Воздушный шар, как летательный аппарат

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение -

Средняя общеобразовательная школа №2 им. И.Г.Петровского г.Севска

Индивидуальный проект

Тема: Воздушный шар, как летательный аппарат

Выполнила

ученица 10 класса

Иванисова Саверия Дмитриевна

Руководитель проекта

Ф.И.О. Мишина Галина Вячеславовна

Работа допущена к защите «_____» _______________ 2025 г.

Подпись руководителя проекта __________________ (__________________)

Севск 2025 г.

Оглавление

Введение: 3

Глава 1 История воздухоплавания 4

Глава 2 Принципы работы видов воздушного шара 5

Глава 3. Материалы и конструкция воздушного шара, системы управления и меры безопасности 12

Глава 4. Изготовление модели воздушного шара 15

Заключение: 20

Источники информации: 22

Приложение 1 23

Приложение 2 24

Введение:

От смелых экспериментов Монгольфье до современных научных исследований – история воздушного шара полна захватывающих открытий и технологических прорывов.

Этот проект посвящен изучению эволюции воздушного шара как летательного аппарата, начиная с первых неуклюжих моделей до современных, высокотехнологичных конструкций.

Я попробую проследить путь от первых шагов в воздухоплавании до его современного состояния и сконструировать самодельную модель воздушного шара.

Актуальность: по сегодняшний день модель воздушного шара не изменилась: купол воздушного шара с горелкой, корзина и мешки с песком остаются его главными частями. Простота этого устройства используется в 21 веке, поэтому изучить строение и законы, позволяющие подниматься нам в небо на этом устройстве, будет полезным и для современного человека.

Объект исследования: конструкция воздушного шара (используемые материалы, методы изготовления и особенности различных типов шаров)

Предмет исследования: технологии и материалы, используемые для изготовления оболочки

Цель проекта: Изучить характеристики и применение шаров

Задачи проекта:

• Изучение истории развития воздухоплавания (исследование истории изобретения и развития воздушного шара, анализ известных достижений и катастроф в воздухоплавании)

• Исследование принципа работы воздушного шара (изучение законов Архимеда, выталкивающей силы, действующей со стороны воздуха на шар, влияние на объём газа)

• Изготовление модели воздушного шара (концентрирование и сборка макета воздушного шара с использованием подручных материалов)

Методы исследования:

• Сбор информации о силе физического воздействия на шар

• Анкетирование учащихся средней школы на знания воздухоплавания и его истории

• Моделирование воздушного шара

Практическая значимость моего проекта заключается в том, что изготовленную модель можно будет использовать на уроках физики, для демонстрации воздухоплавания

Глава 1 История воздухоплавания

Француз Жозеф Монгольфье родился в 1740 г. Он чувствовал большую страсть к новым аппаратам, которые в то время были очень модными. Вместе с младшим братом Этьенном они часто мечтали о том, как Человек поднимется в воздух. Братья даже придумали оболочку набить тучами, которая держала бы корзину. Однако они не знали, как реализовать эту идею. Один раз Жозеф заметил, что рубашка, которую он держал над каминным огнем за воротник, раздулась, и ему на ум пришла гениальная мысль. Он рассказал о своем открытии Этьенну и братья начали думать, какой формы мог бы быть воздушный шар, который они использовали для первых своих экспериментов.
Сначала они сшили шелковую оболочку размером в один кубический метр. Нагреваемый над огнем шелковый воздушный шар поднялся на высоту 30 метров. Это произошло в ноябре 1782 г. Данную дату можно считать началом воздухоплавания. Братья работали тайком в своем саду. Однако, когда экспериментальные шары поднимались все выше и выше, они испугались, что соседи увидят их открытие и «украдут» идею. Итак, они решили публично продемонстрировать свой шар на главной площади города Аннона, который, к сожалению, сгорел при приземлении. В это же время многие вдохновившиеся люди стали пробовать изобретать шар, который сможет поднять человека, но впервые удалось это сделать Этьенну Монгольфье. Однако полет считается слишком опасным, поскольку еще не ясно, как изменения высоты влияют на организм человека. Изобретатели решают в первый полет отправить утку, петуха и овцу. После полета, который продолжался 3-8 минут, животные спустились здоровыми и живыми. Сами братья Монгольфье не летали, так как обещали отцу никогда не летать на своем шаре (он не был уверен, что открытие сыновей является полностью безопасным). Поэтому для полета были выбраны Пилатр де Розье и маркиз де Арленд. 21 ноября 1783 г. в воздух поднялись первые люди на воздушном шаре объемом 2200 м3 в Париже и спустился в Бутее за 10 км. Полет продолжался 25 минут, воздушный шар поднялся на высоту 1000 метров.

