Основы аэронавтики

FА = ρgV

где р - плотность жидкости (газа), g - ускорения свободного падения, а V - объем погруженного тела ( или часть объема тела, находящаяся ниже поверхности). Выталкивающая сила, называемая также архимедовой силой, равна по модулю и противоположна по направлению силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объем жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объема.

Следует заметь, что тело должно быть полностью окружено жидкостью. Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна. 2) Мы не можем точно проследить логику рассуждений Архимеда. За древностью лет много информации, к сожаленью, утеряно, но попробуем мысленно перенестись в 287 – 212гг до н.э. и воссоздать картину размышлений великого греческого ученого изложенную в сочинении «О плавающих телах».

Сочинение " О плавающих телах " исследователи относят к числу самых поздних, а некоторые считают его последним научным трудом Архимеда. Это сочинение состоит из двух книг. В первой книге Архимед, излагает: тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая из часть не выступает над поверхностью жидкости и она не будет двигаться вниз. Подробно разбирает вопросы, связанные с погружением твердых тел в жидкость, и формулирует закон, до сих пор приводимый в любом школьном учебнике. И здесь подход к проблеме тот же: на основание опытных наблюдений Архимед строит модель жидкости, с помощью которых получает ряд следствий, обосновывая их строгими геометрическими доказательствами. Во второй книге: тело более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком, но некоторая часть его остается над поверхностью жидкости ; Тело более тяжелое, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела. Он рассматривает принцип работы ареометра и условие равновесия в жидкости тел, имеющих форму сегмента параболоида. Выводы Архимеда представляли практический интерес судостроения. 3) Рассмотрим вывод закона Архимеда с точки зрения математики.

На все шесть граней физического тела действует со стороны жидкости (газа) гидростатическое давление р = рgh, так как боковые грани находятся на одинаковых глубинах (h3 = h4= h5 = h6) и ρ=const, g = const, то ρ3 = ρ4 = ρ5 = ρ6. С другой стороны ρ = S . Так как мы рассматриваем физическое тело кубической формы, то S1 = S2 = S3 = S4 = S5 = S6 и, следовательно, F3 = F4 = F5 = F6 и эти силы компенсируют действия друг друга (F3 + F4 + F5 + F6 = 0). Теперь рассмотрим F1 и F2. Так как h1 < h2 , то ρ = ρgh при ρ = const и g = const , ρ1 < ρ2. Так как ρ = S => F = ρS при S1 = S2 , то F1 < F2 Определяя равнодействующую силу F1 и F2 , найдем , что R = F1 + F2 , так как F1 F2 , то R = F2 - F1 , = 0. Это сила была названа выталкивающая и позже в честь Архимеда, названа FА - Архимедова сила Вычислим FА : FА = F2 - F1 , так как

F = ρS, то FА = ρ2S2 - ρ1S1 ; ( S1 = S2 = S ); FА = ρ2S - ρ1S = S(ρ2 - ρ1).

Учитывая, что ρ = ρgh, получаем:

FА = S(ρ2g2h2 - ρ1g1h1) - g1 = g2 = g = const ,

так как это ускорение свободного падения (g≈9,8) - ρ1 = ρ2 = ρ = const , так как физическое тело погруженное в однородную жидкость. Тогда :

FА = S(ρgh2 - ρgh1) = Sρg(h2-h1)

Из рисунка видно, что h2 - h1 = h ф.т., тогда

FА = Sρgh ф.т.

Из курса математики следует:

Sh ф.т. = V ф.т

то

FА = ρgV ф.т. 4)

Продолжим рассуждения, начатое в 3 пункте. Из курса динамики известно, что P = mg для случая если U = 0, а = 0, так как

mж = ρжVж

то

FА = ρж(г)V ф.т. g

Если взять столько жидкости (газа), чтобы наблюдалось равенство Vф.т. = Vж(г) . (Рассматриваем жидкость (газ), взятую в объеме погруженного физического тела) , тогда:

FА = Pж(г) (при Vф.т. = Vж(г)).

2.2 Условия плавания тел

1. Если FА › mg, то физическое тело поднимается вверх.

