Я улетаю на большом воздушном шаре.

Научное общество учащихся







Реферативно-исследовательская работа

по физике













Тема:                                  Я улетаю 

                     на большом воздушном шаре.









Выполнила 

ИРООИОи 9 класса.

Научный руководитель

Спирина В. М. , 

учитель физики

 высшей категории.





























МОУ Есаульская СОШ

Сосновский район Челябинской области





2007







Содержание:



Вступление.



Теоретическое обоснование темы:



Воздухоплавание;



История воздухоплавания. Применение воздушных шаров.



Основные понятия динамики;



Гидроаэростатика и её основные понятия;







 Практическая часть.



Как закрепить воздушные шары?



Заключение.



  Приложения.



Литература.

















































Необходимым атрибутом современного интерьера праздничных мероприятий является использование воздушных шаров. Разные- разные, голубые, красные, жёлтые, зелёные воздушные шары украшают  и радуют глаз покупателей, наблюдателей, организаторов и участников акций, спектаклей, выставок. 

Любовь к воздушным шарам выражена в детском стихотворении как самое яркое впечатление прошедшего дня:

«Мы гуляли по Неглинной,

                                   Заходили на бульвар,

Нам купили синий- синий,

                                 презелёный красный шар!»

Видимо, столько было шаров перед глазами, что они разбежались по их окраске!



В дни празднования 270- лет основания города Челябинска продавалось и        применялось очень много «летающих» воздушных шаров. Мы с родителями во время праздника были в Мегаполисе. Я заметила, что некоторые «наиболее сообразительные» юноши с помощью небольшого грузика «подвешивали» шары к потолку Мегаполиса.

 

 Я задумалась, зачем они это делают? Потолок Мегаполиса арочный.



Грузик, какой массы (М) годится для этой цели?



  Решение этой задачи является основой практической части моей работы. 





Цели работы:

             

Теоретическое изучение вопросов применения воздушных шаров;

Динамический анализ проблемы;

Решение поставленной задачи;





      Методы:



Сбор и классификация информации;

Теоретическое исследование поставленной задачи;

Модельный эксперимент.

Компьютерная обработка результатов.



































Воздухоплавание – это движение в атмосфере  таких тел, вес которых меньше веса воздуха, занимающего их объём.

 Примерами воздухоплавания является движение облаков, туч, воздушных шаров и их разновидностей- аэростатов и дирижаблей.



История воздухоплавания насчитывает не одно столетие.

Париж. Конец 18 века. Происходит наполнение оболочка шара водородом. В отверстие бочки насыпали железные опилки, потом залили серную кислоту. Образующийся при этом водород поступал чрез другое отверстие в оболочку шара.

В 1783 году братья Жозеф и Этьен Монгольфье построили и подняли в воздух первый воздушный шар- аэростат. Он представлял собой баллон из шёлкового  полотна, подбитого бумагой. Шар наполнили газом, и он поднялся на высоту 2000м. В воздушный полёт на шар братьев Монгольфье отправились «пассажиры» - баран, утка и петух - первые живые существа, поднявшиеся в воздух на летательном аппарате. Шар пробыл в воздухе 8 минут, достигнув высоты 500 метров, а затем благополучно опустился на землю.

Интересен факт, что самый первый аэростат был построен в России в 1731 году рязанским подьячим Крякутным. На своем шаре он поднялся гораздо выше колокольни. Толпа сочла это  «дружеством с нечистой силой». «Закопать его в землю!»- таков был приговор невежественной толпы.

Сначала аэростаты служили лишь в целях развлечения: с них запускали ракеты для иллюминации, спускали на парашютах животных и птиц. Занятные полёты собирали толпы любопытных. 

  Да и сейчас не прекратились попытки развлечь зрителей при помощи таких полётов. В  фильме «Заяц над пропастью» Тиграна Кеосаяна, который мы посмотрели 1 января 2007 года, сюжет закручен на полёте Леонида Ильича Брежнева на огромном воздушном шаре, который молдаване перепутали с маленькими любимыми Брежневым шариками, и его приземлении в цыганском таборе. Ему хотели показать маленькую Молдавию из корзины шара, где было и шампанское, и апельсины, а он взял и скрылся от свиты, улетев на нём сам, а шампанское пригодилось для организованной им свадьбы.



Позже  аэростаты стали использовать для научных целей. 