Шарль был уверен, что дымный воздух - это не лучше решение. Он считал, что гораздо больше выгоды сулит использование водорода. Стремясь доказать, что будущее воздухоплавания принадлежит шарльерам(так называли аэростаты с оболочками, наполненными водородом), а не монгольфьерам, профессор Шарль понимал, что для этого нужно осуществить полет людей на шарльере. 1 декабря 1783 года на шарльере отправились профессор Шарль и один из братьев Робер, принимавших активное участие в работах по постройке шарльеров. Пролетев 40 километров и поднявшись на небывалую для того времени высоту - 2750 метров, пробыв в заоблачной вышине около получаса, исследователи благополучно приземлились, завершив, таким образом, первый в истории воздухоплавания полет на аэростате с оболочкой, наполненной водородом.

Говоря о катастрофах, по сравнению с другими их было не так много, самые известные:

1) 15 июня 1785 год, дата первой катастрофы аэростата. Полет Пилатра де Розье и его друга – механика Ромена. Одно из имён было упомянуто ранее Пилар де Розье, ставший первым человеком полетевшим на воздушном шаре погиб от своего увлечения летательными аппаратами

2) В ночь на 4 апреля 1933 года — падение в море американского авианесущего дирижабля «Акрон». Погибли 73 человека из 76 находившихся на борту.

3) 6 мая 1937 года — катастрофа (пожар) немецкого пассажирского цеппелина «Гинденбург» на базе ВМС США Лейкхерст. Погибли 36 человек

4) 30 января 1934 года — катастрофа стратостата «Осоавиахим-1» при завершении первого в мировой истории стратосферного полёта в зимнее время. Находившиеся в гондоле стратостата командир экипажа П. Ф. Федосеенко, бортинженер А. Б. Васенко и научный сотрудник  И. Д. Усыскин погибли.

Глава 2 Принципы работы видов воздушного шара

Современный воздушный шар (тепловой аэростат) со времен братьев Монгольфье не претерпел принципиальных изменений. Изучая строение аэростатов можно сказать что все воздушные шары по внешнему облику очень похожи. Модели шаров были сделаны просто: Модель воздушного шара братьев Монгольфье состояла из: 1)Оболочки, которая шилась из полотняных клиньев и усиленой для прочности верёвочной сеткой. Диаметр оболочки составлял 11,5 м, объём — около 700 кубометров. Чтобы уменьшить газопроницаемость, внутреннюю поверхность её оклеивали бумагой. 2)Свисающие верёвки, прикрепленные к поясу, нашитому по экватору шара, помогали удерживать его при наполнении дымом. 3)В нижней части оболочки, деревянный обруч диаметром 1,5 м окаймлял отверстие, предназначенное для поступления дыма. Модель аэростата Шарля имела оболочку из лёгкой шёлковой ткани, покрытой раствором каучука в скипидаре, и была наполнена водородом. Также найденные в 1971 году документы подтверждают информацию о Лоренце Гузмао, как автора «пасароллы», которая считалась чистой фантазией. События начались в 1708 году, когда, перебравшись в Португалию, Лоренцо Гузмао поступил в университет в Коимбре и зажегся идеей постройки летательного аппарата. Проявив незаурядные способности в изучении физики и математики, он начал с того, что является основой любого начинания: с эксперимента. Им было построено несколько моделей, ставших прообразами задуманного судна. В августе 1709 года модели были продемонстрированы высшей королевской знати. Одна из демонстраций была успешной: тонкая яйцеобразная оболочка с подвешенной под ней маленькой жаровней, нагревающей воздух, оторвалась от земли почти на четыре метра. В том же году Гузмао приступил к осуществлению проекта "Пассаролы". История не располагает сведениями о ее испытании. Но в любом случае Лоренцо Гузмао был первым человеком, который, опираясь на изучение физических явлений природы, сумел выявить реальный способ воздухоплавания и попытался осуществить его на практике. Но все модели аэростатов объединяет один факт: они совершенно непригодны для решения транспортных задач - неуправляемые и не имеющие собственного двигателя, они оказались лишь «послушной игрушкой ветров», в отличии от современных аэростатов, оболочка которых шьется из специальных прочных тканей с вертикальными и горизонтальными силовыми лентами, которые создают силовой каркас и предотвращают возможные разрывы оболочки, наполненной газом пропан – бутаном и, имеющих блок управления, фал управления парашютным клапаном(то есть веревка из прочного термостойкого материала, которая используется для открытия парашютного клапана в воздушном шаре), место крепления фала управления.

