Исследовательская работа "Воздушный шар: история, динамика, реальность"

Муниципальное Бюджетное Общеобразовательное Учреждение Средняя Общеобразовательная Школа №4 г. Карачева им. С.П.Лоскутова

Научно - исследовательская работа по теме:

«Воздушный шар: история, динамика, реальность»

Выполнила:

Ученица 11 класса

МБОУ СОШ №4 г.Карачева

им. С.П.Лоскутова

Анисочкина Анастасия

Руководитель:

Учитель физики:

Холондач Марина Анатольевна

Карачев 2023

Оглавление

Введение………………………………………………………………3-4

Глава 1. Теоретическая часть

1. История создания воздушного шара……………………………5-7

2. Основные типы воздушных шаров……………………………..8-9

3. Устройство шара в небе с корзиной………………………….....10-11

4. Как летает воздушный шар?..........................................................12

Глава 2. Практическая часть

2.1 Процесс создания воздушного шара…………………………….13

Заключение……………………………………………………………14

Источники используемой литературы………………………………15

Приложения…………………………………………………………….16

Введение

Как-то раз я смотрела телепередачу «Орел и Решка». В этом выпуске девушка путешествовала по Каппадокии, одному из городов Турции. Среди туристов Каппадокия известна именно благодаря воздушным шарам. Почти каждое утро 150 разноцветных шаров поднимаются в воздух и летают в долине в течение часа. Это невероятно красиво! Так я и заинтересовались воздушными шарами: их историей и устройством.
Мечта подняться над землей, преодолеть гравитацию и приблизиться к Солнцу с античных времен живет в душе человека. Известны исторические факты, свидетельствующие о том, что еще в древнем Риме и Китае предпринимались первые попытки это сделать посредством емкостей, наполненных дымом. В Средние века они продолжались, но получаемые воздушные шары были небольшими, недолговечными и неспособными поднять еще что-то, кроме себя. С воздушных шаров когда-то начиналась гражданская авиация: до самолетов и вертолетов было как до Луны пешком, а на шарах люди начали летать еще в 18-ом веке.
Сегодня я расскажу, как это происходит в 21-ом. 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.

Цель: создать собственную модель воздушного шара.

Задачи:

1. Изучить историю создания воздушного шара и его устройство.

2. Рассмотреть применение воздушного шара в жизни человека.

3. Создать модель воздушного шара.

4. Выступить с научно-исследовательской работой на конференции.

Объект исследования: воздушный шар.

Методы исследования:

1. Изучение литературы по данной теме

2. Поиск материалов в интернете.

3. Подбор материалов и слайдов на компьютере.

4. Подготовка презентации научно-исследовательской работы.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. История создания воздушного шара

Долгие годы одним из недостижимых желаний людей была способность летать или хотя бы подниматься в воздух. Каких только изобретений не было придумано, чтобы это осуществить. Однажды, был зафиксирован тот факт, что предметы небольшого веса могут подниматься при воздействии горячего воздуха, это и стало толчком в развитии воздухоплавания.

Считается, что первый в мире воздушный шар создан в 1783 году. Как же это случилось? История нас отправляет в далекие XVI-XVII века. Именно тогда появились прототипы первых шаров, которые не смогли себя показать на практике. Параллельно, в 1766 году ученым-химиком Генри Кавендишем были впервые подробно изложены свойства такого газа, как водород, который использовал в своих работах с мыльными пузырями итальянский ученый-физик Тиберио Кавалло. Он наполнял пузыри этим газом, и они быстро взмывали в воздух, поскольку водород в 14 раз легче, чем воздух. Так появились основные две подъемные силы, используемые при полетах аэростатов и в наши дни – это водород и горячий воздух.

Данные открытия не решили всех проблем осуществления полетов. Для создания воздушного шара требовался специальный материал, который не будет слишком тяжелым, а также сможет удерживать газ внутри. Решение этой задачи ученые-изобретатели выполняли разными способами. Причем за первенство открытий конкурировали сразу несколько конструкторов, основные из них – это братья Жак-Этьенн и Жозеф-Мишель Монгольфье, а также известный профессор Жак Александр Шарль из Франции.

У братьев Монгольфье не было специальных знаний о свойствах и характеристиках различных газов, но он обладали большим стремлением к открытиям. Вначале они экспериментировали с дымом и паром. Были попытки и использования водорода, но их коснулась проблема отсутствия специальной ткани, которая бы не пропускала этот газ. Также его стоимость была достаточно дорогой, и Монгольфье вернулись к экспериментам с горячим воздухом.

