Почему, когда бумажный конус наполняется тёплым воздухом, он поднимается вверх (рис. 52)?

рис. 52

Для объяснения явления, показанного на рисунке, важно изучить теоретические аспекты, связанные с тепловыми процессами, плотностью воздуха и действием сил на тела. Рассмотрим эту ситуацию поэтапно, применяя основные законы физики:

1. Тепловое расширение воздуха:
   Когда воздух нагревается, его температура повышается. При этом, согласно закону теплового расширения, молекулы воздуха начинают двигаться быстрее, увеличивая среднее расстояние между ними. Это приводит к увеличению объёма воздуха, но его масса остаётся неизменной. Следовательно, плотность нагретого воздуха (отношение массы к объёму) уменьшается.

2. Плотность и подъёмная сила:
   Согласно закону Архимеда, любой объект, находящийся в газе или жидкости, испытывает подъёмную силу, равную весу вытесненного вещества. Холодный воздух, имеющий более высокую плотность, оказывает большую подъёмную силу на нагретый воздух. В результате, нагретый воздух, имеющий меньшую плотность, стремится подняться наверх, вытесняя холодный воздух.

3. Создание подъёмной силы для бумажного конуса:
   Бумажный конус наполняется нагретым воздухом, который становится легче окружающего холодного воздуха. Таким образом, конус испытывает действие подъёмной силы, направленной вверх. Эта сила превышает силу тяжести, действующую на конус, и поэтому конус начинает подниматься.

4. Роль теплового источника:
   Источник тепла (например, свеча или спиртовая горелка) нагревает воздух непосредственно под конусом. Нагретый воздух устремляется вверх из−за разности плотностей с окружающим холодным воздухом. Это создаёт область с более низкой плотностью, которая "толкает" конус вверх.

5. Баланс сил на конусе:
   На конус действуют две основные силы: сила тяжести (направлена вниз) и подъёмная сила (направлена вверх). Когда подъёмная сила становится больше силы тяжести, конус начинает подниматься.

6. Заключение:
   Основной причиной подъёма бумажного конуса является уменьшение плотности воздуха внутри конуса при нагревании. Воздух внутри становится легче холодного воздуха снаружи, и подъёмная сила, возникающая из−за разности плотностей, поднимает конус вверх.

Эта ситуация хорошо иллюстрирует действие закона Архимеда в газах и демонстрирует принцип теплового расширения.