Законами действующими на воздушный шар являются:

Закон всемирного тяготения, который действует на шар исключая вариант его полёта в космос, открыл Исаак Ньютон в XVII веке, но вопреки распространенному мнению, упавшее яблоко не било его по голове. Он опубликовал формулировку и формулу закона всемирного тяготения в 1687 году, однако до него о взаимном притяжении тел задумывались и другие ученые: Тихо Браге, Иоганн Кеплер, Галилео Галилей, Рене Декарт и прочие. Согласно рассказам самого Ньютона, будучи студентом, он прогуливался по саду и рассматривал луну в небе. В этот момент с яблони упало спелое яблоко и ученого озарило, что вращение Луны вокруг Земли и падение тел на земную поверхность основаны на одном и том же взаимодействии. Формулировкой являлось определение: сила притяжения между двумя физическими телами равна произведению их масс, умноженному на гравитационную постоянную и делённому на квадрат расстояния между центрами масс этих тел. Лишь спустя более века, в 1797 году, британский ученый Генри Кавендиш вычислил упомянутую в законе гравитационную постоянную (6,67×10^-11 H×м²/кг²).

Сила гравитации действует на все тела во Вселенной, единственное условие – эти тела должны обладать ненулевой массой. Она действует на все материальные объекты, начиная от частиц атомов и заканчивая звездами и планетами, но в большинстве случаев заметить такое притяжение практически невозможно. Например, согласно закону всемирного тяготения влюбленного парня тянет к девушке не образно, а вполне реально. Физически ощутить силу гравитации в данной ситуации не получится, но можно ее вычислить по формуле: F = G × (M1 × M2) / R^2, где: G— гравитационная постоянная (6,67×10^-11 H×м²/кг²) M1 и M2— массы в килограммах первого и второго тел соответственно R— расстояние в метрах между центрами масс или самими телами, если их можно принять за материальные точки Вспоминая об упомянутых уже влюбленных, вычислим их силу взаимного тяготения с точки зрения физики. Допустим, что вес миниатюрной девушки около 50 килограммов, а ее кавалера – 85 кг. И в нашей задаче они танцуют на «пионерском» расстоянии в 25 сантиметров. F=6,67×10^-11×50×85/0,25^2=6,67×10^-11×4250/0,0625=667×10^-13×68×10^3=45356×10^-10H=45×10^-7H Для сравнения: обычный магнит размерами 5×7см притягивается к холодильнику с силой около 45 Н, то есть в 10 миллионов раз сильнее.

Также на шар действуют законы воздухоплавания и сила Архимеда. В общем на тела, помещенные в жидкость и газ оказывается давление. Давление жидкости и газа на одной высоте одинаково во всех направлениях. С изменением высоты происходит изменение давления. По этой причине возникает выталкивающая сила, которую называют архимедовой силой. Узнаем чему равна архимедова сила в жидкости и газе. Древнегреческий математик, инженер и физик Архимед (287-212 г.г. до н.э.) не только обнаружил это явление, но смог найти ему объяснение и вывел формулу для расчета выталкивающей силы. Помимо такого гигантского прорыва, как открытие собственно закона Архимеда, ученый имеет еще целый список заслуг и достижений. Вообще, он был гением, трудившимся в областях механики, астрономии, математики. Им написаны такие труды, как трактат «о плавающих телах», «о шаре и цилиндре», «о спиралях», «о коноидах и сфероидах» и даже «о песчинках». В последнем труде была предпринята попытка измерить количество песчинок, необходимых для того, чтобы заполнить Вселенную. Изобретатель, инженер и ученый-теоретик из Сиракуз (греческая колония на Сицилии) Архимед служил у царя Гиерона второго. Однажды ювелиры изготовили для царя золотую корону. Царь, как человек подозрительный, вызвал ученого к себе и поручил узнать, не содержит ли корона примесей серебра. Тут нужно сказать, что в то далекое время никто не решал подобных вопросов и случай был беспрецедентным. Архимед долго размышлял, ничего не придумал и однажды решил сходить в баню. Там, садясь в тазик с водой, ученый и нашел решение вопроса. Архимед обратил внимание на совершенно очевидную вещь: тело, погружаясь в воду, вытесняет объем воды, равный собственному объему тела. Именно тогда, даже не потрудившийся одеться, Архимед выскочил из бани и кричал свое знаменитое «эврика», что означает «нашел». Явившись к царю, Архимед попросил выдать ему слитки серебра и золота, равные по массе короне. Измеряя и сравнивая объем воды, вытесняемой короной и слитками, Архимед обнаружил, что корона изготовлена не из чистого золота, а имеет примеси серебра. Это и есть история открытия закона Архимеда. Тяжелый предмет, который мы с огромным трудом отрываем от земли, удается довольно легко поднять, когда он находится в воде. Если взять пустую пластиковую бутылку с закрытой пробкой, погрузить ее полностью в воду и отпустить, то бутылка всплывет. Объясняется это тем, что зависимость давления в жидкости или газе от глубины(высоты), приводит к появлению выталкивающей силы, действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ. В частном случае с воздухом— это выталкивающая сила, действующая на все тела в воздухе. Она равна весу воздуха в объёме погружённой части тела. Однако поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается, ничтожно мала.