Первый воздушный шар создан в 1782 году. Смастерили его братья Монгольфье, правда он имел небольшой размер, всего лишь 1 кубический метр в объеме. Но все-таки это был уже настоящий шар, который поднимался на высоту более 30 метров над землей. В скором времени экспериментаторы изготовили и второй воздушный шар. Он был уже гораздо больше предшественника: объемом в 600 кубических метров и диаметром 11 метров, под шаром расположили жаровню.

Тканью для аэростата послужил шелк, обклеенный бумагой с внутренней стороны. Торжественный запуск воздушного шара в присутствии многочисленной публики был осуществлен 5 июня 1783 года, который организовали уже известные братья Монгольфье. С помощью горячего воздуха аэростат подняли на высоту 2 тысячи метров! Об этом факте даже написали в парижскую Академию. С тех пор воздушные шары, в которых используется горячий воздух, стали называться в честь своих изобретателей – монгольфьерами.

Такие достижения Монгольфье сподвигли Жака Александра Шарля к усиленным разработкам своего нового изобретения – воздушного шара, при подъеме которого используется водород. У него были помощники – механики братья Роберы. Им удалось изготовить шелковый шар, пропитанный каучуком, диаметр которого составил 3,6 м. Заполняли его водородом при помощи специального шланга с клапаном. Была сделана также особая установка добывания газа, который получали в результате химических реакций при взаимодействии металлических опилок с водой и серной кислотой. Чтобы испарения от кислоты не портили оболочку шара, полученный газ очищали при помощи холодной воды.

Первый воздушный шар, созданный на водороде, был запущен 27 августа 1783 года. Произошло это на Марсовом поле. На глазах двухсот тысяч человек шар поднялся так высоко, что за облаками его уже не было видно. Через 1 км водород стал расширяться, вследствие чего оболочка шара разорвалась, и аэростат упал на землю в деревеньке недалеко от Парижа. Но там ничего не знали о столь важном эксперименте, и не успели приехать изобретатели, как испуганные жители разорвали необычный шар в клочья. Так пришло в негодность великое изобретение стоимостью 10 000 франков. С 1783 года воздушные шары на водороде именуются шарльерами, в честь Шарля.

1. Основные типы воздушных шаров

Классификация летательных аппаратов по принципу наполнения купола:

• Тепловые. Как и несколько веков назад такие летающие воздушные шары с корзиной для полетов в небе называют монгольфьерами. Взлет осуществляется благодаря подаче нагретого воздуха.

• Газовые. Подъемная сила обеспечивается за счет легких газов и их смесей. Эта разновидность является разработкой француза Ж. Шарля, поэтому данные аэростаты называют шарльерами. Изобретатель впервые испытал свою разработку в 1783 г. Она работала от водорода.

• Комбинированные (смешанные). Для подъема используется как воздушная, так и газовая масса. Аппарат оснащен 2-мя оболочками. Изобрел его Розье в 1785 г. Однако он и его помощник погибли во время испытаний. Но изобретение используется и сейчас, его называют розьером. В 1999 г. Б. Джонс и Б. Пиккар отправились на нем в кругосветку, которая завершилась благополучно.

Также принято классифицировать по предназначению:

• Свободные (неуправляемые). Используются в спортивных, развлекательных, научных и рекламных целях.

• Привязные. Ими тоже нельзя управлять, но в отличие от предыдущего вида они привязаны к земле тросом. Запускаются в небо как с пассажирами, так и без них. Применяются в науке и для рекламы, а также для обзора местности и обучения парашютистов.

• Стратостат. Возможность управления отсутствует. Запускаются в стратосферу без людей для исследований. Имеют крупногабаритные размеры и надежно загерметизированную корзину.

• Дирижабли. Это название произошло от слова «dirigeable», которое в переводе на русский язык означает «управляемый». Первый запуск осуществлялся в 1852 г. Аппарат был выполнен в форме сигары, оснащался винтом и парогенератором. Он являлся очень востребованными. Сейчас используется в туристических целях, для перевозок. В него монтируются различные типы двигателей, а также газовые турбины.

Все перечисленные разновидности были изобретены много лет назад, но не теряют актуальность и сейчас.

1. Устройство шара в небе с корзиной

Он состоит из нескольких конструктивных элементов:

• купольной части, заполняющейся газом;

• горелки, создающей поток горячего воздуха;

• корзины для пассажиров, пилота и багажа

Купол

Сшивается из тканевого материала в колонки, которые в дальнейшем надежно крепятся. Используются полиамид или полиэстер. Осуществляется обработка специальной силиконовой пропиткой для обеспечения нормального проникновения и выхода газа.

