§ 178. Воздушные шары и дирижабли

Полет воздушного шара или дирижабля в воздухе напоминает плавание подводной лодки под водой. Если масса всего летательного аппарата, сложенная с массой газа, заполняющего оболочку, меньше массы воздуха в объеме, вытесняемом аппаратом, то шар поднимается вверх: если эти массы равны, шар неподвижно висит в воздухе; если масса аппарата с газом больше массы вытесняемого воздуха, шар опускается. Таким образом, для того чтобы полет был возможен, масса самого летательного аппарата без газа должна быть меньше или в крайнем случае равна разности масс легкого газа, заполняющего оболочку, и воздуха в том же объеме.

Хотя, как мы видим, закон Архимеда для газов объясняет полет воздушного шара, выталкивающая сила возникает здесь не так, как в случае твердого тела, находящегося в газе. В самом деле, рассмотрим подробнее, какие силы действуют на оболочку воздушного шара, наполненного легким газом, например водородом. Нижнюю часть оболочки воздушного шара оставляют открытой (рис. 300); давление водорода у нижнего отверстия равно давлению воздуха. Давление воздуха и давление водорода уменьшаются с высотой; значит, как давление воздуха, так и давление водорода на разных участках оболочки будут меньше, чем давление у нижнего отверстия; но, как мы видели (§ 175), давление более легкого водорода убывает с высотой медленнее, чем давление воздуха. Поэтому на оболочку изнутри будет действовать большее давление, причем наибольшая разница давлений водорода и воздуха получится в верхней части оболочки. Следовательно, сила, действующая на купол оболочки изнутри и направленная снизу вверх, будет больше силы, действующей снаружи и направленной сверху вниз; разность между этими силами и уравновесит вес шара, т. е. оболочки, корзины и груза. Таким образом, выталкивающая сила создается здесь не благодаря разности давлений на нижнюю и верхнюю части тела (как в случае твердого тела), а благодаря разности давлений изнутри и снаружи на верхнюю часть оболочки.

Рис. 300. Стрелки, идущие внутрь шара, изображают силы давления наружного воздуха на оболочку; стрелки, идущие наружу, — силы давления газа, наполняющего оболочку

В начале полета шар наполнен водородом настолько, что выталкивающая сила превосходит силу тяжести: вес вытесняемого воздуха больше веса шара и заполняющего его газа, и шар летит вверх. Когда шар достигает слоев воздуха с меньшим давлением, водород расширяется и часть его может выйти через нижнее отверстие наружу. Таким образом, на высоте уменьшается и наружное давление воздуха, и давление водорода внутри шара; уменьшается и равнодействующая сил этих давлений, т. е. выталкивающая сила.

Наконец, на некоторой высоте шар останавливается в равновесии — «вывешивается». Вес вытесняемого воздуха на этой высоте как раз равен весу шара с находящимся в нем газом. Для того чтобы опуститься на землю, следует выпустить из оболочки часть газа, уменьшив таким образом вытесняемый объем воздуха. Для этого в верхней части баллона имеется клапан, который можно открыть при помощи веревки из корзины шара. При открывании клапана газ, имеющий, как мы видели, большее давление, чем окружающий воздух, выходит наружу. Клапан в нижней части оболочки не выпускал бы газ, так как давления водорода и воздуха здесь одинаковы.

Первые воздушные шары, «монгольфьеры», изобретенные в 1783 г. во Франции братьями Монгольфье, наполнялись горячим воздухом. Газы расширяются при нагревании; поэтому масса нагретого воздуха в шаре меньше массы вытесненного холодного воздуха. Но уменьшение плотности невелико: при нагревании от  до  — всего на 27%. Таким образом, на вес оболочки, корзины, экипажа и полезного груза приходится в монгольфьере всего 27 % веса воздуха, вытесняемого оболочкой. Поэтому даже очень большие шары монгольфьеры имели малую выталкивающую силу.

Вскоре после изобретения монгольфьеров французский физик Жак Шарль (1746 — 1823) предложил наполнять воздушные шары водородом, плотность которого в четырнадцать раз меньше плотности воздуха. Водородный воздушный шар имеет гораздо большую выталкивающую силу, чем монгольфьер такого же размера.

Большой недостаток водородных аэростатов — горючесть водорода, образующего с воздухом взрывчатую смесь. Поэтому, когда были открыты большие природные источники негорючего легкого газа гелия, то воздушные шары и дирижабли стали иногда заполнять гелием. Наполнив шар гелием вместо водорода, мы утяжелим шар на 1/14 его полного веса. На эту величину уменьшится вес полезного груза. На вес оболочки, корзины, экипажа и полезного груза приходится в водородном шаре 13/14, а в гелиевом — 6/7 веса вытесняемого воздуха. Добавочный вес заметно уменьшает высоту, на которой шар данного размера «вывесится», т. е. понижает «потолок» шара. Поэтому огромные воздушные шары, предназначенные для полетов на большие высоты (стратостаты), наполняются водородом.

В начале XX века были произведены первые практические опыты с управляемыми воздушными шарами — дирижаблями, снабженными двигателями и воздушными винтами. Во время мировой войны 1914— 1918 гг. дирижабли играли уже значительную роль. Однако дирижабли не могут конкурировать по надежности, простоте управления и скорости с самолетами.

Дирижаблю придается удлиненная «обтекаемая» форма, чтобы сопротивление воздуха при поступательном движении было возможно меньшим (рис. 301). Некоторые типы дирижаблей имеют металлический каркас («цеппелины»). Другие типы дирижаблей сохраняют свою форму благодаря тому, что давление газа внутри оболочки поддерживается все время несколько большим, чем наружное атмосферное давление. Главное преимущество дирижаблей по сравнению с самолетами — способность неподвижно висеть в воздухе и подниматься и опускаться по вертикали, не работая при этом моторами.

Рис. 301. Дирижабль

178.1. Масса оболочки, корзины и снаряжения воздушного шара объема  равна 800. Найдите массу груза, который может поднять шар при заполнении его водородом или гелием. Плотности водорода, гелия и воздуха равны соответственно .