Исключением является воздушный шарик, наполненный гелием или водородом, который стремится вверх, потому что плотность этих газов ниже, чем плотность воздуха. Гелий это очень интересный газ. Сначала он был обнаружен на солнце и лишь потом на земле. Ключевую роль в истории открытия гелия сыграл Норман Локьер. Локьеру самому удалось сделать ряд важных открытий — в частности, он первым показал, что солнечные пятна холоднее остальной солнечной поверхности, а также первый указал на наличие у Солнца внешней оболочки, назвав ее хромосферой. В 1868 году, исследуя свет, излучаемый атомами в протуберанцах(структурах, возникающих в короне солнца) — огромных выбросах плазмы с поверхности Солнца, — Локьер заметил ряд прежде неизвестных спектральных линий. Попытки получить такие же линии в лабораторных условиях окончились неудачей, из чего Локьер сделал вывод, что он обнаружил новый химический элемент. Локьер назвал его гелием, от греческого «helios» — «Солнце». См рис. Жёлтая линия гелия на Солнце обозначается как D3 или d He и имеет длину волны 5875,618 Å. В конце 1890-х годов лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзай провели серию опытов. Рамзай переделал свою установку, чтобы с ее помощью исследовать газы, выделяемые урансодержащими минералами. В спектре этих газов Рамзай обнаружил неизвестные линии и послал образцы нескольким коллегам для анализа. Получив образец, Локьер сразу же узнал линии, которые более четверти века назад он наблюдал в солнечном свете. Загадка гелия была решена: газ, несомненно, находится на Солнце, но он существует также и здесь, на Земле. Открытие водорода произошло на основе опыта. Многие исследователи проводили опыты с кислотами. Было замечено, что при действии кислот на некоторые металлы выделяются пузырьки газа. Полученный газ легко воспламенялся, и его назвали «горючим воздухом». Подробно свойства этого газа были изучены английским ученым Г. Кавендишем в 1766 г. Он помещал металлы в растворы серной и соляной кислот и во всех случаях получал одно и то же легкое газообразное вещество, которое позже назвали водородом. Если же наполнить шар обычным воздухом, он упадёт на землю: плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика. А если нагреть воздух в шаре, то горячий воздух будет легче холодного, потому что скорость движения молекул нагретого воздуха больше. У них больше энергии, они быстро разлетаются, следовательно, находятся дальше друг от друга.

Воздушный шар является примером плавучести и плавучей силы. Он работает согласно закону воздухоплавания. Можно вспомнить принцип Архимеда о плавучести и выталкивающей силе. Если вспомнить законы Ньютона, можно сделать вывод, что для тела, движущегося с переменной скоростью (ускорением), такого как воздушный шар, надо установить уравнение движения: есть силы, которые тянут этот шар вниз. Этими силами являются вес людей на борту и оборудования (двигателя и топливных баков). Это в дополнение к весу воздушного шара. Однако воздушный шар движется вверх. Таким образом, должны существовать силы, которые толкают воздушный шар вверх. Чтобы воздушный шар взлетел, необходимо соблюсти условие: выталкивающая сила — сила Архимеда Fa— должна быть больше суммарной силы тяжести Fт корзины с грузом, оболочки шара и наполняющего шар газа FаFт. По мере подъёма сила Архимеда, равная Fa=pвgH, уменьшается, потому что плотность окружающего воздуха уменьшается с высотой.

Виды воздушных шаров:

1) Аэростаты делятся на 3 вида:

1. Воздушный шар — самый простой и первый тип аэростата. Это неуправляемый летательный аппарат, который поднимается и спускается в зависимости от температуры воздуха в куполе или количества подъемного газа. Воздушные шары часто используются для рекреационных полетов и научных исследований.

2. Дирижабль — управляемый аэростат, оснащенный двигателями и системой управления. Дирижабли могут контролировать свое движение по горизонтали и вертикали, что делает их более универсальными по сравнению с воздушными шарами.

3. Привязные аэростаты — это воздушные шары, которые закреплены на земле канатом или тросом. Такие аэростаты часто применяются для наблюдения, связи или рекламных целей.

Одним из ключевых преимуществ аэростатов является их экономическая и экологическая эффективность. Поскольку они не нуждаются в постоянном использовании топлива для поддержания высоты, аэростаты значительно дешевле в эксплуатации, чем самолеты или вертолеты. Это делает их идеальными для задач, которые требуют длительного нахождения в воздухе без значительных затрат. Кроме того, аэростаты наносят минимальный вред окружающей среде. Они практически не выбрасывают вредных веществ в атмосферу, что особенно важно в условиях усиливающихся экологических требований и перехода к более чистым технологиям. Но также у них есть и недостатки. Основным недостатком воздушного шара является отсутствие элементов непосредственного управления направлением движения шара вдоль земной поверхности — шар летит в том направлении, куда его направят воздушные потоки. Однако изменять направление можно, изменяя высоту полёта воздушного шара, так как на разных высотах могут дуть ветры в разных направлениях.

