Теория:
На все тела в воздухе, как и в жидкости, действует выталкивающая, или архимедова сила.
Чтобы найти архимедову (выталкивающую) силу, действующую на тело в газе, надо плотность газа умножить на ускорение свободного падения (\(g =\) \(9,8\) Н/кг) и на объём тела, находящегося в газе: .
Обрати внимание!
Для того чтобы летательный аппарат поднялся в воздух, необходимо, чтобы архимедова сила, действующая на шар, была больше силы тяжести.
На этом основано воздухоплавание.
Подъёмная сила воздушного шара зависит от разности архимедовой силы и силы тяжести всей конструкции.
Подъёмная сила увеличивается при увеличении архимедовой силы и уменьшении силы тяжести:
\(F=F_A-F_{тяж}\).
\(F=F_A-F_{тяж}\).
Плотность газа прямо пропорциональна силе тяжести и обратно пропорциональна подъёмной силе.
Поэтому для увеличения подъёмной силы нужно использовать газы с малой плотностью (меньшей, чем у воздуха). Одним из таких газов является водород. Однако водород взрывоопасен, поэтому его для этой цели не используют. Гелий также имеет небольшую плотность, но, в отличие от водорода, он не горюч. Это способствует тому, что многие аэростаты заполняют именно гелием.
Теплый воздух также имеет меньшую плотность, чем холодный. Поэтому и его можно использовать для создания подъёмной силы.
Чтобы управлять плотностью воздуха, используют газовые горелки. При увеличении пламени газ нагревается сильнее, его плотность уменьшается и шар поднимается выше — подъёмная сила увеличивается. Чтобы снизить высоту воздушного шара, фитиль горелки убавляют, уменьшая скорость нагрева. Воздух внутри шара охлаждается, подъёмная сила уменьшается, шар начинает опускаться вниз.
Таким образом, можно управлять высотой подъёма шара и добиться равенства силы тяжести и силы Архимеда. В этом состоянии шар повисает на одной высоте и будет перемещаться горизонтальными потоками воздуха (ветром).
Плотность атмосферного воздуха изменяется с увеличением высоты. Нагревать газ внутри шара можно до определённого значения. Поэтому при равенстве архимедовой силы и силы тяжести подъём аппарата останавливается.
Единственный выход — уменьшить силу тяжести: уменьшить массу груза. Для этого на воздушные шары берут мешки с песком, которые можно выкинуть или отсыпать часть. При уменьшении массы шара уменьшается сила тяжести, что приводит к продолжению подъёма аэростата.
Если необходимо опустить на меньшую высоту, уменьшают архимедову силу за счёт уменьшения объёма шара. Для этого открывают клапан, и часть газа из шара выходит.