Реферат до предмету Фізика, 8 клас
Тема«Виштовхувальна сила. Закон Архімеда. Гідростатичне зважування. Умови плавання тіл.»

Світанок повітроплавання
Засоби безпеки польотів

Перший, пристосований для практичного використання парашут, був побудований французом Ленорманом з Монпелье у  1783 р. Він користувався двома з’єднаними дощовими парасольками діаметром 1.62 м і стрибав за їх допомогою вниз з дерева. Також Ленорман  збудував парашут з щільного полотнища зібраного у вигляді конуса, висотою 2 м та діаметром 4 м. По низу полотнища було прив’язано кілька мотузок, які утримували людину. Монгольф’є та Бланшар проводили досліди з парашутами на великих висотах, але використовували для цього виключно тварин. Вперше 1797 року Гарнерін використав парашут для спуску людини з повітряної кулі. Він використав парашут діаметром 7.8 м з формою дощової парасольки. При спуску парашут дуже сильно розхитувало і при посадці сміливець звихнув ногу. Для надання стійкості польоту парашуту згодом у верхній частині куполу  почали робити отвір. Приклад Гарнеріна спонукав його жінку (теж сміливого повітроплавця) здійснити велику кількість стрибків при підйомі на великі висоти.

Рис.9 Парашут Кокінга

З метою повністю ліквідувати поштовхи під час польоту, англієць Кокінг сконструював парашут з вивернутим куполом за прикладом насінин деяких рослин. 1836 року, вважаючи висновки своїх розрахунків абсолютно вірними він зважився на стрибок з великої висоти. Розмістившись під гондолою повітряної кулі Гріна, він піднявся з   лондонського вокзалу і на висоті 1000 м, перерізав канат, що з’єднував його з аеростатом. Парашут за кілька секунд склався і Кокінг закінчив своє життя біля його уламків. Ще одна трагедія повітроплавання сталась при випробуваннях парашута француза Летура. Він сконструював керований парашут з лопатями та кермом. 1854 року,  в Лондоні він піднявся на кулі повітроплавця Адама, але коли  мав відрізати парашут від аеростату, виявив, що він заплутався навколо мотузок, якими утримувався парашут. Куля почала непередбачено швидко знижуватись і протягнувши Летура через ліс, вбила його.
На завершення короткої історії парашуту, варто згадати про парашут Леру. Парашут виготовлено з шовку і в розтягнутому стані являє собою кульовий сегмент з діаметром 10 м і отвором 15 см на вершині купола. Перед розкриттям парашут утримується у зібраному стані невеликим дерев’яним кільцем, яке може бути випущене в будь-який слушний момент. За кілька секунд парашут розкривається під тиском набігаючого потоку повітря. Схема парашута Леру збереглася практично у всіх сучасних  парашутах. 

Дослідження великих висот

Вже з перших підйомів дослідники поставили за мету досягнути великих висот для дослідження верхніх шарів атмосфери. 1803 року Робертсон та А’Гольст досягнули висоти 7400 м. Згодом їх наслідували члени французької академії наук Гей-Люссак та Біо. Висота досягнута Гей-Люссаком у повторному польоті  за деякими даними сягала 9000 м. Варто відзначити польоти здійснені за ініціативою англійських наукових об’єднань повітроплавцем Глешером у 1862-1866 р.р. Найвизначнішим серед них було  підняття здійснене Глешером та Коксевелем з англійського міста Вольвергамптона. На протязі 45 хвилин куля досягнула висоти 8000 м. Глешер ослаб і втратив свідомість. Показ термометра на той час був -15ºС а барометра - 250 мм. Коксвель вирішив відчинити клапан, але мотузка клапана заплуталась і йому довелось лізти по зовнішній сітці, щоб її звільнити. Коли він повернувся назад у гондолу, руки його були відмороженими, але йому вдалось потягнути за мотузку зубами і відчинити клапан. Найменший показ барометра зафіксований Коквелем під час цього підняття склав 180 мм., що відповідало розрахунковій висоті 11000 м, температура, зафіксована мінімальним термометром, склала - 25ºС. За півтори години повітроплавці повернулись на землю. Підняття Глешера дозволили виявити над територією Західної Європи теплу повітряну течію подібну Гольфстріму в Атлантичному океані. Попередні припущення про зменшення температури на 10 на кожні 90 м підняття виявились неточними - із збільшенням висоти спад температури відбувається повільніше за розрахунки. Глешером також було встановлено, що швидкість вітру на великих висотах набагато більша, ніж над земною поверхнею.

Дослідження великих висот за допомогою повітряних куль супроводжувалось нестачею кисню, що було доведено дослідами Павла Берта на тваринах та на собі. Перші спроба підкорити висоту, маючи запас кисню, закінчилась загибеллю двох повітроплавців: Сівеля та Кроче-Спінеллі. Гастон Тіссандьє, який також приймав участь у підняті, випадково залишився живий. Рекорд висоти у 1874 р. складав 7400 м. Після дослідів Павла Берта, згадані дослідники, спорядивши повітряну кулю “Зеніт”, яка належала Сівелю, науковим обладнанням та кисневими подушками, розраховували піднятись на набагато більшу висоту. Запас кисню був незначний, тому вони користувались ним надто обережно. Перший раз вони  почали “дихати” на висоті 7000 м при температурі повітря - 10ºС, відчувши слабкість та безпорадність. Після цього було скинуто останній баласт і куля злетіла до 8000 м. Тіссадье відчув велику слабкість і втратив свідомість. Коли він отямився, куля швидко знижувалась. Тіссандье зібрав останні сили відкрив клапан і викинув якір. Тим часом його товариші вже лежали мертві.
Подальші дослідження великих висот відбувалось з використанням куль-зондів, що піднімали самореєструючі прилади. У вересні 1894 р. куля-зонд “Cyrrhus” під час 6-годинного польоту піднялась на висоту 18 450 м, де зареєструвала температуру -67ºС. Після цього підйому було з’ясовано, що на висоті 7000 м не відбувається зміни пір року, а панує вічна зима.

