почему нельзя применять паруса для управления полетом воздушного шара
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Уровень B
1. Приведите примеры относительно каких тел покоится плот, плывущий по течению? Относительно каких тел движется?
2. Может ли человек, находясь на движущемся эскалаторе метро, быть в покое в системе отсчета, связанной с землей?
3. Почему нельзя применять паруса для управления полетом воздушного шара?
4. Туристы плывут на плоту по реке, и один из них плавает вокруг плота. Изобразите траекторию движения пловца относительно:
а) наблюдателя на плоту,
б) наблюдателя, который находится на высоком обрыве около реки.
5. Изобразите траекторию движения точки обода велосипедного колеса при прямолинейном движении велосипеда по дороге в системах отсчета, жестко связанных:
а) с велосипедистом;
б) с наблюдателем, стоящим сбоку.
6. На рисунке 1 даны направления движения трех тел. Модули их скоростей относительно неподвижного наблюдателя соответственно равны: υ1 = 5 м/с, υ2 = 4 м/с, υ3 = 2 м/с. Применяя закон сложения скоростей, определите скорости движения тел относительно:
Соответствует ли полученный ответ вашей интуиции?
7. На рисунке 2 даны направления движения трех тел. Модули скоростей первого и второго тела относительно неподвижного наблюдателя соответственно равны: υ1 = 5 м/с, υ2 = 4 м/с. Скорость третьего тела относительно второго по модулю равна υ3 = 3 м/с. Определите скорость третьего тела относительно:
а) неподвижного наблюдателя;
8. Скорость пловца относительно воды 1,2 м/с. Скорость течения 0,8 м/с. Определите скорость пловца относительно берега, если пловец плывет по течению реки.
9. Скорость велосипедиста 36 км/ч, а скорость встречного ветра 4 м/с. Какова скорость ветра в системе отсчета, связанной с велосипедистом?
10. Определите скорость ветра, если двигатель самолета сообщает ему в безветренную погоду скорость равную 900 км/ч, а при встречном ветре 850 км/ч.
11. По дороге движутся автомобиль со скоростью 15 м/с и велосипедист со скоростью 5 м/с. Определите скорость их сближения, если:
а) автомобиль догоняет велосипедиста;
б) они движутся навстречу друг другу.
12. Эскалатор метро движется со скоростью 0,75 м/с. Найдите время, за которое пассажир переместится на 20 м относительно земли, если он сам идет в направлении движения эскалатора со скоростью 0,25 м/с в системе отсчета, связанной с эскалатором.
13. Два автомобиля движутся навстречу друг другу с равными скоростями по 80 км/ч каждая. За какое время расстояние между ними уменьшится на 10 км?
14. По двум параллельным железнодорожным линиям равномерно движутся два поезда: грузовой длиной 630 м со скоростью 48 км/ч и пассажирский длиной 120 м со скоростью 102 км/ч. В течение какого времени пассажирский поезд проходит мимо машиниста грузового, если поезда движутся:
а) в одном направлении;
б) навстречу друг другу?
15. Пассажир, сидящий у окна поезда, идущего со скоростью 72 км/ч, видит в течение 10 с встречный поезд. Длина встречного поезда 290 м. Определите его скорость.
16. Скорость течения 3 м/с, а рыбак может грести со скоростью 5 м/с при неподвижной воде. Определите время, необходимое рыбаку, чтобы спуститься на 40 м вниз по течению и на столько же подняться вверх.
Уровень C
1. Скорость движения теплохода относительно берега вниз по реке 20 км/ч, а вверх – 18 км/ч. Определите скорость течения относительно берега и скорость теплохода относительно воды.
2. Автоколонна длиной 1,2 км движется со скоростью 36 км/ч. Мотоциклист выезжает из головы колонны, доезжает до ее хвоста и возвращается обратно. Определите время, за которое мотоциклист преодолеет данное расстояние, если его скорость равна 72 км/ч.
3. Пловец, двигаясь относительно воды перпендикулярно течению со скоростью 5 км/ч, переплывает реку шириной 120 м. Скорость течения 3,24 км/ч. Определите:
а) скорость пловца относительно берега;
б) время, которое требуется пловцу, чтобы переплыть реку;
в) перемещение пловца относительно берега;
г) под каким углом к берегу плывет пловец?
