Решение: Факторы полёта воздушного шара
Статья к заданиюУчебный материал по теме «Газы»
Прочитайте текст и выполните задания.
Текст 1. Легкие и тяжёлые газы
Известный медвежонок Винни-Пух успешно совершил полёт на воздушном шарике. История умалчивает, чем был наполнен шарик и какого он был размера, но всем точно известно, что он позволил Винни-Пуху подняться в воздух и остановиться точно на уровне дупла с пчёлами. Однако можно утверждать, что газ был намного легче воздуха. Как же узнать, будет ли шарик устремлён вверх или будет висеть на ниточке?
Есть простой способ, который помогает узнать, легче газ воздуха или тяжелее. С учётом состава воздуха принято считать, что его молярная масса равна 29 г/моль. А теперь, сравнив молярные массы (М) газов с этой величиной, мы сможем определить, как поведёт себя шарик, наполненный тем или иным газом. Например, молярная масса водорода М(H₂) = 2 г/моль, М(CH₄ – метан) = 16 г/моль, М(O₂ – кислород) = 32 г/моль, М(N₂ – азот) = 28 г/моль, а М(SO₂ – оксид серы(IV)) = 64 г/моль.
Текст 2. «Собачьи пещеры»
Одним из самых любимых мест для туристов всегда была Италия. В XVII–XIX веках отдельный интерес у них вызывала «Собачья пещера» под Неаполем. Гиды привозили экскурсантов к пещере и предлагали своими глазами понаблюдать за интересным, как им казалось, экспериментом. Для этого следовало в пещеру вместе с людьми завести собаку, и уже через короткий промежуток времени она теряла сознание.
Вход в такую пещеру – это узкое несквозное отверстие на склоне холма, которое ведёт к коротким ответвлениям длиной около десяти метров. Эти проходы идут вниз и заканчиваются небольшими полостями, внутри которых находятся мелкие «озерца» глубиной около 30 см, заполненные выделяющимся от вулканической деятельности углекислым газом. По сути, это замкнутое пространство с плохим воздухообменом.
Текст 3. Знакомьтесь – «сухой лёд»
Углекислый газ можно сжижать под давлением при температуре ниже –31,3 °С. Жидким CO₂ заряжены баллончики, которые используются в сифонах для газирования воды. Когда при надавливании пробивается затворная пластина, CO₂ выходит, очень быстро испаряется и поступает по газоотводной трубке в ёмкость с водой, насыщая её газом. При низкой температуре растворимость газа в воде повышается, а при высокой – снижается.
Углекислый газ может быть и твёрдым. Это происходит при t = –78,5 °С. В этом случае его называют «сухой лёд». Он находит широкое применение в морозильных установках, так как даёт более низкую температуру, чем обычный лёд, да и при таянии не превращается в жидкость, а сразу переходит в газообразное состояние. При попадании в воду начинается бурная реакция, которая сопровождается бурлением из-за выделения газа.
Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка
Опираясь на материал «Лёгкие и тяжёлые газы», определите факторы, которые необходимо учитывать, чтобы Пятачок смог повторить полёт Винни-Пуха и остановиться на уровне дупла.
Решение по шагам
4 шагаВоздушный шар поднимается благодаря выталкивающей силе, которая зависит от объёма вытесняемого воздуха. Поэтому необходимо учитывать объём шарика.
$$F_{\text{выт}} = \rho_{\text{возд}} g V$$Для подъёма важна общая масса системы: газа, оболочки шарика и пассажира. Поэтому масса тела Пятачка влияет на возможность полёта.
$$F_{\text{выт}} > mg$$Температура воздуха влияет на его плотность, а значит, и на выталкивающую силу. Поэтому её также следует учитывать.
$$\rho = \frac{m}{V}$$Высота дерева определяет только требуемую высоту подъёма, но не основные условия, от которых зависит возможность полёта. Материал оболочки в данном перечне не является необходимым фактором для расчёта результата.
Где здесь ошибаются
Выбрать высоту дерева как фактор, определяющий подъёмную силу.
Не учитывать массу пассажира.
Считать, что объём шарика не влияет на выталкивающую силу.