой полотном. На парижской всемирной выставке в 1889 г. два подобных же шара поднимались на высоту 1000 метр. и были предназначены для посетителей выставки, которые могли за известную плату подняться для обозрения Парижа.
Во время Франко-прусской войны 1870 1871 года аэростаты многократно оказывали французам услуги, в особенности во время блокады Парижа. В Париже и в Луарской армии часто употреблялись привязанные шары для разведывания неприятельских позиций, равно как с немецкой стороны во время осады Страсбурга; однако, рекогносцировки с помощью привязанных аэростатов не дали вполне удовлетворительных, пригодных для практики результатов. Наоборот, с помощью свободно поднимающихся шаров удавалось перевозить известия и людей (напр., известного депутата и оратора Гамбетту) из Парижа в департаменты, не занятые немецкими войсками; равным образом, с помощью почтовых голубей, взятых на аэростат, удалось послать известия из армии и от правительственной депутации в Туре к главнокомандующему в Париж. Часть употребляемых воздушных шаров гибла, но все-таки полученные результаты были очень вески. После окончания войны 1870 и 1871 гг. военными инженерами всех стран стали производиться испытания для того, чтобы сделать аэростаты пригодными для военных целей. Одним из лучших усовершенствований этого рода является применение телефона к воздушным рекогносцировкам, испытывавшееся и в нашей армии и давшее удовлетворительные результаты. Для этой цели привязанный шар соединяют с главной квартирой или с наблюдательным отрядом посредством телефона, так что наблюдатель, находящийся на шаре, может непрерывно сообщать о всех движениях неприятельских отрядов. Нельзя не упомянуть, что привязанные шары, единственно употреблявшиеся для рекогносцировочных целей, хороши только в тихую погоду; с другой стороны, они сильно страдают также от огня нынешнего дальнобойного оружия. В настоящее время предложено также подавать с аэростатов сигналы войскам. После войны 1870 71 гг. все воздухоплавательные общества, в особенности парижское, занялись с большим усердием дальнейшим решением задачи воздухоплавания: найти способ управления аэростатом и тем сделать его пригодным для практических целей. Первая рациональная попытка в этом направлении была сделана ранее (в 1852 г.) Генрихом Жиффаром, построившим шар сигаровидной формы, длиной в 44 м и в диаметре 12 м, снабженный винтом, который приводился во вращение паровой машиной. Жиффар поднялся на этом шаре, вмещавшем 2500 куб. м газа, 26 сентября 1852 г. с парижского ипподрома и, несмотря на довольно сильный ветер, стал делать разные повороты и боковые движения с помощью винта и особого руля; он спустился благополучно у Траппа на землю.
Инженер Дюпюи де Лом повторил в 1872 году опыты Жиффара и пришел к убеждению, что для осуществления управления воздушным шаром прежде всего необходимо устранить изменения оболочки шара, т. е. спадание, затем шару следует придать сплюснутую форму, и наконец, необходимо по возможности тесно соединить между собой все отдельные части воздушного аэростата, т. е. шар, ладью его и т. д. Соблюдения первого условия Дюпюи де Лом достиг, придав главному шару еще другой малый шар, который с помощью особого клапана снабжался из гондолы воздухом, лишь только газ убывал из шара, и этот последний начинал опускаться; приток воздуха снова раздувал шар (идея Мёнье).
Дюпюи де Лом построил свой шар овальной формы, длиной в 36 м и вместимостью в 3564 куб. метра. К лодке, шириной в 6 м и длиной в 3 метра, приделан был винт, состоящий из 4 крыльев, каждое шириной около 1 метра. Крылья были обтянуты шелковой тафтой. Винт делал 21 оборот в минуту и приводился в движение 4-мя людьми. При этой скорости винта, шар делал самостоятельно 2,22 метра в секунду. Если винт вращали 8 человек, средняя скорость его достигала 28 32 оборотов, и шар двигался с быстротой 2,28 м в секунду. Кроме того, между ладьей и шаром аэростата был помещен треугольный, в 5 метров высоты, парус, игравший роль руля. Парус этот с помощью мачты, укрепленной в неподвижной точке опоры, мог быть установлен в любом положении. Двойная веревочная сетка окружала весь этот воздушный корабль. Пробное поднятие, состоявшееся 2-го февраля 1872 г., с Форта-неф, в Венсенне, было очень благоприятно для изобретателя. Руль действовал, несмотря на ветер. Шар мог пройти в среднем 10 км в час. Испытание дало заранее предвиденный результат, что есть возможность двигаться против ветра, скорость которого меньше скорости аэростата. Если ветер был сильнее самостоятельного движения шара, руль бездействовал.
