Воздушный шарик накачан гелием до объёма V0 = 3 л. Для того, чтобы удерживать шарик у поверхности Земли, надо прикладывать силу F0. Полагая, что атмосфера является изотермической и давление с высотой h падает по линейному закону P = P0 − P'h, где P0 = 105 Па — атмосферное давление у поверхности Земли, а константа P' = 12 Па/м, найдите высоту H, до которой поднимется шарик, если его отпустить.
1. Сначала решите задачу в предположении, что объём шарика не меняется при изменении внешнего давления. Численный ответ получите для F0 = 0,01 Н.
2. Учтите теперь то, что при уменьшении внешнего давления шарик увеличивается в размерах. Пусть расширение шарика определяется упрощённым законом где Pin — давление внутри шарика, а константа Па. Удерживающая сила равна F0 = 0,001 Н.
Плотность воздуха у поверхности Земли равна кг/м3, ускорение свободного падения g = 10 м/с2 считать не меняющимся с высотой.
Сила, действующая на шарик, равна разности его веса и силы Архимеда, где — плотность изотермического воздуха на высоте h, а V — текщий объем шарика, MHe — масса гелия в шарике, m — масса его оболочки. Сначала считаем, что шарик не изменяет своего объёма в процессе поднятия, так что V = V0. Когда шарик находился у поверхности Земли, уравнение (1) сводится к Снова возвратимся к (1), записав его для максимальной высоты H, которая определяется условием равенства нулю действующей на него полной силы F:
Теперь учтём то, что шарик расширяется, поскольку на высоте давление атмосферы падает. Поскольку атмосфера предполагается изотермической, объём шарика V и давление внутри него Pin связаны соотношением
Воспользовавшись тем, что разность давлений снаружи шарика и внутри него постоянна, получаем, что
Поэтому силу (1), действующую на шарик, можно выразить через приращение объёма :
Шарик прекратит подниматься, когда действующая на него сила будет равна нулю, F = 0, то есть когда его объём возрастёт на
Теперь надо изменение объёма связать с изменением давления, которое в свою очередь даст высоту. Изменения внутреннего давления и объёма связаны между собой соотношениями
где и — молярные массы воздуха и гелия. Таким образом, получаем, что высота
Полученный нами ответ (5) показывает, что расширение шарика значительно повышает высоту H (в нашем случае с 230 м до 2000 м). Для обычных шариков она оказывается равной нескольким десяткам километров, при этом латексный шарик увеличивает свой объём в 10 и более раз (а резиновый это сделать не может и лопается).
Ответ: 1) 2)