Как все устроено: пассажирский воздушный шар. Почему воздушные шары летают

Почему летают шары с гелием?

Казалось бы, очень простой вопрос, но иногда он ставит в тупик. Скорее всего, потому, что в школе нам это объясняли сухим языком цифр на скучных уроках. Но сегодня мы хотим веселые воздушные шары, и нас мучают простые вопросы о том, как долго они могут летать и какой вес они смогут поднять. Значит, нужно поближе познакомиться с некоторыми свойствами гелия.

Гелий - это газ. Им наполняется воздушный шарик. Это газ намного легче воздуха. Один кубический метр воздуха, который состоит из смеси разных газов, весит 1,293 кг, а один кубический метр гелия 0,178 кг. Получается, гелий легче воздуха 7,26 раза . Так же выходит, что один кубический метр гелия может поднять 1,115 кг , то есть чуть больше килограмма.

Выходит, что шары летают потому, что они заполняются газом гелием, который в 7,26 раза легче воздуха. Получается, шар подобно пузырьку воздуха в воде, который со дна поднимается вверх. Конечно, существует еще и такой газ как водород, его подъемная сила еще больше. Однако, использовать его нельзя, в отличии от гелия, он взрывоопасен и горюч. Вместо радости и восторга мы можем получить ожоги, пожары, травмы и летальный исход. Но вот интересно, какой вес может поднять этот шарик?

Объем стандартного шара, размером 30 сантиметров, составляет около 14 литров. Поэтому, гелий, который заполняет весь объем шара, может поднять около 15,61 грамм. Но, сам шар тоже имеет свой вес, который составляет порядка 3 грамм. Поэтому в результате на шарике мы можем поднять лишь 12,61 грамм.

Однако, мы живем не в идеальном мире и на практике подъемная сила стандартного шара не превышает 10 грамм. Причин тому много, самая главная заключается в том, что гелий очень быстро просачивается сквозь стенки шара, поэтому сразу же после надувания шарик теряет подъемную силу. На практике, после надувания обычный шар, размером 30 сантиметров, перестанет летать через 12-18 часов.

Конечно, шар можно обработать специальным составом, чтобы тот терял гелий значительно медленнее, однако и состав имеет свой вес и эффект наступает после его застывания, а за это время шарик успевает «похудеть». Но когда эффект все-таки наступит шар сможет продержаться в воздухе от 3 до 30 суток. Поскольку в нем будет сохранятся гелий в количестве, которое сможет обеспечить подъемную силу большую, чем вес самого шара.

Но вот теперь мы подходим к самому интересному вопросу, а сколько нужно шариков, чтобы поднять в воздух человека? Если ваш вес 70 килограмм, то путем несложных математических расчетов, мы можем прийти к выводу, что для этого требуется 7000 (семь тысяч) воздушных шаров.

Опять же, после надувания шаров, они начнут терять подъемную силу сразу же. На надувание 7000 шаров, команде из 4х человек потребуется весь день, а может быть и вся ночь. Поэтому реально, шариков может потребоваться гораздо больше. Значит, для поднятия человека нужна большая команда, и огромное количество шаров с запасом. Думаю, десяти тысяч шариков (!!!) вполне достаточно для того, чтобы поднять человека в воздух.

Но обычно, люди хотят поднять подарок весом 200. Теперь мы точно знаем, что 20 шаров имеют подъемную силу в 200 грамм. Однако, поднять 200 грамм они не смогу, подъемная сила скомпенсирует вес подарка и всего-то. Значит нам нужен как минимум 21 шар, чтобы подъемная сила в результате составила 10 грамм. Но, конечно, шары лучше взять с запасом, штук 25-30. Чтобы наверняка!

Получается, что шар летает поскольку он заполнен гелием, который в 7,26 раза легче чем воздух, стандартный шар имеет подъемную силу около 10 грамм и способен летать 12-18 часов без обработки, от 3 до 30 суток с обработкой.

