Почему летают аппараты тяжелее воздуха? Клуб почемучек

Давайте сначала с вами разберемся, что значит “тяжелее воздуха”? Разве воздух что-то весит? Разве есть что-то легче его? Да! Хоть мы и не видим воздух, это не значит, что он такой же бестелесный, как “мысль” или “веселье”. Воздух – газообразное вещество. Как и любые другие вещества, он состоит из молекул – маленьких кусочков материи. Например, воздух который окружает нас, состоит из смеси молекул кислорода, азота, углекислого газа, есть в нем и аргон, неон, метан и еще множество разных примесей. И эти молекулы можно взвесить. Мы когда-то проделывали это в опытах с воздушными шариками. Предлагаю вам этот опыт повторить. 
Этот вес можно сравнить с весом летательного аппарата – больше он весит или меньше.
Если у нас летательный аппарат будет легче воздуха, что с ним произойдет?


Опыт 1. Закон Архимеда

Материалы: 
Миска с водой, разнообразные предметы, сделанные из разных материалов, соль.

Попросите ребенка по очереди класть предметы в воду на дно миски и наблюдать за их поведением. Некоторые вещи тонут, а некоторые всплывают на поверхность.
Ведите журнал наблюдений – таблицу, в которой записываются результаты экспериментов. Когда таблица будет заполнена, проанализируйте ее и сделайте выводы: предметы, сделанные из каких материалов всплывают, а из каких – тонут, и от чего это зависит.

Обратите внимание ребенка, что тут играет роль не только вес предмета, но и его плотность и плотность воды. Тяжелая деревяшка всплывает в воде, тогда как маленький гвоздик, который меньше ее по весу, утонет. А кусочек картофеля, который плавает в соленой воде, утонет в обычной. (Тут я немного упрощаю объяснение, подробнее об этом малыш узнает позже, на уроках физики в 7 классе).

Опыты с водой: тонет или нет? Результаты отражаются в таблице

Картофель тонет в обычной воде, но всплывает в соленой. Это происходит из-за большей плотности соленой воды

Кадр из мультфильма “Коля, Оля и Архимед”

Так же как и для воды, закон Архимеда выполняется и для газов. Поэтому, если у нас будет тело “легче” воздуха, то оно просто “всплывет” наверх, как только что в воде всплывали “легкие” предметы. Например, если воздушный шарик наполнить газом гелием (который “легче” воздуха), то он полетит вверх.

Воздушные шарики с гелием летят вверх

Спросите ребенка, какие есть летательные аппараты, использующие то, что они легче воздуха? Это воздушные шары, аэростаты и дирижабли. Плотность газа, заполняющего их баллон, меньше плотности атмосферного воздуха. Поэтому они и “всплывают” наверх, выталкиваемые архимедовой силой.
А вот остальные летательные машины: самолеты, вертолеты, ракеты, планеры, дельтапланы, автожиры, экранопланы и т.д.,- тяжелее воздуха. И они, тем не менее, летают! Хотя всего за несколько лет до знаменитого первого полета самолета братьев Райт, американский ученый Саймон Ньюком доказал, что аппараты тяжелее воздуха летать не могут. Вот так бывает, что и ученые ошибаются!

Во-первых: летательные аппараты, которые используют подъемную силу крыла. Например, всем знакомые самолеты. (Кстати, помните, недавно мы с вами выясняли, почему самолет оставляет на небе белый след?) Так вот полет самолета основан на том, что создается разность давления воздуха над крылом самолета и под его крылом. Тот воздух, который находится под крылом самолета, “давит” на него сильнее, чем воздух вверху. Поэтому крыло, а вместе с ним и сам самолет, поднимается вверх. Как же так получается, что разница давления воздуха разная? Это зависит от формы крыла. Если мы посмотрим на крыло самолета внимательно, то увидим, что нижняя поверхность у него плоская, а верхняя – выпуклая. Когда самолет крылом разрезает воздух, то поток воздуха, который идет снизу получается медленнее потока, который огибает выпуклость крыла сверху. А был такой швейцарский математик и физик Даниил Бернулли из знаменитой семьи, давшей миру несколько ученых с мировым именем (уж простите меня, сегодня я привожу много фамилий и законов), который доказал, что при увеличении скорости воздушного потока статическое давление воздуха снижается. Так и получается, что давление воздуха над крылом самолета ниже, чем под крылом. Вот самолет и поднимается вверх.

Во-вторых: летательные аппараты, подъемная сила которых создается при помощи несущего винта. Это, как вы догадались, вертолеты и прочие летательные машины из этого семейства. Вращающиеся лопасти винта создают подъемную силу из-за того, что они повернуты под углом (углом атаки) к горизонтальной плоскости.  Они как-бы “ввинчиваются” в воздух, подобно тому, как винт корабля загребает воду. Здесь эффект Бернулли тоже присутствует, но он только помогает увеличить подъемную силу.

В-третьих: летательные аппараты с реактивным двигателем.
Они двигаются в результате того, что струя газа или жидкости. вырываясь из сопла, создает реактивную силу, направленную в противоположном струе направлении.

Простейшую модель летательного аппарата с реактивным двигателем можно сделать из того же воздушного шарика. Достаточно просто надуть его, а потом отпустить: струя воздуха, вырываясь из “горлышка шарика”, создает реактивную силу и заставит шарик летать по комнате. А если вам хочется запустить настоящую ракету на реактивной тяге, то попробуйте сделать ее из пластиковой бутылки. Вот тут подробный мастер-класс, как мы делали и запускали такой аппарат.

Запуск реактивной ракеты

Другие занятия в Клубе почемучек на тему техники можно посмотреть здесь:  Почему у вертолета винт вверху, а не внизу, Как работает эскалатор,  Как строят мосты, Что быстрее, машина или поезд,  Как работает лифт,   Почему самолет оставляет на небе белый след, Куда пропадает мультгерой, когда выключают телевизор, Добыча и выплавка металлов.
А чтобы я ответила на ваши вопросы, вступайте в Клуб и задавайте их!

Материалы по теме: