Как регулируют высоту подъёма воздушного шара, наполненного горячим воздухом?

Для регулирования высоты подъёма воздушного шара, наполненного горячим воздухом, необходимо учитывать принципы действия теплового воздуха, роль силы Архимеда, а также влияние массы шара и окружающей среды. Теоретическую основу регулирования высоты подъёма можно рассмотреть, опираясь на законы физики.

Принцип действия воздушного шара:
Воздушный шар, наполненный горячим воздухом, поднимается вверх благодаря действию силы Архимеда. Сила Архимеда возникает из−за разности плотностей горячего воздуха внутри шара и холодного воздуха снаружи. Она направлена вверх и равна весу вытесненного наружного (охлаждённого) воздуха.

Закон Архимеда:
Согласно закону Архимеда, на тело, погружённое в жидкость или газ, действует подъёмная сила, равная весу жидкости (или газа), вытесненной телом. Для воздушного шара это означает, что подъёмная сила определяется массой холодного воздуха, который вытесняет горячий воздух внутри оболочки шара.

Формула силы Архимеда:
$$ F_A = \rho_{\text{внеш}} \cdot V \cdot g $$
где:
− $ F_A $ — подъёмная сила Архимеда,
− $ \rho_{\text{внеш}} $ — плотность воздуха снаружи шара,
− $ V $ — объём шара,
− $ g $ — ускорение свободного падения.

Плотность воздуха:
Плотность воздуха зависит от температуры, давления и высоты над уровнем моря. При увеличении температуры плотность воздуха уменьшается. В воздушном шаре горячий воздух внутри имеет меньшую плотность, чем холодный воздух снаружи, что создаёт подъёмную силу.

Условие подъёма:
Для того чтобы воздушный шар поднимался, подъёмная сила должна быть больше силы тяжести, действующей на шар. Сила тяжести включает массу оболочки шара, массы корзины, груза, а также веса нагретого воздуха внутри шара. Если подъёмная сила равна силе тяжести, то шар будет находиться в состоянии покоя на определённой высоте, а если меньше — начнёт опускаться.

Регулирование высоты:
Высоту подъёма шара можно регулировать двумя способами:
1. Изменение температуры воздуха внутри шара:
− Если нагреватель увеличивает температуру воздуха внутри шара, плотность воздуха уменьшается, что увеличивает подъёмную силу Архимеда. В результате шар поднимается.
− Если нагреватель выключается или слабее работает, воздух внутри шара остывает, его плотность увеличивается, подъёмная сила уменьшается, и шар опускается.

1. Изменение массы шара:
   • Для спуска можно добавить балласт (например, сбросить груз из корзины), что уменьшает общий вес шара.
   • Для подъёма можно сбросить часть массы (например, выбросить ненужные предметы или песок).

Взаимодействие с окружающей средой:
Разница в температуре воздуха внутри шара и снаружи влияет на подъёмную силу. Если шар поднимается на большую высоту, температура окружающего воздуха и его плотность уменьшаются, что может повлиять на подъёмную силу. Для компенсации этих изменений используют нагреватель для поддержания оптимальной температуры воздуха внутри шара.

Потери тепла:
Энергия нагретого воздуха постепенно теряется через оболочку шара. Чтобы поддерживать подъём, требуется постоянный подогрев воздуха. Если подогрев недостаточен, шар начнёт опускаться.

Таким образом, высота подъёма воздушного шара регулируется путём изменения температуры воздуха внутри шара и массы системы. Основные законы, которые описывают этот процесс, включают закон Архимеда, понятие плотности воздуха и условия равновесия сил.