Воздушные шары поднимаются вверх, потому что заполняющий их газ легче окружающего воздуха. Многие газы, в частности водород и гелий, имеют меньшую плотность, чем воздух. Это означает, что при данной температуре они имеют меньшую массу единицы объема, чем воздух.

Когда столь легкие газы закачаны в воздушный шар, он будет подниматься до тех пор, пока общий вес оболочки с газом, корзины, груза и тросов будет меньше, чем вес воздуха, вытесненного воздушным шаром. (Поскольку воздух рассматривается в физике подобно жидкой среде, здесь применяется тот же самый закон, что и для тел, погруженных в жидкость.) Горячий воздух, имеющий меньшую плотность по сравнению с холодным, также поднимается вверх. Несмотря на то, что горячий воздух не столь легок, как некоторые газы, он более безопасен и легко воспроизводим пропановыми горелками, установленными под горловиной оболочки воздушного шара, которую обычно изготавливают из легкой ткани, такой, как упрочненный нейлон. Заполненные горячим воздухом воздушные шары обычно остаются в полете в течение нескольких часов, но без дополнительного подогрева воздуха внутри оболочки они будут постепенно терять высоту.

Молекулы при разной температуре

• Когда воздух холодный, молекулы движутся медленно и располагаются близко друг к другу.
• Когда воздух нагревается, мо лекулы начинают двигаться быстрее и расходятся в стороны, заполняя больший объем.
• Так как нагреваемый воздух продолжает расширяться, он становится менее плотным.
• При охлаждении воздуха его молекулы теряют свою скорость, объем уменьшается, а плотность увеличивается.

1. Воздушный шар лежит на боку. Пропановые горелки нагревают воздух внутри оболочки, который заставит ее раздуться и подняться вверх.
2. Горячий, легкий воздух (рисунок под текстом) поднимается внутри оболочки вверх и затем стекает вниз вдоль ее стенок. Холодный воздух выдавливается через горловину, вес оболочки с воздухом уменьшается и воздушный шар поднимается вверх.
3. Пилоты поддерживают или увеличивают высоту полета путем периодического включения горелок. До тех пор, пока воздух внутри оболочки горячее наружного, подъемная сила преодолевает силу притяжения.
4. Воздушный шар снижается по мере того, как заполняющий его воздух охлаждается и сжимается. Пилоты могут ускорить снижение, выпуская горячий воздух через отверстие в верхней части воздушного шара.

Взаимодействие давления, объема и температуры

Взаимозависимость трех параметров. Давление, объем и температура газа взаимосвязаны. При комнатной температуре (ближний рисунок справа) движение молекул газа внутри сосуда создает определенное давление. Если объем > меньшей наполовину (средний рисунок справа), внутреннее давление удваивается. Когда воздух нагревается (дальний рисунок справа) , его давление возрастает и объем увеличивается пропорционально росту температуры.

У каждого взрослого в глубине души лежит воспоминание о ярком воздушном шарике, рвущемся в небо. Наверное, поэтому и сейчас подаренный шар дарит хорошее настроение и улыбку.

Воздушный шарик является непременным атрибутом дней рождений, свадеб и любых других торжеств. А уж детский праздник представить без него абсолютно невозможно. В чем же заключается его волшебство? Может быть, в стремлении ввысь, в легкости, с которой он поднимается к небу?

Волшебство воздушного шарика

Современные шарики, умеющие летать, наполняют газом. Его плотность значительно меньше плотности воздуха, что позволяет ему взлетать все выше и выше. Газ, имеющий меньшую плотность, заполняет внутреннее пространство шарика и на него действует выталкивающая сила воздуха.

Самые обычные шарики можно надуть ртом. Но такие шары не могут лететь вверх, так как плотность углекислого газа, выдыхаемого человеком, ниже плотности воздуха. Для полета им требуется ветер. А вот легкий газ позволяет шарику самостоятельно устремляться вверх.

Как шарик научился летать

История появления воздушных шаров насчитывает не одну сотню лет. Существуют упоминания о мешках из выделанной карельскими умельцами кожи быков, наполненных теплым газом, с помощью которых они перемещались на небольшие расстояния. Датируются эти свидетельства XII веком, однако точных подтверждений их истинности ученые не обнаружили.

