Номер 5, страница 173 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Проекты и исследования. Итоги главы 3. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 5, страница 173.

5. «Выталкивающая сила» (изготовление модели, макета и объяснение принципов действия воздушного фонарика, воздушного змея).

Решение

В данном вопросе рассматриваются принципы действия и изготовление моделей двух летательных аппаратов: воздушного фонарика и воздушного змея. Хотя оба объекта способны подниматься в воздух, физические явления, обеспечивающие их полет, принципиально различаются.

Воздушный фонарик

Принцип действия воздушного фонарика основан на законе Архимеда применительно к газам. Согласно этому закону, на любое тело, находящееся в газе, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вертикально вверх и равная по модулю весу газа, вытесненного этим телом.

Формула для силы Архимеда ($F_A$):

$F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V$

где $\rho_{окр}$ – плотность окружающего холодного воздуха, $g$ – ускорение свободного падения, $V$ – объем фонарика.

На фонарик действует сила тяжести ($F_g$), которая складывается из веса его оболочки и рамы ($m_{фон}$) и веса горячего воздуха внутри него ($m_{гор.возд}$):

$F_g = (m_{фон} + m_{гор.возд}) \cdot g = (m_{фон} + \rho_{внутр} \cdot V) \cdot g$

где $\rho_{внутр}$ – плотность нагретого воздуха внутри фонарика.

При нагревании воздуха с помощью горелки его плотность уменьшается ($\rho_{внутр} < \rho_{окр}$). Для того чтобы фонарик взлетел, выталкивающая сила Архимеда должна превысить суммарную силу тяжести:

$F_A > F_g$

$\rho_{окр} \cdot g \cdot V > (m_{фон} + \rho_{внутр} \cdot V) \cdot g$

Условие подъема можно переписать как: $(\rho_{окр} - \rho_{внутр}) \cdot V > m_{фон}$.

Таким образом, подъемная сила создается за счет разности плотностей между горячим воздухом внутри купола и более холодным (и плотным) воздухом снаружи.

Изготовление простой модели:

• Материалы: тонкая, легкая бумага (например, калька или папиросная бумага), легкая проволока (для каркаса основания), вата и парафин (или сухое горючее) для горелки.
• Процесс:
  1. Из листов бумаги склеивается большой купол. Чем больше объем купола, тем большей будет подъемная сила.
  2. Из проволоки делается легкий обод (например, круглый), который крепится к нижнему краю бумажного купола.
  3. К ободу крест-накрест прикрепляется проволочная перекладина, в центре которой размещается небольшая горелка (например, комочек ваты, пропитанный расплавленным парафином).
  4. Перед запуском купол расправляют, зажигают горелку и держат фонарик у земли, пока воздух внутри него достаточно не прогреется. Когда подъемная сила станет ощутимой, фонарик отпускают.

Внимание: Запуск воздушных фонариков требует соблюдения мер пожарной безопасности. Их следует запускать в безветренную погоду вдали от зданий, деревьев и легковоспламеняющихся объектов.

Ответ: Принцип действия воздушного фонарика основан на выталкивающей силе Архимеда. Нагретый внутри фонарика воздух имеет меньшую плотность, чем окружающий холодный воздух. Возникающая разность плотностей создает подъемную силу, которая, превысив вес конструкции фонарика, заставляет его подниматься вверх.

---

Воздушный змей

В отличие от фонарика, принцип полета воздушного змея не связан с архимедовой силой, так как его средняя плотность намного больше плотности воздуха. Полет змея обеспечивается за счет аэродинамической подъемной силы, которая возникает при обтекании его поверхности потоком ветра.

Принцип действия можно объяснить двумя способами:

1. На основе закона Бернулли. Воздушный змей устанавливается под определенным углом (углом атаки) к набегающему потоку воздуха (ветру). Из-за формы змея и угла атаки воздух, обтекающий его верхнюю поверхность, движется с большей скоростью, чем воздух, проходящий под нижней поверхностью. Согласно закону Бернулли, в областях с большей скоростью потока давление ниже. Таким образом, давление под змеем оказывается выше, чем давление над ним. Эта разница давлений создает силу, направленную перпендикулярно потоку, – аэродинамическую подъемную силу, которая и удерживает змея в воздухе.
2. На основе третьего закона Ньютона. Воздушный змей своей поверхностью отбрасывает набегающий поток воздуха вниз. Согласно третьему закону Ньютона («действие равно противодействию»), поток воздуха, в свою очередь, действует на змея с такой же по модулю и противоположной по направлению силой, то есть толкает его вверх и назад. Вертикальная составляющая этой силы и является подъемной силой.

На летящий змей действуют четыре основные силы:

• Сила тяжести ($F_g$) – направлена вниз.
• Аэродинамическая подъемная сила ($F_L$) – направлена перпендикулярно потоку ветра.
• Сила лобового сопротивления ($F_D$) – направлена по потоку ветра.
• Сила натяжения нити (леера) ($F_T$) – направлена вдоль нити к земле.

Для стабильного полета эти силы должны находиться в равновесии.

Изготовление простой модели (ромбовидный змей):

• Материалы: две легкие и прочные рейки (например, сосновые или бамбуковые), лист полиэтилена или прочной бумаги, прочная нить (леер), скотч, ткань для хвоста.
• Процесс:
  1. Две рейки (одна длиннее другой) складываются крестом. Короткая (горизонтальная) рейка располагается примерно на четверть длины от верхнего конца длинной (вертикальной) рейки. Место пересечения прочно скрепляется ниткой и клеем.
  2. По концам реек делается каркас из нити, образуя контур ромба.
  3. По этому контуру из полиэтилена или бумаги вырезается парус с небольшим припуском. Припуск загибается и приклеивается скотчем к каркасу из нити.
  4. Изготавливается "уздечка": нить привязывается к верхнему и нижнему концам вертикальной рейки. К точке на уздечке, которая обеспечивает нужный угол атаки, крепится леер (основная нить для запуска).
  5. К нижнему концу змея крепится хвост из полосок ткани или ленты. Хвост обеспечивает стабильность полета, смещая центр тяжести вниз и увеличивая лобовое сопротивление.

Ответ: Принцип действия воздушного змея основан на создании аэродинамической подъемной силы. Когда ветер обтекает поверхность змея, расположенную под углом к потоку, возникает разность давлений между нижней и верхней поверхностями (закон Бернулли). Эта разность давлений создает силу, направленную вверх и перпендикулярно ветру, которая преодолевает силу тяжести и удерживает змея в воздухе.