1887 год. Произошёл  запуск аэростата  «Русский», с которого на высоте 3350м Д. И. Менделеев наблюдал солнечное затмение.

1897 год. Аэростат «Орёл» со шведским воздухоплавателем Андерсоном стартовал к Северному полюсу. Правда, неудачно,  т. к. аэростат обледенел и упал о льдах.          

Аэростаты широко применялись и в военных целях. Известны такие факты:

1794 год. Разведка позиций противника производилась с привязанного аэростата (Франция).

. Во время русско-японской  войны (1904-1905) применялся знаменитый  аэростат «Ястреб». 

1919 год. Применялись аэростаты, привязанные к бронепоезду в совместных   боевых действиях на фронтах гражданской войны.

Особенно эффективно использовались аэростаты – заграждения на высоте 2000-3000м в Москве и Ленинграде в годы Великой Отечественной войны. 

Самая популярная область применения аэростатов в настоящее время- спорт, соревнования на продолжительность, дальность и высоту полёта. С аэростатов стартуют дельтапланеристы.

С момента изобретения аэростата многие смельчаки пытались пересечь с его помощью атлантический океан. Впервые это удалось лишь в 1978 году Б. Абруцци, М Андерсону и Л. Ньюкомену. Высота полёта составляла 4000м. Нужно было надеть кислородную маску и тёплую одежду. 

Жак И Кусто - океанограф, кинематографист, исследователь - считал, что «шар - замечательное изобретение для съёмок: он бесшумен и не пугает животных». Исследовательское судно «Каллисто» проводило экспедицию в Антарктиде совместно с воздушным шаром

В эпоху орбитальных станций и геофизических ракет аэростаты - экономичное средство  для исследования атмосферы.  Шар – радиозонд поднимается на высоту 3- 3,5 тысяч метров и сообщает данные о температуре, давлении, влажности воздуха  различных слоях атмосферы. 
Стратостат – это аэростат, предназначенный для полётов в стратосферу, т. е. на высоту  более 10 км. Назначение полётов - исследование Солнца, интенсивности космического излучения, атмосферного электричества и др. Стратостат представляет собой огромный воздушный шар объёмом 20- 30 тыс. куб. метров. Стратостат « СССР-1» достиг высоты 19км.  1934 году стратонавты Федосеенко, Власенко и Усыскин на стратостате «Осоавиахим» поднялись на высоту 22 тыс. метров. Спуск был неудачен, герои погибли.

Итак, привычная игрушка - воздушный шарик -  возникла не как детская забава, а как официальный атрибут торжеств, великосветских приёмов и шествий.  Именно так сказано в патенте на изобретение в 1856 году в Англии. 

Но применение аэростатов очень обширно. Это - летательные аппараты. В 1887 году К. Э. Циоковский предложил проект  управляемого аэростата- дирижабля. Первые полёты  на дирижабле совершил Сантос - Дюмон (Франция, 1899г.) и Ф. Цеппелин (Германия, 1900г.). «Уверен, знаю, что советские дирижабли будут лучшими в мире» (К. Э Циолковский). Однако его ракетам повезло больше.  Аэростаты обладают целым рядом достоинств, но полностью зависят от капризов погоды.



№

Достоинства аэростатов

1

Огромная грузоподъёмность

2

Способность перевозить крупногабаритные грузы.

3

Длительность полёта.

4

Посадка в любом месте

5

Бесшумность.

6

Минимальное загрязнение окружающей среды



Сравнение с  самолётами

1

Не нужно топлива

2

Не нужны дорогостоящие аэродромы

3

Нет громкого «рёва».

4

Нет загрязнения воздуха и почвы.



Частые катастрофы подорвали репутацию дирижаблей, но в настоящее время учены, убеждены, что создание воздушных гигантов начала 20 века не было подкреплено развитием науки и техники. Поэтому история создал условия для самолётов и ракет.

Достижения современной техники позволили создать прочные тонкие морозостойкие и очень тонкие материалы для оболочек: 1 куб. метр такой ткани имеет мессу 30 – 50 грамм

Новое навигационное оборудование, иное конструктивное решение узлов дали возможность построить летательные аппараты легче воздуха нового поколения. Это – гибридные аппараты: вертостат, самолёто-дирижабль. Определен и сфера их деятельности: перевозка  турбин ГЭС, Опор ЛЭП, буровых вышек, строительных блоков, агрегатов химических и металлургических заводов, ступеней космических кораблей.  Посчитано, что строительство одной линии ЛЭП- 500 на 2000км с помощью дирижаблей сэкономит 500 млрд. рублей. 