4. Вертолет летел в безветренную погоду на север со скоростью 20 м/с. С какой скоростью и под каким углом к первоначальному направлению будет лететь вертолет, если подует западный ветер со скоростью 10 м/с?
5. На катере необходимо переплыть реку перпендикулярно берега. Какую скорость должен сообщить мотор катеру, чтобы при скорости течения реки, равной 1,2 м/с, катер двигался относительно берега со скоростью 3,2 м/с?
6. Пловец желает переплыть реку перпендикулярно берега. Под каким углом к течению он должен плыть, если скорость пловца относительно воды 1 м/с, скорость течения 0,8 м/с?
7. Скорость течения реки 4 км/ч, ширина ее 240 м. С какой скоростью относительно берега должен плыть пловец, чтобы переплыть реку за 15 мин, если его скорость относительно воды перпендикулярна берегу?
8. По двум взаимно перпендикулярным дорогам движутся равномерно грузовая и легковая машины со скоростями 36 км/ч и 72 км/ч соответственно. На каком расстоянии окажутся друг от друга машины через 10 мин после встречи у перекрестка?
9. В безветренную погоду вертолет двигался со скоростью 90 км/ч точно на север. Найдите скорость вертолета, если подул северо-западный ветер под углом 45° к направлению движения. Скорость ветра 10 м/с.
10. Наблюдатель на берегу определил значение скорости пловца, переплывающего реку, 2,0 м/с. Скорость была направлена под углом 60° к линии берега. Какова скорость пловца относительно воды, если скорость течения реки 1,0 м/с?
11. По двум пересекающимся под углом 60° дорогам движутся два автомобиля с одинаковыми скоростями, равными 72 км/ч. Через какое время после встречи у перекрестка расстояние между ними станет равным 3 км?
Почему нельзя применять паруса для управления полетом воздушного шара
Нельзя, так как скорость движения воздушного шара равна скорости ветра.
В системе отсчета «Земля» точка колеса, соприкасающаяся с рельсом, имеет мгновенную скорость, равную нулю. В сторону, обратную движению вагона, перемещаются точки реборды, находящиеся ниже точки соприкосновения колеса и рельса.
Задача легко решается в системе координат, связанной с одной из машин. Пусть В неподвижна. Тогда машина А относительно В как бы участвует в двух движениях: со скоростью v1 относительно земли и со скоростью вместе с землей. Построив параллелограмм (рис. 286), найдем скорость v0 машины А относительно неподвижной машины В. Длина перпендикуляра ВС и выражает наименьшее расстояние, на которое сближаются машины.
Путь за какую-нибудь секунду любого движения численно равен средней скорости за эту секунду. Так как поезд движется с ускорением а>0, то скорость его все время возрастает. Если к концу четвертой секунды скорость равна 6 м/с, то в начале четвертой секунды она была меньше 6 м/с. Следовательно, путь, пройденный поездом за четвертую секунду, меньше 6 м/с.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
А так ли хорошо знакомо вам движение жидкостей и газов? // Квант. — 1995. — №1. — С. 32-33.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Всякий легко согласится с тем, что
теория о силах и движениях жидкостей,
если только она не создана против воли Минервы,
не является ни бесполезной, ни тривиальной.
Даниил Бернулли
Содержание
Вопросы о движении жидкостей и газов или же о движении различных твердых тел в жидкостях и газах, прежде всего в воде и в воздухе, составляют суть специальной науки — гидроаэродинамики. А вести речь об обеих средах сразу разумно потому, что их движение описывается во многом одинаково.
Прав был Бернулли — наука эта очень непростая. А уж о пользе ее и говорить не приходится: с древнейших времен людей занимали проблемы движения воды по каналам и водопроводным трубам, строительство водяных и ветряных мельниц, а затем — и вопросы море- и воздухоплавания, авиации и ракетной техники.
Чем дальше, тем больше практика подталкивала теорию к поиску законов, «управляющих» движением двух стихий. А это заставляло браться за решение сложнейших задач таких выдающихся ученых, как И.Ньютон и Л.Эйлер, У.Томсон и Дж.Максвелл, Н.Жуковский и С.Чаплыгин. До сих пор важное практическое значение имеет закон, сформулированный более 250 лет назад в знаменитой «Гидродинамике» Даниилом Бернулли и носящий теперь его имя.
