Французские изобретатели братья Жозеф и Этьен Монгольфье построили воздушный шар, считая, что при горении образуется своеобразный газ, обладающий особым свойством летучести. Для получения этого газа они сжигали сырую солому в смеси с рубленой шерстью, позднее изношенную обувь и пр. Что на самом деле являлось причиной подъёма воздушного шара?

Для решения этой задачи важно понять физические принципы, которые объясняют подъем воздушного шара. Рассмотрим основные понятия:

1. Архимедова сила:
Когда любой объект погружается в газ или жидкость, на него действует сила, называемая архимедовой. Эта сила направлена вверх и равна весу вытесненного газа или жидкости. Если архимедова сила больше силы тяжести, действующей на объект, то объект поднимается.

2. Плотность:
Плотность вещества — это отношение массы к объему. Чем меньше плотность газа внутри воздушного шара по сравнению с окружающим воздухом, тем больше архимедова сила, которая действует на шар.
Формула плотности:
$$ \rho = \frac{m}{V}, $$
где $\rho$ — плотность, $m$ — масса, $V$ — объем.

3. Зависимость плотности газа от температуры:
Свойства газа описываются законом идеального газа, который связывает давление, объем и температуру. Согласно уравнению состояния идеального газа:
$$ pV = nRT, $$
где $p$ — давление, $V$ — объем, $n$ — количество молекул, $R$ — газовая постоянная, $T$ — температура (в Кельвинах).
При увеличении температуры газа его плотность уменьшается, так как молекулы начинают двигаться быстрее и расходятся дальше друг от друга. Это можно выразить через плотность:
$$ \rho = \frac{pM}{RT}, $$
где $M$ — молярная масса газа.

4. Механизм работы воздушного шара:
Воздушный шар работает благодаря тому, что внутри него находится нагретый воздух, плотность которого меньше, чем у окружающего холодного воздуха. Это происходит по следующим причинам:
− При нагревании воздух внутри шара расширяется.
− Плотность нагретого воздуха уменьшается.
− В результате воздушный шар вытесняет большее количество холодного воздуха, чем вес самого шара, и поднимается.

5. Источник тепла:
Чтобы нагреть воздух внутри шара, братья Монгольфье использовали горение соломы и других материалов. Это нагревало воздух, снижая его плотность, и заставляло шар подниматься. Важно отметить, что никакого "нового газа", как считали изобретатели, не образовывалось. Причиной подъема был именно нагретый воздух с уменьшенной плотностью.

6. Общий принцип подъема:
Воздушный шар поднимается до тех пор, пока архимедова сила, действующая на него, превышает силу тяжести, включающую вес самого шара, воздуха внутри него и корзины с пассажирами. Если температуры внутри шара недостаточно для создания нужной разницы плотностей, шар не поднимается.

Заключение:
Физическая причина подъема воздушного шара заключается в уменьшении плотности нагретого воздуха внутри шара, что приводит к возникновению архимедовой силы, достаточной для подъема конструкции.