Инженер Гаенлейн в Майнце выстроил в 1872 г. аэростат, в виде удлиненного тела вращения, с заостренными концами, с 4-х крылым винтом и с рулем, но вместо человеческой силы он употребил леноаровскую газовую машину в 3,6 лошадиных силы, весом в 233 кг. Этот аэростат имел внутри также маленький компенсационный шар системы Мёнье. Для того, чтобы смягчить и уменьшить толчок при опускании шара на землю, внизу ладьи помещено было особое приспособление. Быстрота Гаенлейновского аэростата, выстроенного на средства капиталистов, во время опытов в Брунне, достигла максимальной величины около 5 метров в секунду. Руфус Портер в Нью-Йорке и Мариотт в Сан-Франсиско делали также попытки устроить воздушный шар, которым можно бы было управлять. Капитан Темплер в Англии хотел достичь возможности путешествовать в любом направлении, исследуя на разных высотах воздушные течения (подобное предложение сделано еще Монгольфьерами), чтобы пользоваться ими согласно желаемому направлению. Вследствие крайне частых и быстрых перемен этих течений, оказалось крайне затруднительным исследовать и утилизировать эту сторону дела.
Все прежние попытки добиться управления шаром с помощью парусов были отвергнуты, когда было установлено, что главным условием управления шаром есть собственное движение его. Руль бездействует, лишь только ветер подхватывает и несет с собой воздушный шар с равной скоростью и в одинаковом направлении с течением воздуха; поэтому парус у лодки, который должен был бы придать направление, под влиянием течения воздуха бездействует. Задачей воздухоплавания является добиться управления шаром посредством особых воздушных крыльев, воздушного винта и подвижного руля.
Вопрос воздухоплавания, если допустить возможность управления аэростатом, зависит и связан всецело с изобретением особого пригодного для воздухоплавания двигателя, возможно легкого и сильного. До 1881 г. употреблялись, не считая винта ручного вращения, примененного Дюпюи де Ломом, паровые или газовые двигатели, оказавшиеся слишком тяжелыми и опасными в пожарном отношении. С изобретением аккумуляторов (см. это сл.), этих резервуаров электрической энергии, немедленно явились попытки применить электрические двигатели (динамо-машины), которые несравненно легче и безопаснее паровых и газовых двигателей. Гастон Тиссандье в 1881 г. сделал первый подобную попытку и применил для этой цели динамо-машину Сименса как двигатель и батарею аккумуляторов Планте как источник движущей силы. Винт соединен был с машиной зубчатыми колесами и делал от 120 до 180 оборотов в минуту. После различных опытов Тиссандье удалось (летом в 1884 году) достигнуть скорости движения 3-х метров в секунду на шаре, наполненном водородом. При скорости течения воздуха большей 3-х метров шар не мог двигаться против ветра. Можно сказать вообще, что в тихую погоду каждый шар, снабженный двигателем, винтом и рулем, будет двигаться в любом желаемом направлении. Против ветра он пойдет в том случае, если скорость его самостоятельного движения больше скорости воздушного течения. При движении против ветра аэростат может лавировать совершенно аналогично тому, как лавирует корабль против течения.
Сравнительно удачных результатов достигли двое французских офицеров Шарль Ренар и Артур Кребс, заведующие отделом французского военного воздухоплавания, производившие опыты с аэростатом в Париже 9-го августа 1884 года. Их аэростат, приготовленный в военных мастерских в Шале-Медоне, имел, по докладу Герве-Мангона в заседании 18-го августа 1884 г. Французской академии наук, 50 м длины и 8,4 метра в диаметре (в наибольшем разрезе); по своей форме он представлял тело вращения с несимметрическими концами. Маленький шар, помещенный внутри большого, давал возможность держать последний постоянно раздутым в одинаковой степени. Двигателем служила небольшая, сравнительно очень легкая динамоэлектрическая машина, незаметная даже снаружи, которая приводила в движение винт. Батарея аккумуляторов питала машину. Двигатель мог развить 3,5 лошадиных силы, но всей этой силой не пользовались. Этот воздушный шар поднялся с Ренаром и Кребсом вблизи Медона, при полном безверии, и полетел сперва к Ю, находясь на высоте 300 м от земли. Шар двигался со скоростью около 5 м в секунду. В Вилла-Кублэ, в 4 км от Медона, воздухоплаватели повернули назад, описав полукруг диаметром в 3 0 0 метров, и стали двигаться обратно к Медону. Вблизи этого места они повернули немного влево, чтобы достигнуть Шале, и, после немногих поворотов машины, прибыли обратно, на место отправления. Поездка совершена была с полной правильностью и продолжалась 23 минуты, аэростат прошел в это время около 7,6 км. Нельзя считать, однако, что эти опыты решили вполне задачу воздухоплавания, управление аэростатом, так как они производились при полном затишье, и так как достигнутая скорость 5-и метров в секунду (т. е. 18 км в час) далеко не достаточна для того, чтобы превозмочь силу даже умеренного ветра, имеющего скорость 30 км в час. Насколько важно воздухоплавание для военных целей, доказывает то обстоятельство, что французы снабдили отрядом воздухоплавателей в 1884 г. свои войска, отправленные в Тонкинскую экспедицию.