Аэростаты, несмотря на то, что были изобретены несколько столетий назад, остаются актуальными и в современном мире. Внедрение новых технологий позволяет улучшать их конструкцию, увеличивать грузоподъемность, дальность полетов и управляемость. Сегодня аэростаты — это не просто средство развлечения или научных исследований, но и перспективный транспорт для коммерческих задач.

Аэростаты находят широкое применение в самых разных сферах:

1. Научные исследования. Воздушные шары и дирижабли часто используются для метеорологических и климатических исследований. Они позволяют собирать данные на больших высотах, где самолеты или другие летательные аппараты не могут работать.

2. Военное и оборонное применение. Аэростаты используются для наблюдения, разведки и связи. Привязные аэростаты позволяют вести наблюдение за большими территориями, оставаясь на месте на высоте.

3. Коммерческие перевозки и логистика. Новые поколения аэростатов, такие как дирижабли, могут использоваться для грузоперевозок на дальние расстояния с меньшими затратами на топливо по сравнению с самолетами.

4. Туризм. Воздушные шары часто используются для развлекательных полетов и туристических экскурсий. Это уникальный способ увидеть мир с высоты птичьего полета.

5. Реклама и связи. Привязные аэростаты могут служить платформами для рекламы или временных систем связи в отдаленных районах.

2) Стратостат (стратосферный аэростат) — свободный аэростат, предназначенный для полётов в стратосферу, то есть на высоту более 11 км. Стратостаты, предназначенные для подъёма только до нижних слоёв стратосферы, называются субстратостатами.

Хотя стратостат, по сути, является аэростатом, его устройство имеет ряд существенных отличий от других воздушных шаров в силу других условий полёта.  Плотность воздуха в нижних слоях стратосферы на порядок меньше, а на высотах около 30 км на 2 порядка меньше, чем на уровне моря, поэтому для создания достаточной аэростатической подъёмной силы объём баллона должен быть достаточно большим и, как правило, превышает 14 000 м³, а объём самого крупного баллона составлял 850 000 м³. Вследствие сильного расширения газа с высотой на старте баллон имеет сильно вытянутую грушевидную форму, которая приближается к шарообразной вблизи верхней точки полёта (то есть на старте имеют очень низкую степень наполнения). Как правило, баллон стратостата наполняется гелием, в довоенное время в ряде полётов применялся водород, который намного дешевле и обладает большей подъёмной силой, но в смеси с воздухом крайне взрывоопасен. Небольшая удельная подъёмная сила газа на значительной высоте (вследствие низкой плотности воздуха) повышает требования к весу оболочки баллона. Обычно её делают из очень тонкого и прочного пластика. В большинстве случаев баллон оборудуется клапаном для стравливания газа, который используется для обеспечения снижения стратостата, а также для уменьшения скорости подъёма во время взлёта. Гондола стратостата должна надёжно защищать экипаж от смертельных для человека условий стратосферы — низкого давления воздуха и низкой (до −70 °C) температуры. Оболочка гондолы должна выдерживать значительное внутреннее давление, она изготавливается из лёгких металлов, таких как алюминий.

Первый в мире стратостат был сконструирован и построен швейцарским учёным Огюстом Пикаром, который планировал использовать его для исследования космических лучей. Стратостат был оборудован сферической герметичной гондолой из алюминия, которая защищала экипаж от непригодных для жизни условий стратосферы. Проектирование и создание гондолы было осуществлено в 1930 году при поддержке бельгийской организации Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS), в честь которой она была названа FNRS-1.

27 мая 1931 года Огюст Пикар и Пауль Кипфер совершили первый в истории полёт в стратосферу из города Аугсбург, Германия, достигнув высоты 15785 м. Через некоторое время после старта выяснилось, что гондола негерметична, но Пикару быстро удалось заделать щель. В ходе дальнейшего подъёма отказал механизм управления клапаном баллона, и стратостат потерял управление. В завершение выяснилось, что неисправна система терморегуляции гондолы, из-за нагрева солнцем температура поднялась до 40 °C при температуре воздуха снаружи стратостата −50 °C. Несмотря на все неприятности, ночью, когда баллон остыл, стратонавтам удалось благополучно приземлиться в тирольских Альпах. 18 августа 1932 года Пикар совершил второй рекордный полёт, в целом более удачный, вместе с бельгийским учёным Максом Козинсом. Стратостат стартовал из Цюриха и достиг высоты 16,2 км. Во время полётов Пикар собрал важные данные о верхних слоях атмосферы и о космических лучах.

