Как летает воздушный шар

Шар, который всплывает

Воздушный шар — летательный аппарат легче воздуха: оболочка с газом и подвешенная к ней корзина ^[1]. Шары с горячим воздухом называют монгольфьерами — в честь изобретателей^[1].

Почему он летает? Нагретый воздух менее плотный, чем холодный. Значит, кубометр горячего воздуха в оболочке весит меньше, чем кубометр холодного воздуха снаружи. И шар выталкивается вверх — той же силой, которая держит на воде лодку. Это закон Архимеда^[2].

Сколько поднимет шар

Подъёмная сила зависит прежде всего от разницы температур внутри и снаружи^[2]. Посчитаем для типичного шара объёмом 2800 кубометров, который берёт на борт 3–5 человек^[2]:

Таблица: подъёмная сила шара объёмом 2800 м³ при температуре снаружи 20 °C^[2].

Выходит, чтобы поднять 1 килограмм, при 99 °C нужно почти 4 кубометра оболочки^[2]. Поэтому воздушные шары такие огромные.

Сильнее нагревать нельзя: нейлоновая ткань оболочки быстро стареет, и максимальная температура внутри — около 120 °C. Такая оболочка служит 400–500 часов полёта^[2]. А в жаркий день шар поднимет меньше, чем в прохладный: разница температур меньше^[2].

Горелка, клапан и корзина

Внизу у оболочки — отверстие. Запечатывать его не нужно: давление внутри почти такое же, как снаружи ^[2]. Над корзиной, прямо под отверстием, стоит горелка. Она испаряет жидкий пропан из баллонов, смешивает его с воздухом и направляет пламя внутрь оболочки; мощность одной горелки — 2–3 мегаватта ^[2].

Наверху оболочки — клапан. Чаще всего это круглая «заплатка» из ткани на стропах, по виду похожая на парашют. Пилот тянет за трос — клапан открывается, горячий воздух выходит, и шар снижается^[2]. Корзины по-прежнему плетут из лозы или ротанга: это легко, прочно и долговечно^[2].

Рулить нельзя

Главный недостаток воздушного шара — им нельзя управлять по горизонтали: у него нет двигателя, и он летит туда, куда дует ветер. Но на разных высотах ветер дует в разные стороны. Поэтому пилот меняет высоту и «ловит» нужный ветер^[1].

Бумажные фабриканты Монгольфье

Изобрели воздушный шар братья Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье из французского городка Анноне. Их семья делала бумагу^[3][4]. Жозеф сначала сделал из тонких дощечек и тафты коробку около метра высотой и зажёг под ней бумагу — коробка взлетела к потолку^[4].

Братья, правда, думали, что поднимает шар особый «электрический дым» от горящей шерсти и соломы. Позже учёный Соссюр опроверг это: он поднял шар, просто нагрев воздух в нём раскалённой железной полосой ^[3].

4 июня 1783 года в Анноне братья публично запустили шар из холста, оклеенного изнутри бумагой: за 10 минут он пролетел около 2 км^[3][4].

Баран, утка и петух

Никто не знал, можно ли дышать на высоте. Король Людовик XVI предлагал отправить в полёт двух приговорённых преступников, но первыми пассажирами стали животные^[4]. 19 сентября 1783 года в Версале, на глазах у короля и Марии-Антуанетты, шар поднял корзину с бараном, уткой и петухом. Полёт длился около 8 минут, и животные благополучно приземлились^[4][3].

А 21 ноября 1783 года в небо поднялись люди — химик Жан-Франсуа Пилатр де Розье и маркиз Франсуа д’Арланд. Из-под Парижа они пролетели около 9 км за 25 минут^[3][2]. Это был первый свободный полёт человека.

Современные шары и рекорды

Современные шары с горелкой на борту придумали американцы Эд Йост и Джим Винкер; первый удачный полёт состоялся в 1960 году^[2]. Рекорд высоты для теплового шара — 21 027 метров (Виджайпат Сингхания, 2005)^[2]. А Фёдор Конюхов в 2016 году облетел Землю в одиночку на гибридном шаре — с горячим воздухом и гелием — за 268 часов^[2].

Почему держится в воздухе самолёт, у которого нет горячего воздуха, — в статье «Как летает самолёт».