А вот документально подтвержденная хроника рождения воздушных шаров:

1. Прадедушками воздушных шариков стали результаты эксперимента Майкла Фарадея, в результате которых он создал мешки из каучука, наполненные водородом. Именно они стали применяться в качестве украшений праздников, летая в воздухе на радость людям.
2. Уже через год в продаже появились наборы из серии «сделай сам», представляющие собой тюбик жидкого каучука и баллончик с газом. Дети получили свои первые надувные игрушки.
3. В 1922 году произошло несчастье, которое, тем не менее, способствовало развитию «шариковой» индустрии. Во время городского праздника взорвались шары, наполненные водородом. С тех пор опасный горючий газ перестали использовать и подключили к развлечению абсолютно безопасный гелий.
4. 1931 год стал годом рождения латексных шариков. Теперь стало можно создавать шары различной формы на радость детям.

Сейчас шарики выпускаются не только из латекса, но и из фольги — различной формы и размеров. Для надувания используется гелий или смесь гелия и воздуха, гарантирующая полную безопасность и придающая шарикам возможность улетать далеко в небо.

Довольно часто можно услышать мнение о том, что газ является опасным веществом. Это не верное утверждение. Почему же оно так часто "бытует"?

Дело в том, что у слова "газ", как и у многих других слов в русском языке, существует несколько значений (дефиниций). В своём "главном" значении газ - это состояние вещества (любое вещество может быть твёрдым, жидким и газообразным). А в одном из дополнительных значений, под понятием газ - подразумевается бытовой горючий газ, используемый в горелках газовых плит (как правило, это метан, ).

Какой газ используется для накачки воздушных шариков? Если шарик "летает" - то можно быть уверенным, что он надут не тем газом, который подаётся к газовым плитам. Поддерживать шарик в воздухе способен только очень лёгкий газ, который гораздо легче воздуха. Пропан и бутан тяжелее воздуха, и шарик лежал бы на полу. Метан немного легче воздуха, но всё же его подъёмной силы не хватило бы, чтобы поднять в небо "обычный", небольшой воздушный шарик: только огромный шар, наполненный метаном мог бы подняться над землёй - и то крайне "вяло": он имел бы очень малую подъёмную силу.

Какой же газ способен запросто поднять в воздух любой или ? Таких газов только два: это водород и гелий. Эти оба газа являются элементарными веществами и значатся в периодической системе Д. И. Менделеева под номерами 1 и 2. По степени распространённости во Вселенной - аналогично: водород занимает первое место, а гелий - второе. По "лёгкости" - эти газы так же занимают первое и второе места (водород самый лёгкий, а гелий - лишь чуть- чуть тяжелее) и намного превосходят все другие газы. По размеру атомов - они тоже лидеры, хотя тут немного наоборот: самый маленький атом у гелия, а водород занимает второе место.

Но на этом сходство между этими газами похоже, исчерпано. Водород - очень активный элемент, чрезвычайно горючий и взрывоопасный: даже более опасный, чем бытовой пропан. А гелий - абсолютно инертный газ, который не вступает в реакцию ни с одним известным веществом, следовательно он не может гореть или поддерживать горение, а так же не может вызвать отравление. По Российским и Европейским стандартам, а так же в соответствии с правилами пожарной безопасности для накачки воздушных шаров используется исключительно гелий, либо обычный воздух. ()

Безопасно ли вдыхать гелий из воздушного шарика? Вполне безопасно, если конечно речь идёт о самом гелии, а не бактериях или иных побочных факторах, которые могут при этом присутствовать. Гелий, в химическом смысле ещё более "нейтральный", чем азот, из которого по большей части состоит земная атмосфера. Гелий, как компонент дыхательной смеси используют аквалангисты при работе на большой глубине, поскольку он практически не растворяется в крови человека.

Почему воздушные шары на солнце мутнеют, сдуваются, лопаются? И что с этим делать?