3) Цеппелины, как тогда назывались дирижабли (по имени немецкого изобретателя и конструктора графа Фердинанда фон Цеппелина), широко использовались для перевозки пассажиров и грузов на дальние расстояния вплоть до катастрофы наиболее внушительного из них – "Гинденбурга".

Первый дирижабль Цеппелина представлял собой воздушную гондолу, состоящую из обыкновенных сферических аэростатов, соединенных друг с другом так, как соединяются вагоны поезда, что вызвало целую бурю насмешек и карикатур в немецких газетах. Потерпев неудачу, Цеппелин принимает решение усовершенствовать свою первую модель. Получив серьезную поддержку, в 1905 году 67-летнему графу удалось начать строительство второго дирижабля с жестким корпусом LZ-2. Цеппелин завершил работу над новой конструкцией дирижабля осенью этого же года, непрерывно работая днем и ночью, внося важные изменения в первоначальную конструкцию, укрепляя и в то же время облегчая его конструкцию, значительно повышая эффективность рулевого аппарата.

LZ-2 совершил свой единственный полет 17 января 1906 года. На высоте 427 метров дирижабль столкнулся с сильным ветром, двигатели отказали, и экипажу пришлось совершить экстренную посадку недалеко от города Кисслегга

Эта авария вызвала бурю газетных публикаций во всем мире, но все же она произошла не из-за структурного дефекта или неудачной конструкции дирижабля. Впоследствии Цеппелин объяснял, что он мог бы пережить шторм в воздухе, если бы его двигатели работали. Но как бы то ни было, на этот раз LZ-2 все же имел успех, и правительство решило выделить Цеппелину полмиллиона марок за дальнейшее продолжение его работы.

Построенный новый дирижабль был точно таким же, как тот, который был разрушен в горах Альгау, за исключением стабилизаторов на корме, представляющих собой бипланное горизонтальное оперение с тремя рулями направления с каждого борта, призванные обеспечивать необходимый контроль по тангажу и устойчивость. И он стал первым по-настоящему практичным дирижаблем, построенным графом.

Мало того, LZ-3 также продемонстрировал определенные улучшения в дальности полета и полезной нагрузке, в результате чего были достигнуты более продолжительные, а главное – надежные полеты, в том числе блестящий полет в 1907 году продолжительностью в восемь часов на расстояние более 350 километров!

Позже LZ-3 был куплен немецкой армией и эксплуатировался вплоть до в 1913 года. Но прежде чем быть купленным армией, этот дирижабль совершил множество полетов и перевез ряд известных и влиятельных пассажиров, в том числе наследного принца Германии.

Кроме этих дирижаблей было ещё 6 успешных вариантов конструкции Цеппелин, которые в дальнейшем использовались в нескольких войнах.

Глава 3. Материалы и конструкция воздушного шара, системы управления и меры безопасности

Одним из ключевых аспектов при изготовлении аэростатов и дирижаблей является выбор подходящих материалов. Для оболочек аэростатов часто используют полиэфирные ткани, пропитанные полиуретаном или силиконом для обеспечения водонепроницаемости и прочности. Для каркасов дирижаблей применяют алюминиевые сплавы, которые сочетают в себе легкость и прочность.

Первый этап в процессе создания аэростатов — это изготовление оболочки. Для этого мастера делают выкройки из ткани по заданным размерам и сшивают отдельные части специальными швами.

Для дирижаблей особое внимание уделяется созданию каркаса, который обеспечивает форму и жесткость конструкции. Каркас может быть выполнен из алюминиевых труб или другого легкого материала. Сборка каркаса происходит в специализированных мастерских, где специалисты в совершенстве владеют техникой склеивания или сварки.

После изготовления оболочки и каркаса, аэростат или дирижабль проходит серию испытаний на прочность, герметичность и управляемость. Изготовление этих воздушных аппаратов — сложный процесс, требующий высокой квалификации специалистов и специализированных материалов. Благодаря этим усилиям мы можем наслаждаться полетами на этих удивительных воздушных аппаратах, открывая для себя новые горизонты.

Горелка - 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.

Для того чтобы заправить дирижабль или аэростат гелием, необходимы специальные баллоны, которые содержат высокочистый гелий под давлением. Эти баллоны должны соответствовать всем стандартам безопасности, так как гелий, как и любой другой газ, может быть опасен при неправильном обращении. Поэтому важно, чтобы процесс заправки проводился специалистами с соответствующей квалификацией и опытом.

Кроме того, баллоны с газом должны храниться в специально оборудованных помещениях, защищенных от возможных повреждений и воздействия внешних факторов, таких как высокая температура или пожар. Для предотвращения утечек и аварий необходимо строго соблюдать все правила техники безопасности при работе с гелием.