Керовані польоти повітряних куль

Керування повітряною кулею з допомогою вітру було неможливим, хоча проекти подібного плану з’являлись досить часто. 1850 року Петін у Парижі створив проект повітряного корабля, призначеного для мандрівки багатьох осіб. За проектом 4 повітряні кулі діаметром 27 м повинні були тримати платформу завдовжки 140 м  і завширшки 60  метрів. З платформою планувалось з’єднати  вітрило, яким мали керувати польотом. Проект залишився нереалізованим, оскільки  був зовсім непридатним. В листі американця Гопкінсона  Бенджаміну Франкліну вже 1784 року виказана ідея придання повітряній кулі видовженої в горизонтальному напрямі форми для зменшення опору повітрю з закріпленим на одному її кінці повітряним гвинтом, що приводився в рух мускульною силою людини. Згадана ідея лише через 70 років була втілена французьким інженером Жиффаром з застосуванням парової машини. Куля мала видовжену форму при  об’ємі  2100 м3. В нижній частині розміщувалась платформа з паросиловою установкою. Двигун приводив у дію великий гвинт з  двома лопатями, призначений для горизонтального руху корабля. Керування кулею здійснювалось трикутним вітрилом, що могло обертатись навколо вертикальної осі.

Рис. 10 Керована куля Жиффара

Загальна маса кулі складала 1600 кг. 1852 р. Жиффар піднявся на кулі у Парижі на висоту 1500 м. Хоча рухатись проти вітру йому так і не судилось, але змінювати  курс куля вже могла.

Двадцять років по тому була збудована куля Дюпюї де Лома. Вона мала 39 м в довжину, містила 3000 м3 водню і мала підйомну силу 40000 Н. Куля переносила великий човен з 12 чоловіками, що обертали вісь гвинта.

Гвинт мав 6 м в діаметрі і був виготовлений з шовкової тканини, натягнутої на раму. Дюпюї де Лома здійснив політ  1872 року, досягнувши на кулі швидкості 9-10   км/год при можливій зміні курсу на 12º. Безумовно, відмова від використання двигуна була кроком назад.

Рис.11 Повітряна куля Дюпюї де Лома

Починаючи з  80-х років, починаються досліди по використанню електричних двигунів на повітряних кулях. Гастон Тіссадьє збудував кулю 28 м довжиною і діаметром 9 м, яка містила 1060 м3 водню. В корзині кулі містився електричний двигун Сіменса, потужністю в 1 кінську силу, що обертав вісь гвинта, який мав діаметр 3м. Перший політ відбувся восени 1883 року. Швидкість вітру складала 10 км/год. За допомогою гвинта, куля утримувалась на місці, намагаючись рухатись проти вітру.

Рис. 12 Гондола електрифікованої кулі Тіссадьє

Згодом, наслідуючи Тіссадьє  двоє французьких офіцерів, Ренар та Кребс, отримавши урядову фінансову допомогу, у великій таємниці розпочали роботи по створенню нової керованої повітряної кулі, придатної для використання у військовому повітроплаванні. Збудована куля під назвою “La France” мала довжину 50 м  і діаметр 8,5 м. Об’єм кулі складав 1870 м3 при масі використаного водню 2200 кг. Електричний двигун, що обертав гвинт, мав потужність 9 к.с.  В серпні 1884 р. куля піднялась у повітря і у безвітряну погоду, описавши еліптичну траєкторію довжиною 8 км за 23 хвилини, повернулась в точку старту. Цього було досягнуто вперше. Не дивлячись на успіх, майор Кребс встановив, що застосування електричного двигуна мало виправдовувало себе через громіздкість та короткотерміновість роботи гальванічних елементів, що його живлять.

Рис. 13 Алюмінієва повітряна куля Шварца

12 червня 1897 року німецький дослідник Вельферт здійснив трагічну спробу злетіти на кулі “Deutschland” обладнаній бензиновим двигуном. Двигун розміщувався в бамбуковій галереї, що кріпилась до самої кулі. Він мав обертати двигун з алюмінієвими лопатями. Незабаром, після підйому, куля вибухнула, забравши життя всіх дослідників. Причиною вибуху був або перегрів двигуна, або витік водню з оболонки, і займання його поблизу двигуна.
На останок варто згадати про цільнометалеву  конструкцію керованої повітряної кулі австрійського винахідника Давида Шварца. Пропрацювавши довгий час над своїм винаходом, Шварц звернувся  з ним у прусський відділ військових кораблів, так як австрійське військове міністерство не проявило зацікавленості. Проект Шварца був досить дорогим задоволенням, оскільки оболонка кулі виготовлялась з алюмінію. Особливістю кулі було те, що вона з’єднувалась з гондолою міцно, а не на мотузках. Куля мала форму горизонтального циліндра з загостреними кінцями. Вага  оболонки сягала 4 т, але, не дивлячись на це, куля могла підняти досить велике навантаження. Шварц розробив також особливу технологію заповнення кулі воднем. Нажаль, дослідник не дожив до того часу, коли було здійснено перше підняття. Під час першого польоту 3 листопада 1897 року злетів ремінь з двигуна, який керував польотом, через що довелось повернутись на землю. Під час посадки куля отримала великі пошкодження, що зробили неможливим наступний зліт. Проте цей проект був найближчим до реалізації мети керувати польотом кулі.

Надіслано главою ассоціації вчителів фізики «Шлях освіти-ХХI» Чернецьким І.С.