Наступило лето, господа - товарищи, и наступили традиционные летние вопросы: На улице, летом, особенно в солнечную погоду: почему воздушные шары быстро мутнеют и теряют свой внешний вид? почему гелиевые шары быстро сдуваются? почему воздушные шары так не долго живут и так быстро лопаются? и как с этим бороться? Хорошие, летние вопросы, традиционные для первого года работы в аэродизайне. Давайте разберемся, по порядку и не торопясь.

Толстый латекс - тонкий латекс

Шары разных производителей имеют разную толщину стенок. Например, итальянские и мексиканские шары имеют тонкие стенки, а шары колумбийского розлива - имеют более толстые стенки. Так же, толщина стенок шара, зависит от размера надутого воздушного шара: если шар передуть, т.е. надуть до диаметра, превышающего оптимальный, то стенки шара станут тоньше. Свойства надутого воздушного шара зависят от толщины материала стенок шара, т.е. от толщины латекса шара.

Механическая прочность шаров

Чем толще стенки воздушного шара, тем он устойчивей к механическим повреждениям: проколам, царапанью, истиранию и т.д. Шары, которые находятся на улице, постоянно собирают на себе пыль, содержащую абразивные частицы. Если шары соприкасаются друг с другом, и, благодаря ветру, трутся друг об друга, то они постоянно получают эти самые механические повреждения. Шары с тонкими стенками лопаются чаще и быстрее, чем шары с толстыми стенками.

Сдувание шаров

Латекс, из которого делают воздушные шары является пористым материалом, т.е. он имеет открытые поры, через которые может проникать газ. Газ, находящийся внутри надутого шара, находится под давлением, которое больше атмосферного давления (иначе шар не раздуть). Поэтому газ, находящийся внутри надутого шара, выдавливается наружу через поры латекса (а не наоборот!). Когда газ покидает шар, тогда давление внутри шара снижается, упругий латекс сжимается и шар уменьшается в размерах - сдувается. Чем меньше молекулы газа, тем они быстрее покидают шар. Поэтому гелиевые шары сдуваются быстрее чем шары, надутые воздухом. Чем толще стенки шаров, тем медленнее происходит истечение газа из шара. В местах механических повреждений (микроцарапин) толщина стенок значительно уменьшается, поэтому поцарапанные шары сдуваются быстрее, чем целые шары. Чем выше температура окружающей среды, тем активнее ведут себя молекулы газа, находящегося внутри надутого шара. Поэтому, с ростом температуры, возрастает и скорость сдувания шаров.

Окисление латекса

Основным фактором, разрушающим воздушные шары является кислород, содержащийся в атмосфере. Молекула латекса, вступившая в химическую реакцию с кислородом распадается на две короткие части - явление деструкции. У окисленного латекса снижается эластичность и увеличивается липкость, а так же возрастает количество пор. Окисление латекса происходит во внешнем слое надутого шара и продвигается во внутрь. Последствия окисления латекса называются его старением. Визуально окисление латекса проявляется в потере блеска (отражающей способности) и появлению белого налета на поверхности шара. Этот налет - и есть зола от сгоревшего (окисленного) латекса. По своему действию окисление истончает стенки воздушного шара и делает их липкими. Поражающие факторы Основными факторами, вызывающими сокращение времени жизни и/или уничтожающими воздушные шары на улице являются окисление латекса и пыль. Все, что усиливает действие этих факторов на воздушные шары называется поражающими факторами.

Температура окружающего воздуха

Чем выше температура вокруг воздушного шарика, тем активней происходит его окисление, т.е. с повышением температуры растет скорость этой химической реакции и стенки шара истончаются быстрее. Так же, чем выше температура, тем активней газ покидает шар через поры латекса. При понижении температуры окисление латекса и истечение газа из шара замедляются. Шары темных оттенков кажутся таковыми, потому что они больше поглощают светового излучения, чем отражают. Шары светлых оттенков наоборот: больше отражают света, чем поглощают. Поэтому, при прочих равных условиях, темные шары нагреваются больше, чем светлые шары. И именно поэтому, темные шары лопаются или сдуваются первыми.