В начале апреля 1890 года двое французских техников, Буассэ и Лэнека, пригласили представителей парижской печати в залу "Конференций" для сообщения им некоторых подробностей относительно совместно изобретенного ими нового воздушного шара. Их аэростат имеет рыбовидную форму; посредством употребления смешанных газов изобретатели нашли возможность держаться в воздушном пространстве очень долгое время без малейшей потери газа. Аэростат Буассэ и Лэнека, по словам изобретателей, сохраняя свою подъемную силу во всех слоях атмосферы, не требует ни клапана, ни балласта. Двигатель в сто лошад. сил, приводимый в движение газами, употребляемыми для наполнения шара, сообщает быстрое вращение винту, устроенному в передней части ладьи. Главное достоинство этого шара заключается в устойчивости, сохраняемой им в атмосферном пространстве на всевозможных высотах. Изобретатели утверждали, что они решили вопрос об управлении воздушным шаром и намерены были приступить в скором времени к производству соответственных опытов. Если эти надежды оправдаются, то это составит громадный шаг вперед в вопросе воздухоплавания.
В настоящее время во всех странах усердно разрабатывается вопрос воздухоплавания. Существуют целые воздухоплавательные общества, издаются по этому вопросу периодические издания, как, напр., "L'Aeronaute", изд. в Париже.
В России воздухоплавание сделало большие успехи. Кроме военного воздухоплавательного отряда на Волковом поле, где каждый год совершаются полеты и делаются разные новые опыты, при Техническом обществе образовался новый VII воздухоплавательный отдел, который насчитывает много членов. Русские аэронавты оказали значительные услуги воздухоплаванию, как, напр., Козлов, Рыкачев, Кованько и др. Летом 1890 производились поднятия шаров VII отдела.
Кроме воздухоплавания, основанного на удельной легкости аэростата, стали подумывать также об осуществлении его с помощью летательных машин, которые были бы удельно тяжелее воздуха, но удерживались бы в нем и летали с помощью динамического усилия. Соответственно этому воздухоплавание имеет два главных направления: 1) воздухоплавание с помощью аэростатов, или шаров, которые удельно легче воздуха, уже осуществленное, и 2) так называемую авиацию, т. е. подражание полету птиц, без шара, наполненного легким газом, а исключительно с помощью динамических средств, каковы крылья, воздушные винты и т. п., дающих возможность подняться и удерживаться в воздухе. К сторонникам первого направления принадлежат нынешние практики-воздухоплаватели. Сторонниками авиации, или авиаторами, являются все теоретики-воздухоплаватели, главным образом математики, инженеры, физиологи и технологи. Их научные работы по воздухоплаванию крайне важны также для сторонников аэростатов, так как они основываются на сопротивлении воздуха и воздушном винте. Большая трудность осуществления планов авиаторов состоит в том, что до сих пор ни их летательные тела, ни двигатели не могут быть выстроены столь легкими, как того требует расчет. Так как они стремятся уподобить свои машины, по возможности, птицам, существующим на самом деле, то нельзя отрицать абсолютной возможности авиации и, может быть, она является воздухоплаванием будущего. Профессор Д. Менделеев, в своем сочинении "О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании", составляющем ценный вклад в литературу по этому вопросу, склоняется к мнению, что аэростат надежнее, ближе в цели, чем летательные машины. Он говорит, что изучение истории дела воздухоплавания, личные опыты и соображения убедили его, с одной стороны, в возможности будущего успеха, а с другой в необходимости для овладения воздушным океаном еще многих предварительных исследований и попыток, преимущественно при помощи аэростатов. Далее, он находит что Россия для опытов удобнее других стран, у которых много берегов водного океана, между тем как в нашем отечестве береговая линия ничтожна сравнительно с занимаемым им громадным пространством. Мнение о преимуществе аэростатов было высказано в 1880 году, в следующем же 1881 году Тиссандье устроил свой аэростат с электрическим двигателем, который, как можно с уверенностью предположить, является прототипом будущего идеального аэростата. Будем надеяться, что и все остальное, пророчески высказанное уважаемым профессором, исполнится в будущем. Опыты Кребса и Ренара и многих других за последние годы показали, насколько этот живой вопрос поставлен рационально. В настоящее время вопрос воздухоплавания всецело зависит от успехов электричества. Одна сторона уже почти решена, так как электрические двигатели уже почти удовлетворяют необходимым условиям: при малом сравнительно весе они развивают значительную силу. Нерешенной остается только другая сторона: нет еще легкого и емкого резервуара электричества, вероятно, аккумулятора, так как ныне существующие приборы этого рода далеко неудовлетворительны, вследствие своей тяжести. С изобретением удовлетворительного аккумулятора сделается, вероятно, осуществимым и хороший летательный снаряд, устройство которого составит эпоху, и с нее-то начнется, как говорит Менделеев, новейшая история образованности.