Требования, которые выдвигаются к этому конструктивному элементу:

• прочность и стойкость к механическому влиянию, атмосферным явлениям;

• термостойкость, т. к. происходит контактирование с нагретой воздушной массой;

• эластичность, что позволяет задавать и сохранять необходимую форму.

Купол заполняется разогретым воздухом, водородом и прочими газообразными веществами, подающимися через отверстие, благодаря чему он отрывается от земли и поднимается на необходимую высоту. Для безопасности он обрабатывается специализированной жароустойчивой лентой. Для снижения или приземления горячий газ выводится через специальный клапан.

На внешней области фиксируются так называемые ленты нагрузки. Сверху они закрепляются с использованием кольца, а снизу — подсоединяются к подвесным канатам. Это позволяет сформировать прочный и надежный каркас.

Горелка

Обеспечивает разогрев газовой смеси, подъем и поддержание необходимого температурного режима. Это оборудование функционирует на жидком пропане. Нагреваясь, он приобретает газообразную форму и подается в купол.

Агрегаты, используемые в современных аэростатах очень мощные. Их мощность может достигать 6000 МВт. Изготавливаются из жаростойкой стали, не подверженной коррозии. Они безопасные, т. к. имеют противоожоговую защиту.

Корзина

Предназначается для размещения пилота, пассажиров и груза. Требования к этому конструктивному элементу:

• малый вес;

• высокий показатель прочности.

Для обеспечения данных параметров каркас производится из лозы, а дно из фанеры, обработанной от проникновения влаги. С куполом она соединяется при помощи надежного троса. Чтобы не допустить охлаждения воздушной массы, монтируются полиуретановые стояки. Последние два элемента закрываются защитными оболочками.

В углах размещаются и фиксируются ремнями газовые баллоны. Также присутствуют отсеки для огнетушителей и прочих атрибутов, которые могут потребоваться.

С внешней стороны стенок навешиваются мешки, наполненные песком, в качестве балласта. Если необходим набор высоты, их поочередно скидывают.

1.4 Как летает воздушный шар?

Принцип полета основывается на элементарных физических законах. Вещества, поступающие в купол, разогреваются до температуры выше той, что имеет окружающая среда. При этом они обладают более высокой плотностью. В результате под воздействием выталкивающей энергии агрегат поднимается ввысь. При достижении определенной высоты происходит уравновешивание силой тяжести, за счет чего аэростат зависает в небе.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Процесс создания воздушного шара

За основу купола воздушного шара я взяла небесный фонарик, который обычно люди запускают в небо, загадывая желания. (Приложение 1)

В качестве горелки выступает кусочек хлопчатобумажной ткани, пропитанный парафином. (Приложение 2)

Корзину для своего шара я сделала из коробки конфет «Raffaello». (Приложение 3)

Соединила я купол и корзинку с помощью джутового шпагата. (Приложение4)

Таким образом у меня получилась реальная модель воздушного шара, которая может взлететь в небо. (Видеоприложение)

Заключение

В 21-ом веке полёты на воздушном шаре так же используют в развлекательных целях. Прогулка на воздушном аппарате – любимое времяпрепровождение сотен тысяч людей по всему миру. Только в США насчитывается 7500 воздушных шаров, в России же подобных летательных аппаратов около 300.

Ежегодно проходят около 400 самых разных воздухоплавательных фестивалей. Это и Бристольская воздухоплавательная фиеста, и фестиваль воздушных шаров «Большой медведь» в Нью-Джерси, и праздники воздушных шаров в Лондоне, Альбукерке, Шамбле. Особую радость зрителям подобных мероприятий приносит феерическое представление воздушных шаров «Ночное свечение». В вечернее время пилоты поднимаются в небо и меняют положение горелок так, что воздушные шары начинают светиться. По командам координатора пилоты тушат и зажигают горелки, создавая в темном небе фантастические образы.

Также полёты на воздушном шаре используют в экскурсионных целях: для того чтобы увидеть с неба разные архитектурные сооружения или просто набраться эмоций. А в середине 19 столетия воздухоплавание стало развиваться ещё и как спорт.

Я считаю, что аэростаты – это своеобразный символ нашего времени, потому что именно эти аппараты первыми осуществили извечную мечту человека подняться в воздушное пространство.

Источники используемой литературы

https://shatilin.livejournal.com/1821369.html

https://poletomania.ru/stati/o-vozdukhoplavanii/kak-pravilno-nazyvaetsya-vozdushnyy-shar-s-korzinoy/

https://история-вещей.рф/transport/istoriya-vozdushnyih-sharov.html

Приложения

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

Приложение 4.

12