2. Если FА = mg, то физическое тело плавает внутри.

3. Если FА ‹ mg, то физическое тело погружается ко дну (тонет).

Рассмотрим

FА = mg, FА = ρж . g . Vт и mт = ρт . Vт,

подстав данные выражения получим:

ρж . g . Vт = ρт . Vт . g,

тогда ρж = ρт. Следовательно:

1) Если ρж › ρт , то физическое тело поднимается вверх.

2) Если ρж = ρт, то физическое тело плавает внутри.

3) Если ρж ‹ ρт, то физическое тело погружается ко дну.

3. Демонстрационный эксперимент

Рассмотрим 2 шарика:

FА = ρг . g . Vm

Vm(1) = Vm(2)

mg = (mоб + mг)g

mоб(1) = mоб(2)

т.к. М(возд) = 29 . 10-3 кг/моль, а М(Не) = 4 . 10-3 кг/моль, то М(возд) › М(Не), из этого получаем: m(возд) › m(Не), т.е. mg(1) › mg(2)

4. Воздухоплавание в военных условиях

После первых полётов, носивших больше развлекательный характер, аэростаты стали применять с научными (для изучения атмосферы, географических исследований и др.) и военными целями. В 1849 во время борьбы Италии за независимость австрийские войска организовали с помощью небольших (объёмом 82 м3) свободных аэростатов бомбардировку Венеции зажигательными и разрывными бомбами. В 1859 в сражении при Сольферино французский воздухоплаватель Ф. Надар с привязного аэростата производил разведку расположения австрийских войск, сделав фотоснимки позиций противника. Привязные аэростаты для разведки и корректирования артиллерийского огня применялись также в США во время Гражданской войны 1861 65. Во франко-прусской войне 1871 посредством свободных аэростатов была налажена связь окружённого немцами Парижа с остальной Францией. За 4 месяца на 65 аэростатах объёмом 1 2 тыс. м3 было переправлено 3 млн. писем и депеш общим весом 16 675 кг, а также 150 пассажиров.

В 1871 парижские коммунары пользовались аэростатами для разбрасывания листовок революционного содержания. С момента возникновения В. до 70-х гг. 19 в. применялись только свободные и привязные аэростаты. Первый проект управляемого аэростата с воздушными винтами, вращаемыми вручную, был выдвинут в 1784 французским военным инженером Ж. Менье. В 40-х гг. 19 в. проекты управляемых аэростатов были предложены русским военным инженером И. И. Третесским, предусматривавшим, в частности, ракетный двигатель, и другими изобретателями. 24 сентября 1852 француз А. Жиффар совершил первый управляемый полёт со скоростью до 11 км/ч (в безветренную погоду) на аэростате с паровым двигателем. В 1869 в России была организована постоянная Комиссия по применению воздухоплавания к военным целям.

С 1870 в Усть-Ижорском сапёрном лагере под Петербургом производились наблюдения с аэростатов за передвижениями войск и корректирование артиллерийской стрельбы по невидимым с земли целям. В 1875 русский учёный Д. И. Менделеев выдвинул идею стратостата и обосновал выбор конструкции отдельных его частей.

В 1880 был основан воздухоплавательный отдел Русского технического общества.

В 1885 в Петербурге была учреждена кадровая команда военных воздухоплавателей (в 1887 реорганизована в "Учебный кадровый воздухоплавательный парк"), которая приступила к учебно-тренировочным подъёмам и полётам на аэростатах.

В 1885 в Главной физической обсерватории, которой руководил академик М. А. Рыкачёв, были разработаны самопишущие метероприборы, поднимавшиеся на шарах-зондах и воздушных змеях. 19 августа 1887 Менделеев на военном аэростате совершил полёт из г. Клина длительностью 3 ч 36 мин на высоте 3350 м для наблюдения солнечного затмения. Русские учёные использовали для научных целей и учебные полёты офицеров, снабжая аэростаты метеоприборами. Одним из организаторов этих полётов и многократным их участником был военный учёный профессор М. М. Поморцев. Ему удалось выработать методику наблюдений, усовершенствовать существовавшие аэронавигационные приборы и создать новые. Научное применение В. не ограничивалось областью метеорологии и аэрологии. Производились попытки применить свободные аэростаты (позднее дирижабли) для исследования труднодоступных местностей. В 1897, вылетев на аэростате объёмом 5000 м3 с о. Шпицберген, шведский воздухоплаватель С. Андре с двумя спутниками пытался достичь с попутным ветром Северного полюса, но попытка была неудачной, воздухоплаватели погибли.