2. Расчеты Архимеда
2.1 Закон Архимеда
1) На тело, погруженное в жидкость (газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости.
FА = ρgV
где р - плотность жидкости (газа), g - ускорения свободного падения, а V - объем погруженного тела ( или часть объема тела, находящаяся ниже поверхности). Выталкивающая сила, называемая также архимедовой силой, равна по модулю и противоположна по направлению силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объем жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объема.
Следует заметь, что тело должно быть полностью окружено жидкостью. Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна. 2) Мы не можем точно проследить логику рассуждений Архимеда. За древностью лет много информации, к сожаленью, утеряно, но попробуем мысленно перенестись в 287 – 212гг до н.э. и воссоздать картину размышлений великого греческого ученого изложенную в сочинении «О плавающих телах».
Сочинение " О плавающих телах " исследователи относят к числу самых поздних, а некоторые считают его последним научным трудом Архимеда. Это сочинение состоит из двух книг. В первой книге Архимед, излагает: тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая из часть не выступает над поверхностью жидкости и она не будет двигаться вниз. Подробно разбирает вопросы, связанные с погружением твердых тел в жидкость, и формулирует закон, до сих пор приводимый в любом школьном учебнике. И здесь подход к проблеме тот же: на основание опытных наблюдений Архимед строит модель жидкости, с помощью которых получает ряд следствий, обосновывая их строгими геометрическими доказательствами. Во второй книге: тело более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком, но некоторая часть его остается над поверхностью жидкости ; Тело более тяжелое, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела. Он рассматривает принцип работы ареометра и условие равновесия в жидкости тел, имеющих форму сегмента параболоида. Выводы Архимеда представляли практический интерес судостроения. 3) Рассмотрим вывод закона Архимеда с точки зрения математики.
На все шесть граней физического тела действует со стороны жидкости (газа) гидростатическое давление р = рgh, так как боковые грани находятся на одинаковых глубинах (h3 = h4= h5 = h6) и ρ=const, g = const, то ρ3 = ρ4 = ρ5 = ρ6. С другой стороны ρ = S . Так как мы рассматриваем физическое тело кубической формы, то S1 = S2 = S3 = S4 = S5 = S6 и, следовательно, F3 = F4 = F5 = F6 и эти силы компенсируют действия друг друга (F3 + F4 + F5 + F6 = 0). Теперь рассмотрим F1 и F2. Так как h1 < h2 , то ρ = ρgh при ρ = const и g = const , ρ1 < ρ2. Так как ρ = S => F = ρS при S1 = S2 , то F1 < F2 Определяя равнодействующую силу F1 и F2 , найдем , что R = F1 + F2 , так как F1 F2 , то R = F2 - F1 , = 0. Это сила была названа выталкивающая и позже в честь Архимеда, названа FА - Архимедова сила Вычислим FА : FА = F2 - F1 , так как
F = ρS, то FА = ρ2S2 - ρ1S1 ; ( S1 = S2 = S ); FА = ρ2S - ρ1S = S(ρ2 - ρ1).
Учитывая, что ρ = ρgh, получаем:
FА = S(ρ2g2h2 - ρ1g1h1) - g1 = g2 = g = const ,
так как это ускорение свободного падения (g≈9,8) - ρ1 = ρ2 = ρ = const , так как физическое тело погруженное в однородную жидкость. Тогда :
FА = S(ρgh2 - ρgh1) = Sρg(h2-h1)
Из рисунка видно, что h2 - h1 = h ф.т., тогда
FА = Sρgh ф.т.
Из курса математики следует:
Sh ф.т. = V ф.т
то
FА = ρgV ф.т. 4)
Продолжим рассуждения, начатое в 3 пункте. Из курса динамики известно, что P = mg для случая если U = 0, а = 0, так как
mж = ρжVж
то
FА = ρж(г)V ф.т. g
Если взять столько жидкости (газа), чтобы наблюдалось равенство Vф.т. = Vж(г) . (Рассматриваем жидкость (газ), взятую в объеме погруженного физического тела) , тогда:
FА = Pж(г) (при Vф.т. = Vж(г)).
2.2 Условия плавания тел
1. Если FА › mg, то физическое тело поднимается вверх.
2. Если FА = mg, то физическое тело плавает внутри.
3. Если FА ‹ mg, то физическое тело погружается ко дну (тонет).
Рассмотрим
FА = mg, FА = ρж . g . Vт и mт = ρт . Vт,
подстав данные выражения получим:
ρж . g . Vт = ρт . Vт . g,
тогда ρж = ρт. Следовательно:
1) Если ρж › ρт , то физическое тело поднимается вверх.
2) Если ρж = ρт, то физическое тело плавает внутри.
3) Если ρж ‹ ρт, то физическое тело погружается ко дну.
3. Демонстрационный эксперимент
Рассмотрим 2 шарика:
FА = ρг . g . Vm
Vm(1) = Vm(2)
mg = (mоб + mг)g
mоб(1) = mоб(2)
т.к. М(возд) = 29 . 10-3 кг/моль, а М(Не) = 4 . 10-3 кг/моль, то М(возд) › М(Не), из этого получаем: m(возд) › m(Не), т.е. mg(1) › mg(2)
4. Воздухоплавание в военных условиях
После первых полётов, носивших больше развлекательный характер, аэростаты стали применять с научными (для изучения атмосферы, географических исследований и др.) и военными целями. В 1849 во время борьбы Италии за независимость австрийские войска организовали с помощью небольших (объёмом 82 м3) свободных аэростатов бомбардировку Венеции зажигательными и разрывными бомбами. В 1859 в сражении при Сольферино французский воздухоплаватель Ф. Надар с привязного аэростата производил разведку расположения австрийских войск, сделав фотоснимки позиций противника. Привязные аэростаты для разведки и корректирования артиллерийского огня применялись также в США во время Гражданской войны 1861 65. Во франко-прусской войне 1871 посредством свободных аэростатов была налажена связь окружённого немцами Парижа с остальной Францией. За 4 месяца на 65 аэростатах объёмом 1 2 тыс. м3 было переправлено 3 млн. писем и депеш общим весом 16 675 кг, а также 150 пассажиров.
В 1871 парижские коммунары пользовались аэростатами для разбрасывания листовок революционного содержания. С момента возникновения В. до 70-х гг. 19 в. применялись только свободные и привязные аэростаты. Первый проект управляемого аэростата с воздушными винтами, вращаемыми вручную, был выдвинут в 1784 французским военным инженером Ж. Менье. В 40-х гг. 19 в. проекты управляемых аэростатов были предложены русским военным инженером И. И. Третесским, предусматривавшим, в частности, ракетный двигатель, и другими изобретателями. 24 сентября 1852 француз А. Жиффар совершил первый управляемый полёт со скоростью до 11 км/ч (в безветренную погоду) на аэростате с паровым двигателем. В 1869 в России была организована постоянная Комиссия по применению воздухоплавания к военным целям.
С 1870 в Усть-Ижорском сапёрном лагере под Петербургом производились наблюдения с аэростатов за передвижениями войск и корректирование артиллерийской стрельбы по невидимым с земли целям. В 1875 русский учёный Д. И. Менделеев выдвинул идею стратостата и обосновал выбор конструкции отдельных его частей.
В 1880 был основан воздухоплавательный отдел Русского технического общества.
В 1885 в Петербурге была учреждена кадровая команда военных воздухоплавателей (в 1887 реорганизована в "Учебный кадровый воздухоплавательный парк"), которая приступила к учебно-тренировочным подъёмам и полётам на аэростатах.
В 1885 в Главной физической обсерватории, которой руководил академик М. А. Рыкачёв, были разработаны самопишущие метероприборы, поднимавшиеся на шарах-зондах и воздушных змеях. 19 августа 1887 Менделеев на военном аэростате совершил полёт из г. Клина длительностью 3 ч 36 мин на высоте 3350 м для наблюдения солнечного затмения. Русские учёные использовали для научных целей и учебные полёты офицеров, снабжая аэростаты метеоприборами. Одним из организаторов этих полётов и многократным их участником был военный учёный профессор М. М. Поморцев. Ему удалось выработать методику наблюдений, усовершенствовать существовавшие аэронавигационные приборы и создать новые. Научное применение В. не ограничивалось областью метеорологии и аэрологии. Производились попытки применить свободные аэростаты (позднее дирижабли) для исследования труднодоступных местностей. В 1897, вылетев на аэростате объёмом 5000 м3 с о. Шпицберген, шведский воздухоплаватель С. Андре с двумя спутниками пытался достичь с попутным ветром Северного полюса, но попытка была неудачной, воздухоплаватели погибли.
В 1887 русский учёный К. Э. Циолковский предложил проект цельнометаллического бескаркасного дирижабля с изменением его объёма в полёте и с подогревом газа. Первый успешный полёт дирижабля со скоростью 22 25 км/ч был совершен французским воздухоплавателем А. Сантос-Дюмоном, который 13 ноября 1899 облетел вокруг Эйфелевой башни в Париже и благополучно вернулся к месту старта. Агрессивные устремления правящих кругов Германии и других империалистических держав побуждали развивать В. прежде всего в военных целях. В захватнической войне 1899-1902 против буров английские войска применяли сферические привязные аэростаты. В русско-японской войне 1904 05 и русские, и японские войска использовали привязные аэростаты для корректирования артиллерийского огня.
