Теоретические основы воздухоплавания

Все воздухоплавательные средства можно разделить на две группы: воздушные шары и дирижабли. Воздушные шары бывают трех основных видов: газовыми, тепловыми (они же термальные) и комбинированными. Самые первые воздушные шары были тепловыми. Горячий воздух в шар загонялся с помощью жаровен. Подобные летательные средства часто называют монгольфьерами, по фамилии французских изобретателей братьев Монгольфье. Современный облик тепловые аэростаты приобрели после усовершенствований американского инженера Пола Эдварда Йоста. В 1960 году он спроектировал компактную, но мощную горелку, работающую на пропане. Кроме того, ученый предложил изготавливать оболочку воздушных шаров из легкого, но прочного материала – нейлона. И в настоящее время тепловые аэростаты – это самые распространенные воздухоплавательные аппараты в мире.

Наиболее распространенная конструкция аэростата.

В современном воздухоплавании также используются и газовые аэростаты. Их часто именуют шарльерами в честь их изобретателя – профессора Жака Александра Шарля. Раньше в качестве газа использовался аммиак, водород и даже каменноугольный газ, теперь шары заправляют в основном гелием.

Главный недостаток воздушный шаров – их неспособность летать горизонтально без помощи воздушных потоков. Эту проблему пытались решить еще инженеры XIX века. Результатом их трудов стало появление дирижаблей – управляемых аэростатов (по-французски dirigeable – управляемый). Поначалу это были простые воздушные шары, к корзинам которых крепились винтовые двигатели. В отличие от воздушных шаров, дирижаблями легко управлять, они могут перевозить большее количество людей, а также летать на дальние расстояния. Современные дирижабли развивают скорость до 100-135 км/ч. Дирижабли, как и воздушные шары, бывают газовыми (гелиевыми и водородными) и тепловыми.

Все воздухоплавание основано на законе Архимеда.

Чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле: F_а=gρV_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.

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 оболочки}=mg

F_{т газа внутри}=gρ_гV_т

Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и поэтому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха его плотность уменьшается в 1,37 раза. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой.

Плотность водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом, более чем в 3 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.