Для понимания судьбы полёт воздушного шара необходимо знать динамику и её основные понятия. Динамика- раздел механики, в котором изучается взаимодействия тел и причины появления у них ускорений. С динамикой тесно связан статика, изучающая равновесие  тел и сооружений, а также гидроаэростатика. 

Основными понятиями динамики являются сила, масса и ускорение.

Силой называют действие одного тела на другое, в результате которого тело получает ускорение или деформируется. Сила обозначается буквой F, в системе СИ измеряется в Ньютонах (1 Н). 1Ньютон - это сила, которая телу массой 1кг сообщает ускорение 1 м\с2  .

Все силы, существующие в природе, делятся на 4 категории: гравитационные, электромагнитные, ядерные и электрослабые. 

К гравитационным относятся сила всемирного тяготения и сила тяжести; к электромагнитным - силы трения, упругости, вес, поверхностного натяжения, архимедова сила, силы Кулона, Ампера и Лоренца. 

Гравитационные силы действуют между всеми телами  природе, имеющими массу. Электромагнитные силы действуют между заряженными телами. Ядерные действуют внутри ядер атомов. Электрослабые - внутри элементарных частиц, протонов и нейтронов.

Каждая сила имеет свою формулу.



№

Сила

Формула.

1

Сила всемирного тяготения

F= γ m1 m2 \R2

2

Сила тяжести

F= mg

3

Сила упругости 

F= kx

4

Сила трения

F= μ N

5

Вес тела

Р= m(g-a)

6

Сила Архимеда

F= ρж gVт

Каждая сила имеет своё направление. Сил тяжести направлена к центру Земли. Сил упругости - против деформации, сила трения - против движения., Архимедова сила - вверх., и т. д.



Масса – физическая величина, которая служит мерой инертности тела. Обозначается буквой m. Единица массы в системе СИ – 1 кг. 1Кг – это масса эталона. Эталон массы представляет собой цилиндр из сплава платины и иридия высотой и диаметром 39 мм, который хранится в Международной палате мер и весов  в городе Севре близ Парижа.

 Масса тел имеет некоторые свойства: 

Массы тел складываются;

Массы тел сохраняются в любых происходящих с ними процессах;

При движении со скоростью, приближающейся к скорости света, масса тел неограниченно возрастает.

Способы определения массы:

По ускорениям, полученным при взаимодействии тел. Так определяют массу Луны, Солнца и других космических тел. а1\а2= m 2\m1

Путём взвешивания. 

Ускорение- это физическая векторная величина, численно равная изменению скорости за единицу времени. Обозначается буквой а, находится по формуле   а=(v – v0) \t

Это формула линейного ускорения.  Ускорение при движении тела по окружности называется центростремительным. Оно находится по формуле а= v2\R

Ускорение измеряется в м\с2 . Центростремительное ускорение направлено к центру окружности или дуги окружности, по которой движется тело. Линейное ускорение может быть направлено в туже сторону, что и скорость, тогда движение - равноускоренное; или в противоположную скорости сторону - тогда движение тел равнозамедленное.

В основе динамики лежат глобальные законы, называемые законами Ньютона. 

Первый закон Ньютона объясняет, когда тело находится в покое или движется равномерно прямолинейно, второй закон - объясняет причину появления ускорений, третий – как происходит взаимодействие тел.

1 закон:  

 Существуют такие системы отсчёт, в которых тело находится в покое или движется равномерно прямолинейно, если действие других тел компенсируется.

2 закон.  

Если на тело действует сил, то тело движется с ускорением, величина которого прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна массе тела.      a= F\m    или F=ma

3 закон. 

    Тела взаимодействуют с силами, равными по величине и противоположными по направлению.   Всякому действию есть равное противодействие.

F12 =-F21   

При решении динамических задач необходимо показать все действующие на тело силы, направления ускорения, координатных осей и применить законы Ньютона в векторном и скалярном виде.

Кроме глобальных законов Ньютон, существуют специальные законы, применяемые в конкретных ситуациях, например, в гидростатике. 



