Аэростатика

Аэростатика

АЭРОСТАТИКА, учение о равновесии газов, часть общей гидростатики. Состояние жидкостей характеризуется в гидростатике температурой, а состояние газообразных тел температурой и давлением, т. к. капельная жидкость несжимаема, газообразные же тела поддаются сжатию. Законы аэростатики применяются к аэростатам управляемым (дирижаблям) и неуправляемым. Вся аэростатика, как и гидростатика, основывается на законе Архимеда, приложимом и к аэростату, который м. б. рассматриваем как замкнутый в оболочке объем газа, погруженный в атмосферу. По закону Архимеда, аэростат не может находиться в устойчивом равновесии в воздушной среде: 1) если его центр тяжести и центр давления не находятся на одной вертикали, и центр тяжести ниже центра давления и 2) если архимедово давление, зависящее от величины веса газа, больше или меньше веса аэростата и грузов, на нем находящихся. Результирующая давления и веса всей системы и заставляет аэростат соответственно подниматься вверх или опускаться.

Источником поддержания аэростата в воздухе является подъемная сила газа, заключенного в оболочке аэростата. Эта сила fг. образуется из разности между удельным весом воздуха Δв. и удельным весом газа Δг., взятых при одинаковых условиях температуры и давления:

aerostatika 1

Полной подъемной силой аэростата Fa называют подъемную силу газовой массы, содержащейся в его оболочке, т. е. разницу между весом вытесненного воздуха и весом соответствующего объема газа:

aerostatika 2

где W - объем газа в оболочке. Свободной подъемной силой F называют:

aerostatika 3

где Q - мертвый вес аэростата. Разница между полной подъемной силой Fa и весом аэростата Q и всех находящихся на нем грузов Q' называется сплавной подъемной силой Fспл.:

aerostatika 4

Эта сила заставляет нагруженный аэростат подниматься с земли. Аналогичная сила появляется и под действием сброшенного с аэростата балласта. Подъемная сила измеряется в кг; она изменяется в зависимости от изменения условий, характеризуемых давлением и температурой газа (и воздуха), по законам Мариотта и Гей-Люссака. Изменение давления воздуха с высотой определяется по барометрической формуле Галлея и (в последнее время) по формулам стандартной атмосферы.

При рассмотрении подъема и спуска следует различать аэростат, «выполненный» газом, т. е. имеющий оболочку, целиком заполненную газом, от аэростата «невыполненного», содержащего внутри оболочки, помимо газа, еще и воздух, заключенный в баллонете. Сферический аэростат, обычно не имеющий баллонетов, наполняется газом у самой земли, перед отправлением в полет; при расширении газа в оболочке, что происходит от уменьшения давления воздуха при подъеме или от повышения температуры газа (и воздуха), часть газа выходит через открытый апендикс (см. Аэростат) наружу, в атмосферный воздух. Та высота h, по достижении которой аэростат статически уравновешивается, т. е. когда

aerostatika 5

называется зоной равновесия. Очевидно, что каждой сплавной силе, полученной в результате сбрасывания части балласта, соответствует своя зона равновесия. Высота, соответствующая сплавной силе, равной весу всего балласта, взятого в полет, называется высотой максимальной зоны равновесия или максимальной возможной высотой подъема аэростата при данной нагрузке. Эта высота hmax определяется из условия равновесия на ней:

aerostatika 6

где Q" = Q + Q' минус вес взятого в полет балласта, т.е. - постоянная нагрузка, Fa0 - подъемная сила аэростата на уровне земли (h = 0), Н - постоянная величина, называемая высотой однородной атмосферы (H ≈ 8000 м). Из формулы (6) получаем:

aerostatika 7

Привязные аэростаты и дирижабли обычно у земли и в начале подъема имеют в баллонете некоторое количество воздуха, а потому и являются невыполненными газом; во время подъема аэростата газ расширяется и, не выходя в атмосферу, вытесняет воздух из баллонета; подъемная сила аэростата остается постоянной, равной начальной подъемной силе:

aerostatika 8

до того момента, как газ, вытеснив весь воздух из баллонета, займет целиком объем оболочки. Дальнейший подъем происходит как у выполненного аэростата. Перегреванием аэростата называется избыток температуры газа над температурой окружающего воздуха. В двигающемся дирижабле, вследствие непрерывного возобновления воздуха на поверхности оболочки, это перегревание очень мало; в свободном же аэростате, движущемся всегда по направлению ветра, оно может быть значительно.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.