С начала 20 в. получили распространение более совершенные змейковые аэростаты, созданные немцем А. Парзевалем в 1893. Такого типа аэростаты, имея сравнительно обтекаемую форму, вертикальный стабилизатор и боковые паруса, были устойчивы в воздухе и допускали наблюдение при скорости ветра до 60 км/ч. В итало-турецкой войне 1911 12 итальянские войска наряду с привязными змейковыми аэростатами впервые использовали для бомбометания и разведки 3 дирижабля полужёсткой системы. Накануне и во время 1-й мировой войны 1914 18 в наиболее развитых капиталистических странах на вооружении находились разные типы дирижаблей объёмом от 1500 м3 (английский мягкий дирижабль для обнаружения подводных лодок) до 68 тыс. м3 (немецкий жёсткий дирижабль для бомбардировки и дальней разведки). Скорость их полёта 80 130 км/ч, высота 3500 5000 м. Во время войны они эффективно участвовали в морской разведке и охране берегов, в борьбе с подводными лодками на местах стоянок морских судов и при сопровождении судов в море. Также весьма эффективны были и привязные змейковые аэростаты для разведки поля боя и корректирования артиллерийской стрельбы. Только Россия, Франция и Германия имели на фронтах около 550 таких аэростатов наблюдения объёмом 820 1050 м3, поднимаемых на высоту 600 2000 м. К концу войны в Великобритании, Франции и Италии змейковые аэростаты объёмом 100 270 м3 стали подниматься как заграждения против самолётов на высоту 2 4 км.
После победы Великой Октябрьской социалистической революции по инициативе В. И. Ленина в декабре 1917 началось формирование первых "социалистических воздухоплавательных отрядов" в гг. Петрограде, Москве, Саратове, Новгороде и др. В начале 1918 состоялся 1-й Всероссийский воздухоплавательный съезд, который наметил программу развития отечественного воздухоплавания. В первом советском научно-авиационном учреждении "Летучая лаборатория" (Москва), руководимом профессором Н. Е. Жуковским, в мае 1918 был создан аэростатный отдел.
10 августа 1918 при Реввоенсовете Республики создаётся Полевое управление авиации и воздухоплавания действующей армии (Авиадарм). Советские воздухоплаватели активно участвовали в годы Гражданской войны в боях под Царицыном, Камышином и др. Новым в боевом использовании привязных аэростатов был подъем их для разведки и корректирования артиллерийского огня с судов речных флотилий (на Волге и Днепре), а также с бронепоездов.
Впервые аэростат был поднят 16 марта 1919 с бронепоезда "Черноморец", действовавшего на Южном фронте, 2-й воздухоплавательный отряд во взаимодействии с бронепоездом "Воля" за 2 недели ожесточённых боев произвёл 75 подъёмов аэростатов. Советские военные воздухоплаватели совершили на всех фронтах за годы Гражданской войны около 7 тыс. боевых подъёмов, проведя в воздухе более 10 тыс. ч. После окончания 1-й мировой войны в США, Франции, Италии, Германии и других странах продолжалось строительство дирижаблей различных систем объёмом от 1400 м3 (полумягкая система) до 184 тыс. м3 (жёсткая система) для перевозки пассажиров, грузов и для военных целей.
Достижения в этих странах нашли своё отражение в полётах дирижаблей 20-х гг. В мае 1926 норвежец Р. Амундсен на дирижабле полужёсткой системы "Норвегия" (конструкции итальянского инженера У. Нобиле) объёмом 18,5 тыс. м3, оборудованном 3 двигателями мощностью по 185 квт (250 л. с.), совершил за 71 ч беспосадочный перелёт с о. Шпицберген через Северный полюс на Аляску. В 1928 на таком же дирижабле У. Нобиле отправился в полёт через Северный полюс. В 1929 немецкий дирижабль жёсткой системы "Граф Цеппелин" объёмом 105 тыс. м3 совершил с 3 промежуточными посадками кругосветный перелёт протяжённостью 35 тыс. км за 21 день. Средняя скорость полёта была 177 км/ч. Позже, в 1932 37, дирижабль, совершив 136 полётов в Южную Америку и 7 полётов в США, перевёз 13 110 пассажиров.
В 30-е гг. для изучения стратосферы в разных странах совершались полёты на стратостатах. 27 мая 1931 бельгийцы А. Пикар и М. Кипфер на стратостате объёмом 14 300 м3 пробыли в воздухе 16 ч и поднялись на высоту 15 780 м, а 12 августа 1932 на том же стратостате Пикар и М. Козине пробыли в воздухе 11 ч 45 мин и поднялись на высоту 16 370 м. 30 сентября 1933 советские стратонавты Г. А. Прокофьев, К. Д. Годунов и Э. К. Бирнбаум на стратостате (конструкции К. Д. Годунова) "СССР-1" объёмом около 25 тыс. м3 достигли высоты 19 тыс. м, пробыв в воздухе 8 ч 20 мин. 30 января 1934 советские стратонавты П. Ф. Федосеенко, А. Б. Васенко и И. Д. Усыскин на стратостате "ОАХ-1" объёмом 24 920 м3 достигли высоты 22 тыс. м, пробыв в воздухе 7 ч 04 мин. 11 ноября 1935 американские стратонавты А. Стивенс и О. Андерсон на стратостате "Эксплорер-2" объёмом 105 000 м3 поднялись на высоту 22 066 м. Полёты стратостатов и шаров-зондов с автоматическими радиопередатчиками до высоты 40 км значительно расширили применение для научных исследований. В СССР В. получило распространение также и в спортивных целях в состязаниях на продолжительность, высоту и дальность полёта.