В 1887 русский учёный К. Э. Циолковский предложил проект цельнометаллического бескаркасного дирижабля с изменением его объёма в полёте и с подогревом газа. Первый успешный полёт дирижабля со скоростью 22 25 км/ч был совершен французским воздухоплавателем А. Сантос-Дюмоном, который 13 ноября 1899 облетел вокруг Эйфелевой башни в Париже и благополучно вернулся к месту старта. Агрессивные устремления правящих кругов Германии и других империалистических держав побуждали развивать В. прежде всего в военных целях. В захватнической войне 1899-1902 против буров английские войска применяли сферические привязные аэростаты. В русско-японской войне 1904 05 и русские, и японские войска использовали привязные аэростаты для корректирования артиллерийского огня.

С начала 20 в. получили распространение более совершенные змейковые аэростаты, созданные немцем А. Парзевалем в 1893. Такого типа аэростаты, имея сравнительно обтекаемую форму, вертикальный стабилизатор и боковые паруса, были устойчивы в воздухе и допускали наблюдение при скорости ветра до 60 км/ч. В итало-турецкой войне 1911 12 итальянские войска наряду с привязными змейковыми аэростатами впервые использовали для бомбометания и разведки 3 дирижабля полужёсткой системы. Накануне и во время 1-й мировой войны 1914 18 в наиболее развитых капиталистических странах на вооружении находились разные типы дирижаблей объёмом от 1500 м3 (английский мягкий дирижабль для обнаружения подводных лодок) до 68 тыс. м3 (немецкий жёсткий дирижабль для бомбардировки и дальней разведки). Скорость их полёта 80 130 км/ч, высота 3500 5000 м. Во время войны они эффективно участвовали в морской разведке и охране берегов, в борьбе с подводными лодками на местах стоянок морских судов и при сопровождении судов в море. Также весьма эффективны были и привязные змейковые аэростаты для разведки поля боя и корректирования артиллерийской стрельбы. Только Россия, Франция и Германия имели на фронтах около 550 таких аэростатов наблюдения объёмом 820 1050 м3, поднимаемых на высоту 600 2000 м. К концу войны в Великобритании, Франции и Италии змейковые аэростаты объёмом 100 270 м3 стали подниматься как заграждения против самолётов на высоту 2 4 км.

После победы Великой Октябрьской социалистической революции по инициативе В. И. Ленина в декабре 1917 началось формирование первых "социалистических воздухоплавательных отрядов" в гг. Петрограде, Москве, Саратове, Новгороде и др. В начале 1918 состоялся 1-й Всероссийский воздухоплавательный съезд, который наметил программу развития отечественного воздухоплавания. В первом советском научно-авиационном учреждении "Летучая лаборатория" (Москва), руководимом профессором Н. Е. Жуковским, в мае 1918 был создан аэростатный отдел.

10 августа 1918 при Реввоенсовете Республики создаётся Полевое управление авиации и воздухоплавания действующей армии (Авиадарм). Советские воздухоплаватели активно участвовали в годы Гражданской войны в боях под Царицыном, Камышином и др. Новым в боевом использовании привязных аэростатов был подъем их для разведки и корректирования артиллерийского огня с судов речных флотилий (на Волге и Днепре), а также с бронепоездов.