Ветер

При обдуве шара воздухом (уличные ветры, работа вентиляторов и кондиционеров в помещениях, сквозняки в помещениях), количество кислорода, участвующего в окислении шаров увеличивается и скорость старения латекса так же увеличивается. Чем сильнее ветер будет обдувать шар, тем быстрее будут истончаться его стенки. При обдувании шаров на улице, сильные ветры обязательно принесут к шарам больше уличной пыли. При отсутствии обдува шаров, окисление латекса замедляется. Также сокращается количество пыли, которую собирают на себе воздушные шары.

Солнечный свет

Солнечное излучение в своем спектре содержит значительную долю ультрафиолетового излучения. Там все сложно: в составе УФ излучения есть и мягкий ультрафиолет (от которого мы загораем), есть и жесткий ультрафиолет, который вызывает солнечные ожоги, есть немножко коротковолнового излучения, от которого можно ослепнуть, ну это не важно. Важно то, что невидимая часть солнечного излучения, которая называется ультрафиолетовым, весьма активизирует атмосферный кислород. Этот возбужденный кислород очень активно соединяется с латексом, так что шары умирают за пару часов. Летом, и особенно, когда Солнце находится в зените, на Землю обрушивается мощный поток УФ излучения, который на раз убивает воздушные шары. В это время даже загорать не рекомендуется, какие тут шары... Наоборот, когда облачно, или когда Солнце стоит низко над горизонтом (или зимой), поток УФ излучения мал и особого действия на шары не оказывает.

Озон

При воздействии на кислород УФ излучения (солнечный свет, УФ-подсветка в ночных клубах, бактерицидные УФ лампы в медицинских учреждениях), а так же при воздействии на кислород электромагнитных полей большой напряженности (высоковольтные линии электропередач, или состояние природы перед грозой), кислород возбуждается настолько, что часть двух-атомарных молекул кислорода распадается на части, которые присоединяются к другим молекулам. Таким образом получатся газ озон - трех-атомарный кислород. Озон не стабилен, но пока кислород находится в возбужденном состоянии, какое-то количество озона в воздухе постоянно присутствует. Кстати, озон, в отличии от кислорода, имеет запах (можно понюхать работающий копировальный аппарат, чтобы вспомнить этот запах). Так вот озон - самый мощный разрушитель воздушных шаров. Если вокруг шара находится немного озона, то скорость окисления становится очень большой. Есть озон - нет шаров. Кстати, именно по этому, перед грозой шары быстро падают, все дело в озоне, а не в том, что шары боятся грозы.

Выводы

После всего того, что я написал выше, самым замечательным вариантом является отказаться от работы с шарами на улице летом. Кстати, иногда этой действительно лучше, чем терять свою репутацию, постоянно заменяя постоянно лопающиеся шары.

Но если, отказаться от летних уличных работ с воздушными шарами не представляется возможным, то рекомендуется придерживаться нескольких правил. Для уличных работ нужно использовать шары с максимально толстыми стенками. Это семпертекс или кваталекс, разумеется; бельгийские шары тоже хороши. Джемар, мексиканские, китайские шары, они поэтому и не дорогие, что латекса в них мало, и стенки у таких шаров тонкие. Даже при использовании качественных шаров, рекомендуется выбирать их на размер больше. Например, брать шары 12" а надувать их как шары 10". Это позволить увеличить толщину стенок, а значит позволит увеличить время жизни шаров.

При установке шаров на улице, если есть выбор, то использовать места защищенные от ветра и прямого солнечного излучения. При хранении и перевозке шаров рекомендуется использовать мешки, в которые упаковывать надутые шары или изделия из надутых шаров. Мешок защищает от обдува, от пыли и от прямого солнечного излучения. А темный мешок еще и защищает от завидущих глаз, что так же немаловажно.

По возможности, следует максимально заменять шары из латекса на фольгированные шары. Фольгированные шары на улице гораздо более живучи. Так же, следует избегать использования гелиевые шаров из латекса, и везде, где это возможно, заменять гелий на воздух.

Надеюсь, что данный материал окажется полезным.