9 марта 1935 пилот В. А. Романов и профессор И. А. Хвостиков на аэростате с открытой гондолой достигли высоты 9800 м, а 3 сентября 1935 И. И. Зыков и А. М. Тропин на аэростате объёмом 2200 м3 осуществили рекордный полёт продолжительностью 91 ч 15 мин из Москвы в Актюбинскую область, 29 сентября 4 октября 1937 на советском дирижабле "СССР В-6" объёмом 19 тыс. м3 с 3 двигателями мощностью по 177 квт (240 л. с.) был установлен мировой рекорд продолжительности полёта 130 ч 27 мин. На борту дирижабля находились 16 человек экипажа: командир экипажа И. В. Паньков. Наибольших успехов среди женщин добилась А. П. Кондратьева, которая 14 15 мая 1939 на сферическом аэростате "СССР ВР-31" объёмом 600 м3 пролетела за 22 ч 44 мин расстояние 481 км.
16 марта 1941 С. С. Гайгеров и Б. А. Невернов совершили рекордный (по продолжительности и дальности) полёт на аэростате из Москвы в Новосибирскую область, пролетев за 69 ч 20 мин 2767 км. К началу Великой Отечественной войны из 24 официально зарегистрированных мировых рекордов в области В. 17 были завоёваны советскими воздухоплавателями. Широкое применение В. нашло в годы Великой Отечественной войны 1941 45. Аэростаты наблюдения вели длительную артиллерийскую разведку, корректировали огонь батарей. Большое распространение в системе противовоздушной обороны гг. Москвы, Ленинграда и других от налётов немецко-фашистской авиации получили аэростаты заграждения (АЗ).
Значительный вклад в создание совершенных конструкций АЗ внесли коллективы инженеров, руководимые В. Н. Архангельским, К. Д. Годуновым. В обеспечении надёжной эксплуатации АЗ большую роль сыграли военные инженеры, подготовленные в Военно-воздушной инженерной академии им. Н. Е. Жуковского профессорско-преподавательским составом, возглавляемым профессором В. А. Семёновым. Кроме привязных аэростатов, в дни войны для перевозки специальных грузов в тылу применялся дирижабль мягкой системы "В-12" объёмом 3 тыс. м3. В 1944 под руководством инженера Б. А. Гарфа был сконструирован и построен дирижабль "Победа" объёмом 5 тыс. м3, показавший отличные лётные качества.
С 1945 по 1947 этот дирижабль применялся на Чёрном море для отыскания минных полей, затонувших судов и др. Начиная с 1950-х гг. полёты отечественных дирижаблей прекратились. В США и ФРГ до 1960-х гг. эксплуатировалось несколько дирижаблей мягкой системы. Большинство их полётов совершалось с рекламными целями. После окончания Великой Отечественной войны спортивное и научное В. в Советском Союзе продолжает развиваться. 3 июля 1945 на аэростате "СССР ВР-70" объёмом 600 м3 поднялись в воздух С. А. Зиновеев и А. М. Боровиков для научных наблюдений атмосферного электричества, а 9 июля 1945 с аэростата "СССР ВР-63" они провели наблюдение солнечного затмения.
11 ноября 1945 на субстратостате "ВР-79" объёмом 2700 м3 Г. И. Голышев и М. И. Волков поднялись на высоту 11 500 м для изучения физических явлений в верхних слоях атмосферы. 27 апреля 1949 на аэростате "СССР ВР-79" объёмом 2700 м3 П. П. Полосухин и А. Ф. Крикун поднялись на высоту 12100 м. 25 28 октября 1950 советские аэронавты С. А. Зиновеев, С. С. Гайгеров и М. М. Кирпичёв совершили полёт на том же аэростате из Москвы в Казахстан, пролетев по прямой около 3200 км за 84 ч 24 мин. Полёт происходил на высоте более 5 тыс. м. 50-е гг. ознаменовались большим скачком в изучении физики атмосферы и, в частности, закономерностей движения воздушных масс. Были открыты так называемые струйные течения в атмосфере. Возникла возможность создания карт струйных течений над всем земным шаром и прогнозирования трассы полёта аэростата с момента его старта на несколько суток предстоящего полёта. Одновременно с расширением знаний по физике атмосферы произошли и существенные изменения в воздухоплавательной технике. Химическая промышленность выпустила новые пластические материалы для изготовления оболочек аэростатов (полиэтилен, полиэтилен-терефталат и др.). Эти материалы прозрачны, прочны, морозостойки, очень легки (1 м2 такой плёнки весит 30 50 г) и мало нагреваются лучами Солнца. На аэростате, выполненном из таких материалов, можно достичь высоты около 40 км и продолжительности полёта более 15 суток. Достижения радиотехники, электроники, автоматики, точного приборостроения и др. позволили создать надёжно летающие и выполняющие сложную исследовательскую программу беспилотные свободные аэростаты, называемые автоматическими аэростатами. Ими пользуются для изучения воздушных струйных течений, для географических и медико-биологических исследований в нижних слоях стратосферы, как стартовыми площадками для запуска метеорологических ракет и подъёма телескопов и т.д.