Впервые аэростат был поднят 16 марта 1919 с бронепоезда "Черноморец", действовавшего на Южном фронте, 2-й воздухоплавательный отряд во взаимодействии с бронепоездом "Воля" за 2 недели ожесточённых боев произвёл 75 подъёмов аэростатов. Советские военные воздухоплаватели совершили на всех фронтах за годы Гражданской войны около 7 тыс. боевых подъёмов, проведя в воздухе более 10 тыс. ч. После окончания 1-й мировой войны в США, Франции, Италии, Германии и других странах продолжалось строительство дирижаблей различных систем объёмом от 1400 м3 (полумягкая система) до 184 тыс. м3 (жёсткая система) для перевозки пассажиров, грузов и для военных целей.

Достижения в этих странах нашли своё отражение в полётах дирижаблей 20-х гг. В мае 1926 норвежец Р. Амундсен на дирижабле полужёсткой системы "Норвегия" (конструкции итальянского инженера У. Нобиле) объёмом 18,5 тыс. м3, оборудованном 3 двигателями мощностью по 185 квт (250 л. с.), совершил за 71 ч беспосадочный перелёт с о. Шпицберген через Северный полюс на Аляску. В 1928 на таком же дирижабле У. Нобиле отправился в полёт через Северный полюс. В 1929 немецкий дирижабль жёсткой системы "Граф Цеппелин" объёмом 105 тыс. м3 совершил с 3 промежуточными посадками кругосветный перелёт протяжённостью 35 тыс. км за 21 день. Средняя скорость полёта была 177 км/ч. Позже, в 1932 37, дирижабль, совершив 136 полётов в Южную Америку и 7 полётов в США, перевёз 13 110 пассажиров.

В 30-е гг. для изучения стратосферы в разных странах совершались полёты на стратостатах. 27 мая 1931 бельгийцы А. Пикар и М. Кипфер на стратостате объёмом 14 300 м3 пробыли в воздухе 16 ч и поднялись на высоту 15 780 м, а 12 августа 1932 на том же стратостате Пикар и М. Козине пробыли в воздухе 11 ч 45 мин и поднялись на высоту 16 370 м. 30 сентября 1933 советские стратонавты Г. А. Прокофьев, К. Д. Годунов и Э. К. Бирнбаум на стратостате (конструкции К. Д. Годунова) "СССР-1" объёмом около 25 тыс. м3 достигли высоты 19 тыс. м, пробыв в воздухе 8 ч 20 мин. 30 января 1934 советские стратонавты П. Ф. Федосеенко, А. Б. Васенко и И. Д. Усыскин на стратостате "ОАХ-1" объёмом 24 920 м3 достигли высоты 22 тыс. м, пробыв в воздухе 7 ч 04 мин. 11 ноября 1935 американские стратонавты А. Стивенс и О. Андерсон на стратостате "Эксплорер-2" объёмом 105 000 м3 поднялись на высоту 22 066 м. Полёты стратостатов и шаров-зондов с автоматическими радиопередатчиками до высоты 40 км значительно расширили применение для научных исследований. В СССР В. получило распространение также и в спортивных целях в состязаниях на продолжительность, высоту и дальность полёта.

9 марта 1935 пилот В. А. Романов и профессор И. А. Хвостиков на аэростате с открытой гондолой достигли высоты 9800 м, а 3 сентября 1935 И. И. Зыков и А. М. Тропин на аэростате объёмом 2200 м3 осуществили рекордный полёт продолжительностью 91 ч 15 мин из Москвы в Актюбинскую область, 29 сентября 4 октября 1937 на советском дирижабле "СССР В-6" объёмом 19 тыс. м3 с 3 двигателями мощностью по 177 квт (240 л. с.) был установлен мировой рекорд продолжительности полёта 130 ч 27 мин. На борту дирижабля находились 16 человек экипажа: командир экипажа И. В. Паньков. Наибольших успехов среди женщин добилась А. П. Кондратьева, которая 14 15 мая 1939 на сферическом аэростате "СССР ВР-31" объёмом 600 м3 пролетела за 22 ч 44 мин расстояние 481 км.

