Слова "авиация" и "воздухоплавание" до 20-х гг. XX в. были синонимами. В начале прошлого века все изменилось. Воздухоплаванием стали называть перемещение с помощью аппаратов, которые легче воздуха, а авиацией — летание на самолетах. То есть, суднах, которые тяжелее воздуха. В статье мы подробно рассмотрим историю воздухоплавания, физику процесса.
Почему аэростат взлетает
Вспомним, при каких условиях тело, погруженное в жидкость, всплывает. Если его плотность меньше плотности жидкости. То же самое касается газа, в частности воздуха. Воздушный шар (аэростат) взлетит, если внутри его оболочки находится более легкий (по сравнению с воздухом) газ. Аэростат тоже «всплывает» вверх, правда ему мешает сила тяжести, действующая на оболочку.
Перечислим силы, действующие на шар. Во-первых, это сила тяжести оболочки. Во-вторых, это сила тяжести газа. Газ внутри шара тоже имеет массу, значит, на него тоже действует земное притяжение. Будем считать, что две эти силы вместе не в состоянии побороть Архимедову силу, которая действует на газ со стороны воздуха. Если это так, тогда шар может взлетать и поднимать груз.
Подъемная сила
Рассмотрим ключевые положения физики воздухоплавания. Если мы привяжем аэростат к земле, он будет тянуться вверх, натягивая канат с силой, которая называется подъемной. Чтобы ее вычислить, нужно из силы Архимеда вычесть вес газа вместе с оболочкой. Вес — это сумма силы тяжести оболочки и силы тяжести газа. Сила Архимеда равна произведению плотности воздуха на ускорение свободного падения и на объем шара.
Подъемная сила тем больше, чем легче оболочка. Она тем больше, чем больше объем шара и чем больше разница между плотностью воздуха и плотностью газа. Значит, если нужно получить максимальную подъемную силу, шар нужно наполнять самым легким газом. Это водород. Однако есть одна проблема: он очень горючий, особенно в смеси с кислородом. Поэтому чаще всего шары надувают гелием.
Воздушный шар
Аэростат — это аппарат, который наполнен легким газом. На фотографии представлен воздушный шар, который используют для изучения погоды. Это так называемый шар-зонд. Он наполнен гелием, снизу к нему подвешен радиопередатчик передающий информацию о температуре, давлении, влажности воздуха на разных высотах. Аэростаты используются в метеорологии.
Существует возможность создавать воздухоплавательные аппараты и сравнительно безопасные, и очень дешевые, и не требующие ни водорода, ни гелия. Вместо этих газов оболочку наполняют обычным воздухом, но более горячим. Такой воздушный шар изобрели французы, братья Монгольфье. Событие это было грандиозное! На рисунке представлен первый тепловой аэростат. Снизу зажигали огонь, горячий воздух наполнял оболочку, и шар взмывал вверх. На определенной высоте он переставал подниматься. Чтобы продолжить подъем, с аппарата сбрасывали балласт. Если нужно было опуститься, то уменьшали огонь.
Стратостат
На очень большой высоте плотность воздуха уменьшается. Следовательно, уменьшается и подъемная сила. Как ее можно повысить? Необходимо увеличить объем, поэтому те воздухоплавательные аппараты, которые поднимаются очень высоко, в стратосферу, имеют огромные размеры. Такие судна называются стратостатами.
Недавно один экстремал установил рекорд: он поднялся на стратостате на высоту 39 км и в свободном падении превысил скорость звука. Это Феликс Баумгартнер. На фото представлен стратостат, который он использовал. Его размеры порядка 100 м, что соизмеримо с высотой Статуи Свободы. Летательный аппарат наполнен 85 тыс. м3 гелия, внизу подвешена так называемая гондола, где находится пассажир.
Дирижабль
Рассмотрим физику воздухоплавания. Аэростат и стратостат движутся туда, куда дует ветер. Опытные воздухоплаватели знают, что на разных высотах ветер разный. Поэтому они регулируют высоту воздушного шара так, чтобы ветер дул туда, куда им надо. Если нужно плыть из пункта А в пункт Б независимо от ветра, то следует приспособить к аппарату специальный винт, как в самолете, который поможет перемещаться в нужном направлении. Такое устройство называется дирижабль. Как правило, это очень большие системы. Аппарат наполнен гелием, внизу прикреплена гондола, а под ее дном расположен воздушный винт. Тросы, которые свисают с нижней части дирижабля, нужны для того, чтобы закрепить его на земле.
Один из самых известных в мире дирижаблей построили немцы в начале 30-х гг. XX века, он назывался «Генденбург». Судьба этого аппарата в чем-то похожа на судьбу «Титаника». Он был необычайно комфортабельным судном. Его длина составляла около четверти километра. На его борту помещались примерно 100 человек. Дирижабль приводили в движение 4 двигателя.
6 мая 1937 года судно постигла авария. Его нужно было наполнять исключительно гелием, а в то время гелий можно было достать только в США. Так как это было время правления Гитлера, американцы наотрез отказались продавать газ нацистам. Дирижабль заполнили водородом. Были приняты чрезвычайные меры предосторожности, чтобы не случился пожар. Во время посадки стояла предгрозовая погода, а в воздухе было сильное электрическое поле. Дирижабль совершал рейс из Германии (г. Франкфурта) в Нью-Йорк, через Атлантический океан. Когда его сажали, возникла искра, из-за утечки водорода дирижабль загорелся. Из 97 пассажиров погибло 35, еще одного человека убило на земле.
Первые шаги воздухоплавания в нашей стране: немного истории
О воздухоплавании в России узнали во времена Екатерины II. Ее посланник во Франции сообщил об изобретении братьев Монгольфье.
Сенсацию растиражировали российские газеты, а позже в печать вышла книга, которая объясняла принцип действия воздушного шара. Ее прочел Эйлер, член Академии наук в Петербурге. Он изучил физику воздухоплавания и сконструировал первый аэростат. После единственного полета этого аппарата Екатерина II своим указом запретила воздухоплавание из-за опасности возгорания. За нарушение указа был предусмотрен штраф в 20 руб.
При Екатерине II никто указ не нарушал, но когда страной правил Александр I, воздушный шар снова полетел. Это происходило в Москве, аэростатом управлял человек по фамилии Терци. Он преподносил воздухоплавание как цирковое представление и зарабатывал на этом большие деньги.
В 1803 г. в Россию пригласили знаменитого аэронавта Гарнерена с женой. Они продемонстрировали возможности воздушного шара изумленной публике, среди которой был и император Александр I.
Использование аппарата в науке и военном деле
Гарнерен совершил не один показательный полет, прежде чем воздухоплаванием судов заинтересовались ученые. Академия наук отправила в полет одного из своих членов, Захарова, чтобы тот проводил наблюдения за атмосферой. Академик взял с собой на борт много измерительных приборов, реактивов. Из-за того, что воздушный шар был не слишком большим, чтобы набрать высоту, пришлось сбросить не только балласт, но и многие приборы, еду и даже фрак.
В 1812 г. при дворе императора были уверены, что Наполеон все-таки пойдет войной на Россию. Решили использовать воздушное судно в военных целях. Началась работа над строительством дирижабля. 150 плотников и мастеров кузнечного дела создавали гондолу, а швеи работали над созданием оболочки. Дирижабль имел руль для изменения высоты полета, а также весла для маневрирования. У гондолы был люк для сбрасывания фугасов на противника. К сожалению, воздушное судно так и не поучаствовало в бою.