5. Дорогу в космос проложили аэронавты
В 1782 году Братья Жан-Этьенн и Жозеф-Мишель Монгольфье, увлекавшиеся вопросами динамического воздухоплавания, а также пытавшиеся экспериментировать с оболочками, наполняемыми водородом, знакомые с этим открытием, пришли к выводу, что причиной подъема облаков является их электризация. С целью получения газа, обладающего электрическими свойствами, они начали сжигать мокрую солому и шерсть. Этот материал они использовали по аналогии с процессами, происходящими в электрографе, а воду добавляли для получения пара, схожего с составом облаков. Свои шары (вначале они были прямоугольных форм и только затем сферические) они называли аэростатическими машинами. Один из таких шаров, диаметром 3,5 метра, был показан родным и знакомым. Шар, поднявшись на высоту 300 метров, продержался в воздухе около 10 минут. После этого братья Монгольфье построили оболочку диаметром более 10 метров, она была сделана из холста, в верхней части изнутри оклеена бумагой и усилена веревочной лентой. Демонстрация этого шара состоялась на базарной площади в городе Анноне 5 июня 1783 года. Был составлен протокол, который отразил все подробности полета. Шар поднялся на высоту до 500 метров и продержался в воздухе около 10 минут, пролетев при этом 2 километра. 19 сентября 1783 года в Версале (под Парижем) в присутствии короля Людовика XVI во дворе его замка в час дня воздушный шар взмыл в воздух, унося в своей корзине первых воздушных путешественников, которыми были баран, петух и утка. Шар пролетел 4 километра за 10 минут. Для его наполнения потребовалось 2 пуда (32 кг) соломы и 5 фунтов (2,3 кг) шерсти. 24 сентября 1784 года в Лионе впервые в воздух на монгольфьере поднялась женщина. Госпожа Тибль в присутствии шведского короля Густава III поднялась на высоту 2700 метров и продержалась в воздухе 142 минуты. 15 июня 1785 года стал трагическим в истории воздухоплавания. В этот день погибли пилот, физик, изобретатель Жан Франсуа Пилатр-де-Розье и его друг механик Ромен. В дальнейшем монгольфьеры уступили своё место воздушным шарам наполняемым водородом, так называемым шарльерам. Это было вызвано присущими монгольфьерам недостатками: необходимость брать на борт большое количество топлива, опасность возникновения пожара в воздухе и т. д. Однако во второй половине XX века монгольфьеры вновь стали популярны. К этому привело появление новых легких и огнестойких материалов и появление специальных газовых горелок, которые вместе с газовыми баллонами составили удобный и надежный комплекс управления тепловыми аэростатами. Кроме того появился и такой вид монгольфьеров, как солнечные. Перепад температур между воздухом в оболочке и окружающей средой составляет около 30 градусов. Разумеется, такие аэростаты могут летать только в солнечную погоду, да и объём оболочки в 2,5 3 раза больше, чем у обыкновенных аэростатов. Появление новых типов монгольфьеров привело и к появлению новых видов соревнований и воздушных праздников фиест. В соревнованиях необходимо как можно точнее привести аэростат в заданную точку или оптимизировать временной или дистанционный интервал полета. Фиесты же представляют собой более фееричное зрелище: одновременный старт десятков, сотен, а на особо крупных фиестах, и тысяч монгольфьеров различных форм и цветов производят на зрителей неизгладимое впечатление.
Для полета, воздушным шарам различной модификации не нужно разгоняться, как самолетам. Они не взлетают, а всплывают на небо, подобно тому, как наполненный воздухом мячик всплывает из водной глубины на поверхность. Вот таким образом взлетают аэростаты. Дальнейшее развитие воздухоплавания привело к созданию самолетов и ракет. Человечество развивается, делаются новые открытия, люди изобретают новые, более совершенственные летательные аппараты. А может быть в дальнейшем, придумают какие-нибудь ещё более усовершенствованные аппараты, чтобы летать совсем как птицы!
Список используемой литературы
1. А. Л. Стасенко, «Физика полета», Изд. «Наука»;
2. Кл. Э. Суорц, «Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Том 1», Изд. «Наука»;
3. М. М. Балашов, «О природе», Изд. «Просвещение»;
4. «Классики физической науки»
|