Номер 6, страница 170 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Ответь на вопросы. § 49. Плавание судов. Воздухоплавание. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 6, страница 170.

6. Как регулируют высоту подъёма воздушного шара с помощью горелки?

Как изменяется действующая на шар архимедова сила по мере его подъёма?

Решение
Архимедова (выталкивающая) сила, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ, определяется формулой Архимеда: $F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V_{тела}$
где $F_A$ — архимедова сила, $\rho_{окр}$ — плотность окружающей среды (в данном случае воздуха), $g$ — ускорение свободного падения, а $V_{тела}$ — объём тела (в данном случае объём воздушного шара).

Во время подъёма воздушного шара его объём $V_{тела}$ остаётся практически неизменным. Ускорением свободного падения $g$ также можно пренебречь, так как оно очень незначительно изменяется с высотой.

Ключевым фактором является плотность окружающего воздуха $\rho_{окр}$. С набором высоты атмосфера Земли становится всё более разреженной, то есть плотность воздуха уменьшается.

Так как архимедова сила $F_A$ прямо пропорциональна плотности окружающей среды $\rho_{окр}$, то по мере подъёма шара на большую высоту, где воздух менее плотный, действующая на шар архимедова сила будет уменьшаться.

Ответ: По мере подъёма воздушного шара действующая на него архимедова сила уменьшается, потому что с высотой уменьшается плотность окружающего воздуха.

Как регулируют высоту подъёма воздушного шара с помощью горелки?

Решение

Регулирование высоты полёта воздушного шара основано на управлении соотношением двух главных сил: направленной вверх архимедовой силы $F_A$ и направленной вниз силы тяжести $F_g$.

• Для подъёма необходимо, чтобы архимедова сила была больше силы тяжести ($F_A > F_g$).
• Для снижения необходимо, чтобы сила тяжести была больше архимедовой силы ($F_g > F_A$).
• Для зависания на постоянной высоте силы должны быть равны ($F_A = F_g$).

Архимедова сила $F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V$ зависит от плотности наружного воздуха $\rho_{окр}$, которая определяется высотой, и от объёма шара $V$. Эти параметры пилот напрямую не контролирует.

Сила тяжести $F_g = m_{общ} \cdot g$. Общая масса $m_{общ}$ складывается из постоянной массы (оболочка, корзина, оборудование, пассажиры) и массы воздуха внутри оболочки. Масса внутреннего воздуха равна $m_{внутр} = \rho_{внутр} \cdot V$. Именно на эту величину пилот может влиять с помощью горелки.
Когда пилот включает горелку, она нагревает воздух внутри оболочки. Согласно законам физики, при нагревании плотность газа уменьшается. Следовательно, плотность воздуха внутри шара $\rho_{внутр}$ падает. Это приводит к уменьшению массы внутреннего воздуха $m_{внутр}$, а значит, и к уменьшению общей силы тяжести шара $F_g$. Когда сила тяжести становится меньше архимедовой силы, шар начинает подниматься.

Чтобы снизиться, пилот либо даёт воздуху в оболочке остыть естественным путём, либо открывает специальный парашютный клапан в верхней части купола, чтобы быстрее выпустить горячий воздух. Остывание или выпуск горячего воздуха приводит к увеличению средней плотности воздуха внутри оболочки $\rho_{внутр}$. Общая сила тяжести $F_g$ возрастает и, когда она становится больше архимедовой силы $F_A$, шар начинает снижаться.

Для поддержания постоянной высоты пилот периодическими короткими включениями горелки поддерживает такую температуру воздуха внутри, при которой сила тяжести точно уравновешивает архимедову силу на данной высоте.

Ответ: Горелка нагревает воздух внутри шара, что уменьшает его плотность и общую силу тяжести. Для подъёма воздух нагревают, делая силу тяжести меньше архимедовой силы. Для снижения воздуху позволяют остыть (или выпускают его), увеличивая силу тяжести. Для удержания высоты поддерживают температуру, при которой обе силы равны.