Попробуйте и вы воспользоваться известными вам закономерностями, касающимися движения воздуха и воды.
Вопросы и задачи
Микроопыт
Приклейте к пинг-понговому шарику нитку и, держа шарик за нее, коснитесь им струи воды из-под крана. Почему при отведении нитки шарик словно прилипает к струе?
Любопытно, что…
. сила действия струи воды на препятствие очень быстро растет с увеличением скорости жидкости. Благодаря этим силам образуются овраги, русла и долины рек, размываются морские и речные берега. О масштабах работы этих сил можно судить, например, по количеству переносимых реками взвешенных наносов, достигающему сотен миллионов тонн ежегодно.
. законы гидродинамики удивительным образом «учитываются» в живой природе. Скажем, птицы, летящие клином, экономят силы при дальних перелетах, а рыбы, плывущие косяком, увеличивают свою выносливость (как было подсчитано, в несколько раз).
. преимущество движения с использованием силы ветра было подмечено еще в древней китайской пословице: «Тысяча весел, десять тысяч шестов не сравняются с парусом».
. замечательный голландский ученый и инженер Симон Стевин, известный как один из основателей гидростатики, сумел построить парусный автомобиль. Эта ветряная повозка, названная «гаагским чудом», развивала заметную скорость, «брала на борт» порядка 20 человек, могла поворачивать и двигаться даже против ветра.
. особенности движения в воздухе вращающихся тел были давно использованы человеком, например при бросании бумеранга. А вот в спорте на них обратили внимание сравнительно недавно. Это позволило легкоатлетам увеличить дальность метания дисков, а футболистам — посылать крученые мячи («сухие листы»), летящие по криволинейной траектории.
. при обдувании тела потоком воздуха за ним образуются вихри. Попеременно срываясь то с одной, то с другой стороны, они раскачивают тело. Размах колебаний может возрасти настолько, что произойдет разрушение. Так случалось с висящими мостами, радиомачтами и нефтяными вышками.
. при огромных скоростях вылета струй из гидромониторов вода перестает вести себя как жидкое тело, а действует подобно артиллерийскому снаряду, взрывая грунт и подбрасывая в воздух громадные глыбы. Это позволяет применять гидромониторы в земляных и горных работах.
. создавая сжатия и разрежения воздуха в трубах, можно по ним перемещать грузы. Это привело в начале XIX века к изобретению пневматической почты. Тот же принцип использовался и в пневматической железной дороге, перевозившей пассажиров в Нью-Йорке в семидесятых годах прошлого столетия.
. особенно эффективным примером использования сил давления струи газа или жидкости служат турбины. Поэтому практически все электростанции мира работают на водяных или паровых турбинах, а одним из основных двигателей на самолетах стала газовая турбина.
Что читать в «Кванте» о движении жидкостей и газов
Ответы
Микроопыт
Внутри струи давление меньше атмосферного — воздух и прижимает шарик к струе.
Каким образом осуществляется управление воздушным шаром?
Воздушный шар не имеет двигателя и руля. Что же требуется для того, чтобы им управлять?
Наверняка, многие знают о том, что воздушный шар не имеет в своем оснащение ни двигателя, ни удобного руля для управления. Все, что имеется в арсенале воздухоплавателей – это горелки, мешки с песком, да особый клапан в верхней части шара. Сегодня мы постараемся понять, каким образом управляется воздушный шар.
Немного истории воздухоплавания
Нужно сказать о том, что создание первых воздушных шаров впервые позволило человеку осуществить давнюю мечту о полетах. Первые упоминания о подобном устройстве датируются 1306 годом, когда один французский миссионер, находящийся в Китае, описывал полет на воздушном шаре во время коронации императора страны.
Несмотря на это, общепринятым местом зарождения воздухоплавания является город Аннонэ во Франции. Именно там братьям Монгольфье в 1783 году удалось впервые подняться в воздухе при помощи шарообразного аэростата с нагретым воздухом. Этот полет продлился около 10 минут. За это время первый воздушный шар весом более 150 кг смог подняться на высоту в 300 м и пролетел более 1 км. Нужно сказать, что для своего времени данное событие стало действительно выдающимся. С тех пор официальное воздухоплавание и начало свое постепенное развитие.