16 марта 1941 С. С. Гайгеров и Б. А. Невернов совершили рекордный (по продолжительности и дальности) полёт на аэростате из Москвы в Новосибирскую область, пролетев за 69 ч 20 мин 2767 км. К началу Великой Отечественной войны из 24 официально зарегистрированных мировых рекордов в области В. 17 были завоёваны советскими воздухоплавателями. Широкое применение В. нашло в годы Великой Отечественной войны 1941 45. Аэростаты наблюдения вели длительную артиллерийскую разведку, корректировали огонь батарей. Большое распространение в системе противовоздушной обороны гг. Москвы, Ленинграда и других от налётов немецко-фашистской авиации получили аэростаты заграждения (АЗ).

Значительный вклад в создание совершенных конструкций АЗ внесли коллективы инженеров, руководимые В. Н. Архангельским, К. Д. Годуновым. В обеспечении надёжной эксплуатации АЗ большую роль сыграли военные инженеры, подготовленные в Военно-воздушной инженерной академии им. Н. Е. Жуковского профессорско-преподавательским составом, возглавляемым профессором В. А. Семёновым. Кроме привязных аэростатов, в дни войны для перевозки специальных грузов в тылу применялся дирижабль мягкой системы "В-12" объёмом 3 тыс. м3. В 1944 под руководством инженера Б. А. Гарфа был сконструирован и построен дирижабль "Победа" объёмом 5 тыс. м3, показавший отличные лётные качества.

С 1945 по 1947 этот дирижабль применялся на Чёрном море для отыскания минных полей, затонувших судов и др. Начиная с 1950-х гг. полёты отечественных дирижаблей прекратились. В США и ФРГ до 1960-х гг. эксплуатировалось несколько дирижаблей мягкой системы. Большинство их полётов совершалось с рекламными целями. После окончания Великой Отечественной войны спортивное и научное В. в Советском Союзе продолжает развиваться. 3 июля 1945 на аэростате "СССР ВР-70" объёмом 600 м3 поднялись в воздух С. А. Зиновеев и А. М. Боровиков для научных наблюдений атмосферного электричества, а 9 июля 1945 с аэростата "СССР ВР-63" они провели наблюдение солнечного затмения.

11 ноября 1945 на субстратостате "ВР-79" объёмом 2700 м3 Г. И. Голышев и М. И. Волков поднялись на высоту 11 500 м для изучения физических явлений в верхних слоях атмосферы. 27 апреля 1949 на аэростате "СССР ВР-79" объёмом 2700 м3 П. П. Полосухин и А. Ф. Крикун поднялись на высоту 12100 м. 25 28 октября 1950 советские аэронавты С. А. Зиновеев, С. С. Гайгеров и М. М. Кирпичёв совершили полёт на том же аэростате из Москвы в Казахстан, пролетев по прямой около 3200 км за 84 ч 24 мин. Полёт происходил на высоте более 5 тыс. м. 50-е гг. ознаменовались большим скачком в изучении физики атмосферы и, в частности, закономерностей движения воздушных масс. Были открыты так называемые струйные течения в атмосфере. Возникла возможность создания карт струйных течений над всем земным шаром и прогнозирования трассы полёта аэростата с момента его старта на несколько суток предстоящего полёта. Одновременно с расширением знаний по физике атмосферы произошли и существенные изменения в воздухоплавательной технике. Химическая промышленность выпустила новые пластические материалы для изготовления оболочек аэростатов (полиэтилен, полиэтилен-терефталат и др.). Эти материалы прозрачны, прочны, морозостойки, очень легки (1 м2 такой плёнки весит 30 50 г) и мало нагреваются лучами Солнца. На аэростате, выполненном из таких материалов, можно достичь высоты около 40 км и продолжительности полёта более 15 суток. Достижения радиотехники, электроники, автоматики, точного приборостроения и др. позволили создать надёжно летающие и выполняющие сложную исследовательскую программу беспилотные свободные аэростаты, называемые автоматическими аэростатами. Ими пользуются для изучения воздушных струйных течений, для географических и медико-биологических исследований в нижних слоях стратосферы, как стартовыми площадками для запуска метеорологических ракет и подъёма телескопов и т.д.