Аэростаты или воздушные шары, представляют собой уникальный вид воздушного транспорта, который требует особого внимания к условиям эксплуатации для обеспечения безопасности полетов. Рассмотрим несколько ключевых аспектов, которые необходимо учитывать при использовании аэростатов.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на безопасность полетов аэростатов, является ветровая нагрузка. Воздушные шары подвержены воздействию ветра, который может изменяться как по направлению, так и по скорости. Поэтому перед вылетом необходимо тщательно оценить погодные условия и учитывать прогноз ветра. Пилоты аэростатов должны иметь достаточный опыт и знания для принятия решений о безопасности полета в зависимости от ветровых условий.

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.

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:

1)Прикрепляют горелку к гондоле и соединяют ее с газовыми баллонами посредством шлангов.

2)Проводят пробное включение горелки.

3)Растягивают купол в направлении ветра и пристегивают его к гондоле карабинами.

4)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.

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. 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.

Глава 4. Изготовление модели воздушного шара

Т ак как мы ранее изучили уже устройство воздушного шара, я считаю, что можно начать делать модель.

1. Самое главное правильно выбрать материалы и размер, так как при недостаточном объеме или при сильной тяжести он не полетит.

Я выбрала такие материалы как рисовую бумагу, тонкую проволоку и бамбуковое кольцо в качестве каркаса, на место горелки я взяла кусочек парафина.

2. Далее мы формируем сам воздушный шар:

Берем 4 листа (заранее вырезанных в форме лепестков) и склеиваем по краям.

И з проволоки делаем 2 накрест лежащие диагонали на бамбуковом кольце и в середине оставляем небольшую петельку, на которую в дальнейшем будем крепить парафин. И соединяем эти 2 детали вместе.

3. Крепим парафин на заранее подготовленную петлю на стыке диагоналей.

Наш макет готов!

В первый раз я взяла слишком маленький размер шара и он не смог взлететь, во второй раз я учла нужный объем и сделала его в 2 раза больше.

В результате чего шар совершил самостоятельный полёт.

П одъемная сила шара очень мала, примерно 0,5-1 ньютон, не учитывая вес самой модели.

Я провела анкету «Мои знания о воздушных шарах» среди респондентов разного возраста, а точнее взрослых (30+ лет) и детей (7-10 лет). Исходя из положительных результатов, можно сказать:

1 вопрос «Нравится ли тебе наблюдать за воздушными шарами?»

2 вопрос «Знаешь ли ты, за счет чего летают воздушные шары?»

3 вопрос «Хотел(а) бы ты полетать на воздушном шаре?»

4 вопрос «Знаешь ли ты о различных видах воздушных шаров?»

5 вопрос «Как думаешь, важно ли соблюдать меры безопасности при полёте на шаре?»

6 вопрос «Нужно ли изучать историю воздухоплавания?»

7 вопрос «Возможно ли, что полёт воздушного шара оказывает экологическое влияние?»

8 вопрос «По твоему мнению, важны ли инновации в сфере воздухоплавания?»

Вывод:

1) По 1 вопросу можно сделать следующий вывод: явление полёта как у детей, так и у взрослых людей вызывают положительные эмоции, потому ответы 100% "да".

2) По второму вопросу можно сделать вывод, что большинство детей и взрослых понимают физические законы, благодаря которым совершаются полеты воздушных шаров. Хотя 10% детей и 8% взрослых не могут ответить, почему это происходит.

3) По третьему вопросу можно сделать вывод, что большинство детей хотели бы полетать на воздушном шаре, в отличие от взрослых. Хотя 38% взрослых всё же хотели бы полетать на воздушном шаре.

4) По четвертому вопросу можно сделать вывод, что большинство взрослых и детей знают о различных видах воздушных шаров.

5) Безусловно, при ответе на пятый вопрос все респонденты, уверены, что правила безопасности необходимо соблюдать, даже допуская воздушный шар в воздух. Потому 100% утвердительных ответов среди взрослых и детей.

6) По шестому вопросу дети и взрослые согласны с тем, что нужно изучать историю различных физических явлений. Для детей получение новых знаний приоритетная деятельность - 100% утвердительных ответов. А вот только 30% взрослых считают, что это нужно так как их деятельность, скорее всего не связана с изучением чего-то нового

7) По седьмому вопросу можно сделать вывод, что большинство детей и взрослых считают, что воздушный шар оказывает экологическое влияние. Хотя 30% детей и 10% взрослых не согласны с этим высказыванием.

8) Безусловно, при ответе на восьмой вопрос все респонденты, уверены, что инновации важны в сфере воздухоплавания. Потому 100% утвердительных ответов среди взрослых и детей.