Устройство воздушного шара
Первый летательный аппарат, который создали братья Монгольфье, имел льняную оболочку, которая была обклеена бумагой. Для заполнения этой конструкции горячим воздухом пришлось разводить костер. Уже через несколько месяцев после этого летательный аппарат был модернизирован и получил специальную корзину, которая предназначена для перевозки пассажиров.
В плане используемых для построения материалов современные воздушные шары очень далеко ушли от своих прототипов. Однако, принципиальная конструкция таких аппаратов за все время существования практически не изменялась. В настоящее время для изготовления сферической оболочки практически всегда используются полиэфирные материалы. Конечно, необходимость в костре так же отпала со временем. Для нагрева воздуха применяются газовые горелки, которые монтируются прямо в пассажирской корзине ровно под куполом.
Воздушные шары достаточно сильно зависят от ветра. Но даже это явление не делает их полностью неуправляемыми. Для изменения высоты полета используется клапан, находящийся в верхней точке купола, а для изменения направления полета – боковой. Кроме того, в конструкции некоторых воздушных шаров может быть предусмотрен и еще один клапан.
Управление воздушным шаром
Сразу стоит сказать, что для управления воздушным шаром нужны определенные навыки, а также немалая сумма денег. К примеру, для прохождения курса на получение звания пилота аэростата придется потратить около 200 000 рублей. Кроме того, средняя стоимость полноценного воздушного шара может быть сравнима с ценой легкового авто. Чем же руководствуются люди, которые отправляются в путешествие на аэростате?
Подготовка к полету
Учитывая внушительную высоту, на которую способен подняться современный воздушный шар, перед полетом необходимо все досконально проверить. Не стоит забывать и о благоприятных погодных условиях. Поэтому заранее нужно внимательно проанализировать прогноз погоды, обращая внимание на ветер, облачность и видимость. После этого следует перейти к этапу планирования маршрута перемещения. На всякий случай лучше разработать маршрут, на пути следования по которому можно будет без особого труда найти подходящее для приземления место
Набираем высоту
Чтобы поднять аэростат в воздух потребуется задействовать весь экипаж. Лучше всего для этого подходит открытая площадка или поле в 50 м. Место для старта также нужно выбирать тщательно, ведь при взлете воздушный шар может зацепиться за деревья, линии электропередачи и др.
Определившись с местом для запуска, команда приступает к сборке летательного аппарата. Проверив снаряжение и горелки расстилается купол в соответствии с направлением ветра. Нетрудно догадаться, что делать это нужно по ветру. В конечном итоге купол оказывается пристегнутым к корзине.
После сборки воздушного шара при помощи вентилятора в купол нагоняют холодный воздух, а затем включают горелку и он заполняется теплым. Когда теплого воздуха станет достаточно корзина начнет подниматься в воздух вместе со своими пассажирами.
Полет
Отсутствие мотора и руля не делает управление воздушным шаром более простым. Чтобы успешно с ним справляться потребуются определенные умения. Главными рычагами управления воздушным шаром являются горелки и клапан на куполе. Чтобы взлететь повыше нужно включить горелки, благодаря которым в купол пойдет больше теплого воздуха. Соответственно, для снижения требуется открыть клапан. Перемещение в горизонтальной плоскости происходит за счет попутного ветра. Именно в этом компоненте пилот может продемонстрировать свои навыки. Поднимая аппарат выше или ниже он будет доставлять его в области с разной интенсивностью воздушных потоков, что позволит перемещаться быстрее или медленнее.
Приземление
Как говорилось ранее, место для посадки воздушного шара нужно запланировать до старта. Как и взлетная площадка, оно должно быть большим и открытым. Поблизости также не должно быть объектов, за которые шар может зацепиться или же объектов, которые могут привести к возникновению нештатных ситуаций. Чтобы приземлиться нужно открыть клапан в верхней части купола, теплый воздух будет уходить, а шар при этом начнет плавный спуск и приземлится в выбранном месте.