5. Дорогу в космос проложили аэронавты

В 1782 году Братья Жан-Этьенн и Жозеф-Мишель Монгольфье, увлекавшиеся вопросами динамического воздухоплавания, а также пытавшиеся экспериментировать с оболочками, наполняемыми водородом, знакомые с этим открытием, пришли к выводу, что причиной подъема облаков является их электризация. С целью получения газа, обладающего электрическими свойствами, они начали сжигать мокрую солому и шерсть. Этот материал они использовали по аналогии с процессами, происходящими в электрографе, а воду добавляли для получения пара, схожего с составом облаков. Свои шары (вначале они были прямоугольных форм и только затем сферические) они называли аэростатическими машинами. Один из таких шаров, диаметром 3,5 метра, был показан родным и знакомым. Шар, поднявшись на высоту 300 метров, продержался в воздухе около 10 минут. После этого братья Монгольфье построили оболочку диаметром более 10 метров, она была сделана из холста, в верхней части изнутри оклеена бумагой и усилена веревочной лентой. Демонстрация этого шара состоялась на базарной площади в городе Анноне 5 июня 1783 года. Был составлен протокол, который отразил все подробности полета. Шар поднялся на высоту до 500 метров и продержался в воздухе около 10 минут, пролетев при этом 2 километра. 19 сентября 1783 года в Версале (под Парижем) в присутствии короля Людовика XVI во дворе его замка в час дня воздушный шар взмыл в воздух, унося в своей корзине первых воздушных путешественников, которыми были баран, петух и утка. Шар пролетел 4 километра за 10 минут. Для его наполнения потребовалось 2 пуда (32 кг) соломы и 5 фунтов (2,3 кг) шерсти. 24 сентября 1784 года в Лионе впервые в воздух на монгольфьере поднялась женщина. Госпожа Тибль в присутствии шведского короля Густава III поднялась на высоту 2700 метров и продержалась в воздухе 142 минуты. 15 июня 1785 года стал трагическим в истории воздухоплавания. В этот день погибли пилот, физик, изобретатель Жан Франсуа Пилатр-де-Розье и его друг механик Ромен. В дальнейшем монгольфьеры уступили своё место воздушным шарам наполняемым водородом, так называемым шарльерам. Это было вызвано присущими монгольфьерам недостатками: необходимость брать на борт большое количество топлива, опасность возникновения пожара в воздухе и т. д. Однако во второй половине XX века монгольфьеры вновь стали популярны. К этому привело появление новых легких и огнестойких материалов и появление специальных газовых горелок, которые вместе с газовыми баллонами составили удобный и надежный комплекс управления тепловыми аэростатами. Кроме того появился и такой вид монгольфьеров, как солнечные. Перепад температур между воздухом в оболочке и окружающей средой составляет около 30 градусов. Разумеется, такие аэростаты могут летать только в солнечную погоду, да и объём оболочки в 2,5 3 раза больше, чем у обыкновенных аэростатов. Появление новых типов монгольфьеров привело и к появлению новых видов соревнований и воздушных праздников фиест. В соревнованиях необходимо как можно точнее привести аэростат в заданную точку или оптимизировать временной или дистанционный интервал полета. Фиесты же представляют собой более фееричное зрелище: одновременный старт десятков, сотен, а на особо крупных фиестах, и тысяч монгольфьеров различных форм и цветов производят на зрителей неизгладимое впечатление.

Для полета, воздушным шарам различной модификации не нужно разгоняться, как самолетам. Они не взлетают, а всплывают на небо, подобно тому, как наполненный воздухом мячик всплывает из водной глубины на поверхность. Вот таким образом взлетают аэростаты. Дальнейшее развитие воздухоплавания привело к созданию самолетов и ракет. Человечество развивается, делаются новые открытия, люди изобретают новые, более совершенственные летательные аппараты. А может быть в дальнейшем, придумают какие-нибудь ещё более усовершенствованные аппараты, чтобы летать совсем как птицы!

Список используемой литературы

1.                А. Л. Стасенко, «Физика полета», Изд. «Наука»;

2.                Кл. Э. Суорц, «Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Том 1», Изд. «Наука»;

3.                М. М. Балашов, «О природе», Изд. «Просвещение»;

4.                «Классики физической науки»

Страницы: 1, 2