Гидроаэростатика - раздел механики, изучающий равновесие жидкостей и газов и погружённых в них тел. Основным понятием гидроаэростатики является  давление и передач давления жидкостями и газами. 

Весовое давление жидкости находится по формуле       р= ρġh- 

где ρ - плотность жидкости или газа, g- ускорение свободного падения, h-высота столб жидкости или газа.

Сила давления находится по формуле        F=рS.

В основе гидроаэростатики лежат 2 закон: закон Паскаля и закон Архимеда.

Закон Паскаля гласит:   

давление в жидкостях и газах передаётся по сем направлениям в каждую точку без изменения

Закон Архимеда утверждает:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа, вытесненных телом.

                                       F= ρġV,       где         V- объём погружённой части тела.



Интересна история открытия этого закона, которую можно изложить в стихотворной форме.

Жил в Сиракузах мудрец Архимед, был другом царя Гиерона.

 Какой для царя самый главный предмет? Корона, конечно, корона!

Захотелось Гиерону сделать новую корону. 

Золота отмерил строго: взял не мало и не много, 

Сколько надо, в самый раз. ювелиру дал наказ. 

Через месяц Гиерону ювелир принёс корону.

 Взял корону Гиерон. Осмотрел со всех сторон. 

Чистым золотом сверкает. Но ведь всякое бывает,

 И добавить серебро можно к золоту хитро, 

А того и даже медь, если совесть не иметь. 

И царю узнать охота, честно ль сделана работа.

Пригласил он  Архимеда. Потекла у них беседа.

«Вот корона, Архимед.     Золотая или нет?»

«Чистым золотом сверкает!»

«Но ведь всякое бывает!

И добавить серебро можно к золоту хитро,

 А того и даже медь, если совесть не иметь!

Ты мне это, Архимед, помоги определить. 

Но - корону не царапать, не пилить.»

Долго думал Архимед. Думал ночью, думал днём. 

И однажды, в ванной моясь, погрузился он по пояс. 

На пол вылилась вода. Догадался он тогда.   Эврика!

АРХИМЕД:     «Пусть сейчас сюда несут для воды пустой сосуд. 

В него воду наливаем и корону погружаем. 

Ставим метку мы сюда. А корону вынимаем.

А  теперь с тобой возьмём в руки слиток золотой, 

Как корона чтобы был он.

И его мы погружаем, ставим метку мы сюда.»

ГИЕРОН:          «Ничего не понимаю, лишь две чёрточки я вижу,

эта выше,  эта – ниже.    

 АРХИМЕД:                           «Понимаешь, я сейчас открыл закон…»

ГИЕРОН:    «Постой, мастер мой мошенник явный, и закон давно объявлен». 

……………

  С тех пор пролетели года, но помнят закон Архимеда.



Итак, судьба полёта воздушного шара зависит от соотношения действующих на него сил: силы тяжести, направленной вниз, и силы Архимеда, направленной вверх.

Если больше сила тяжести - шар не взлетит. Если больше сила Архимеда, шар будет подниматься вверх. Если силы равны, он будет плавать на определённой высоте. Большие шары не надувают до предела, т. к. с подъёмом атмосферное давление уменьшается, и шар раздувается.  

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	БИОГРАФИЯ ИССАКА НЬЮТОНА.

	   Исаак  Ньютон  родился в 1642г., в год смерти Галилея. Родился очень слабым и был так мал, что его можно было искупать в большой пивной кружке. Целую неделю его жизнь висела на волоске. Но судьбе было угодно, чтобы смерть была побеждена, и ребенок остался жив.

	     В школе Ньютон учился по началу плохо, занимался в списке успеваемости предпоследнее место. Однако после случившейся как – то драки с одноклассником он решил доказать, что может обойти того в списке успеваемости, и, увлекшись учебой, начинает обгонять одного за другим всех остальных учеников класса. Вскоре Исаак становится лучшим учеником школы.

	     В детстве Ньютон был склонен к мечтательности и задумчивости. Он увлекался стихами, рисовал и много мастерил: им были сконструированы солнечные и водяные часы, ветряная мельница, бумажный змей и др.

	     Единственным другом в его школьные годы была младшая сестра избитого им одноклассника. Много лет спустя она рассказала, что Исаак был «тихим, рассудительным и разумным мальчиком. Он никогда не играл с мальчиками во дворе и не участвовал в их грубых развлечениях».  Оставаясь среди девочек, «он часто делал маленькие столики, чашечки и другие игрушки для неё и её подружек, чтобы они могли складывать туда своих куколок и дешевые украшения».

	     В 1661 г. Ньютон поступает в Тринити – колледж Кембриджского университета. Через четыре года он становится бакалавром искусств.

	     В 1665 г. в Англии распространилась эпидемия чумы, спасаясь от которой жители городов начали уезжать в малонаселенные деревни. Ньютон также покидает Кембридж и возвращается в родную деревню.  Два года,  проведенные там,  вдали от городской суеты, оказались для него очень плодотворными. В это время он сделал свои самые главные открытия: разработал новые методы в математике, создал теорию цветов, открыл закон всемирного тяготения и др. Однако  полученные им тогда результаты были опубликованы лишь спустя много лет.

	     Итогом его многолетних исследований явился фундаментальный труд под названием «Математические начала натуральной философии». В предисловии к этой книге, вышедшей в 1687 г., Ньютон написал: «Сочинение это нами предлагается как математические основы физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления».

	     Книга Ньютона начиналась с определений основных понятий механики: массы, силы и т. Д. После них шли «аксиомы или законы движения», на основе которых доказывались многочисленные следствия и теоремы.

	     Сформулированные Ньютоном аксиомы теперь называют Законами Ньютона.

	     20 марта1727 г. в возрасте 84 лет скончался гениальный английский ученый Исаак Ньютон. По указу короля Георга I ученого с большой пышностью похоронили в Лондоне, в усыпальнице королей – Вестминстерском аббатстве.  В похоронной процессии приняли участие знатнейшие герцоги, пэры и графы Англии. 





















РЕШЕНИЕ:

Масса груза (М) ограничивается двумя условиями. 

Во–первых, (М) не должна быть слишком велика – 

иначе шарик упадет на землю.                                                                                                

Во – вторых, она не должна быть слишком мала

 – иначе шарик покатится вверх по наклонному потолку. 

 Рассмотрим оба этих условия отдельно.

Найдем максимальную массу (М), при которой шарик ещё не будет падать вниз. Для того, чтобы шарик не падал, действующая на него сила Архимеда должна быть больше суммы сил тяжести, действующих на груз, резиновую оболочку и накаченный в нее газ:

					 (1)

											(рис.1)

Если груз, удовлетворяющий данному условию, подвесить к нижней точке шарика, то шарик покатится вверх по потолку (по условию задачи проскальзывания нет).  Шарик  будет проворачиваться до тех пор, пока момент силы тяжести Lм, действующей на груз, не скомпенсирует сумму моментов силы Архимеда и силы тяжести, действующей на шарик и на накаченный в него газ. Если же этого не произойдет при максимально возможном значении момента Lм, то шарик будет катиться вверх по потолку.

Выберем для вычисления моментов сил горизонтальную ось проходящую через точку касания шарика и потолка. Тогда максимально возможный момент силы тяжести, действующей на груз, 

будет достигать в ситуации, показанной на рис.2 

Его величина определяется выражением: 

Lм = MgR(1+sin α) (2)

С учетом этого выражения условие для моментов запишется в виде 



(3),                                                                                                      

откуда с учетом выражения для V:                      

	  (4)                                                          (рис.2)

объединяя (3) и (4), окончательно получаем:                                                      

(5)						

Следует отметить, что с ростом угла a, максимальная сила трения шарика о полоток уменьшается, и утверждение об отсутствии проскальзывания шарика по потолку, высказанное в условии задачи, перестает быть справедливым.

Поэтому, конечно, а реально не может достигать π/2, хотя из вида нашего решения это и не следует.













Решив, эту задачу я еще раз убедилась, что знания физики нужны человеку так же, как умение писать или читать. Физика пригодится всем: строителем, дизайнером, а так же любому человеку, работа которого связана с какой либо областью физики.  Моя мечта стать профессиональным  дизайнером, я думаю, что воздушные шары как были, так и останутся самым красивым и дешевым элементом   украшения интерьера.                      

























































                                    Литература.

Научный фильм о воздухоплавание 

Учебник для 6-7 классов средней школы

Москва «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1985год

Учебное пособие для учащихся 6-7 классов средней школы. 

Москва «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1986год