Общий вывод: Анкетирование показала высокий уровень интереса к теме полётов воздушных шаров среди респондентов всех возрастов. Большинство опрошенных выразили заинтересованность в изучении как самих принципов полёта так и связанных с ним аспектов безопасности и экологического воздействия. Результаты свидетельствуют о потребности в дополнительной информации о законах, по которым происходит этот полёт, о правилах безопасного поведения при полётах воздушных шаров и летательных аппаратов и о мерах по минимизации негативного влияния этой деятельности на окружающую среду. Полученные данные подтверждают актуальность и востребованность образовательных программ и инициатив, направленных на популяризацию знаний о воздухоплавании, и безопасности и экологической ответственности. Поэтому данный проект будет интересен и полезен для всех категорий людей .

Заключение:

В ходе выполнения проекта, посвященного воздушному шару как летательному аппарату, я достигла поставленных целей и получили исчерпывающую информацию о принципах его функционирования и истории развития. Изучение теоретических основ, включающее закон Архимеда и условия воздухоплавания, позволило мне понять физические процессы, обеспечивающие подъем и управление воздушным шаром. Анализ различных конструктивных особенностей, от материалов оболочки до систем управления (в случае управляемых аэростатов), продемонстрировал сложность даже этого, на первый взгляд, простого летательного аппарата. Я проследила эволюцию воздушных шаров от первых неуклюжих опытов до современных технологий, используемых в научных исследованиях, метеорологии и туризме. Особое внимание было уделено различным типам воздушных шаров с акцентом на их специфических свойствах и областях применения. Экспериментальная часть проекта, включавшая создание и запуск модели воздушного шара, подтвердила теоретические выкладки о зависимости высоты подъема от температуры нагретого воздуха (чем выше температура воздуха внутри шара, тем на большую высоту от поднимается). В итоге, данный проект не только расширил мои знания о воздушных шарах, но и позволил оценить их значительный вклад в историю авиации и науку. Несмотря на то, что воздушные шары уступили место более совершенным летательным аппаратам в сфере массовых перевозок, они продолжают оставаться ценным инструментом в различных областях, представляя собой увлекательный пример применения фундаментальных физических законов в практических целях.

Источники информации:

Изображения:

https://images.app.goo.gl/8y7RUcZ3V3Q3EP3o8

https://images.app.goo.gl/dmNX4hqUwgohBx8u6

https://images.app.goo.gl/9rvtuNpQ4vGL3q6M9

https://images.app.goo.gl/dc2UvaDvz4NfocPs5

https://images.app.goo.gl/etYUimRmRmCBA1Rq9

https://images.app.goo.gl/DXvWqiYwg5EwkqiK7

https://images.app.goo.gl/U8RF3VT523nVMYYz9

https://images.app.goo.gl/meY94NPQRkmjXX2p9

Статьи из интернета:

https://ballooning.lt/ru/istoriya-vozdushnykh-sharov/

Дружинин Ю. О., Соболев Д. А. Полёты в стратосферу в СССР в 1930-е гг.

http://astronaut.ru/strato/start.htm

https://topwar.ru/236095-cepellin-i-cepelliny.html

https://elementy.ru/trefil/23/Zakon_vsemirnogo_tyagoteniya_Nyutona

https://solohaulpark.ru/blog/kak-letat-vozdushniy-shar

https://poletomania.ru/stati/o-vozdukhoplavanii/kak-upravlyayut-vozdushnym-sharom/

https://www.kp.ru/edu/shkola/zakon-vsemirnogo-tyagoteniya/

https://elementy.ru/trefil/23/Zakon_vsemirnogo_tyagoteniya_Nyutona

https://lc.rt.ru/classbook/fizika-7-klass/davlenie-tverdyh-tel-zhidkostei-i-gazov/5581

Приложение 1

Анкета

«Мои знания о воздушных шарах»

Опрос проводится в целях выявления уровня знаний респондентов разного возраста о воздушных шарах.

Часть 1.

Укажите ваш возраст _____, пол _____.

Часть 2.

Укажите летательные аппараты, которые вы знаете

____________________________________________

Напишите ответы да/нет в отведённых колонках, постарайтесь отвечать максимально честно.

Вопрос	Ответ
Нравится ли тебе наблюдать за воздушными шарами?
Знаешь ли ты, за счет чего летают воздушные шары?
Хотел(а) бы ты полетать на воздушном шаре?
Знаешь ли ты о различных видах воздушных шаров?
Как ты думаешь, важно ли соблюдать меры безопасности при полёте на шаре?
Считаешь ли ты, что нужно изучать историю воздухоплавания?
Возможно ли, что полет воздушного шара оказывает экологическое влияние?
По твоему мнению, важны ли инновации в сфере воздухоплавания?

Спасибо за ответы! Ваше мнение нам очень важно!

Приложение 2

Слайд 1: Слайд 2:

Слайд 3:

Слайд 4:

Слайд 5: Слайд 6:

Слайд 7: