Воздушные шарики наполненные легким газом. Почему воздушные шары летают? Чем надувают шарики, чтобы они летали
Опасен ли гелий?
Довольно часто можно услышать мнение о том, что газ является опасным веществом. Это не верное утверждение. Почему же оно так часто "бытует"?
Дело в том, что у слова "газ", как и у многих других слов в русском языке - существует несколько значений (дефиниций). В своём "главном" значении, газ - это состояние вещества (любое вещество может быть твёрдым, жидким и газообразным). А в одном из дополнительных значений, под понятием газ - подразумевается бытовой горючий газ , используемый в горелках газовых плит (как правило, это метан, пропан или бутан).
Какой газ используется для накачки воздушных шариков? Если шарик "летает" - то можно быть уверенным, что он надут не тем газом, который подаётся к газовым плитам. Поддерживать шарик в воздухе способен только очень лёгкий газ, который гораздо легче воздуха. Пропан и бутан тяжелее воздуха, и шарик лежал бы на полу. Метан немного легче воздуха, но всё же его подъёмной силы не хватило бы, чтобы поднять в небо "обычный", небольшой воздушный шарик: только огромный шар, наполненный метаном мог бы подняться над землёй - и то крайне "вяло": он имел бы очень малую подъёмную силу.
Какой же газ способен запросто поднять в воздух любой латексный или фольгированный шарик? Таких газов только два: это водород и гелий. Эти оба газа являются элементарными веществами и значатся в периодической системе Д. И. Менделеева под номерами 1 и 2. По степени распространённости во Вселенной - аналогично: водород занимает первое место, а гелий - второе. По "лёгкости" - эти газы так же занимают первое и второе места (водород самый лёгкий, а гелий - лишь чуть чуть тяжелее) и намного превосходят все другие газы. По размеру атомов - они тоже лидеры, хотя тут немного наоборот: самый маленький атом у гелия, а водород занимает второе место.
Но на этом сходство между этими газами похоже, исчерпано. Водород - очень активный элемент, чрезвычайно горючий и взрывоопасный: даже более опасный, чем бытовой пропан. А гелий - абсолютно инертный газ, который не вступает в реакцию ни с одним известным веществом, следовательно он не может гореть или поддерживать горение, а так же не может вызвать отравление. По Российским и Европейским стандартам, а так же в соответствии с правилами пожарной безопасности для накачки воздушных шаров используется исключительно гелий (либо обычный воздух).
Безопасно ли вдыхать гелий из воздушного шарика? Вполне безопасно, если конечно речь идёт о самом гелии, а не бактериях или иных побочных факторах, которые могут при этом присутствовать. Гелий, в химическом смысле ещё более "нейтральный", чем азот, из которого по большей части состоит земная атмосфера. Гелий, как компонент дыхательной смеси используют аквалангисты при работе на большой глубине, поскольку он практически не растворяется в крови человека.
Опасен ли баллон с гелием? Если это баллон высокого давления, порядка 150 атмосфер или более - то он, несомненно представляет опасность в случае разрушения. Однако, разрушить металлический баллон дело совсем не простое. Запас прочности капсулы заводских баллонов довольно велик. Перед использованием, баллоны тестируют при давлении, в три раза превышающем рабочее давление; после чего на баллоне ставят заводское клеймо в виде четырёх цифр, которые означают месяц и год следующей аттестации. Если Вы увидите баллон коричневого цвета, на котором написано белой краской "гелий", либо "He "(helium), а на верхней части выбит месяц и год аттестации - более поздний, нежели текущий - можете быть спокойны (даже, если дата аттестации "слегка" просрочена). Баллоны с гелием, производства Оренбургского завода (это единственный завод гелия в России) сертифицированы для использования в местах массового скопления людей. Но если заметите, что кто-то пытается распилить газовый баллон "болгаркой" или просверлить его, или бьёт по нему зубилом - то следует забить тревогу, не зависимо от того - баллон с гелием или с чем-то другим, пустой он или не пустой...
Может ли гелий вызвать удушье, если один или несколько шариков лопнут в тесном помещении? Тут следует оценить порядок величин. Один средний шарик имеет объём примерно 7 литров. В маленькой комнате, например два на три метра и высотой потолка 2,5 метра - объём 15 куб. метров - то есть 15 000 литров. Если в этой комнате "полопать" целых 50 шариков с гелием, то его объём составит около 350 литров. Это чуть более 2% от объёма воздуха. Величина крайне незначительная, при том, что гелий не ядовит и не вызывает аллергических реакций. Кроме того, весь гелий моментально поднимется вверх, и довольно быстро просочится сквозь потолок, поскольку проникающая способность атомов гелия очень высока. Мало того: даже если открыть баллон в помещении и выпустить весь гелий в комнату - это не причинит какого-либо вреда людям или животным. Но если Вы решите подышать гелием из шарика ради забавы (гелий меняет голос, заставляя голосовые связки вибрировать с большей частотой) - сильно увлекаться не стоит: если долго вдыхать один только гелий и не дышать обычным воздухом - может закружиться голова, несмотря на то, что гелий не ядовит. Ведь организмы земных живых существ устроены так, что им необходим кислород!
Можно ли курить или использовать открытый огонь рядом с газобаллонным оборудованием или вблизи накачанных воздушных шариков, особенно если какой-то из них явно пропускает гелий? Техника безопасности на складах с жидким или газообразным гелием, азотом и углекислотой - не запрещает курение, поскольку эти газы не воспламеняются и не поддерживают горение других веществ. Однако, если горящая сигарета заденет воздушный шарик - он скорей всего лопнет: то же самое произойдёт, если шарик коснётся горячей лампочки. Но это просто лопнет резина, из которой состоит оболочка шарика. Никакого взрыва и пламени не будет.
Безопасен ли воздушный шарик, накачанный гелием для маленького ребёнка? По Европейским стандартам, уже давно, любые игрушки не рекомендуются детям младше 3 лет - за исключением тех, которые поставляются в стерильных упаковках. И дело тут вовсе не в том, что какой-то материал или вещество способно оказать вредное воздействие на детский организм - а в том, что маленький ребёнок с большой вероятностью попытается засунуть это в рот, предварительно поваляв в земле или иных "не стерильных" местах. Натуральный латекс, из которого изготовлена оболочка шарика, так же, как и технический гелий (более 98%) или гелиево-воздушная смесь (60/40) - не представляют опасности для здоровья. Следует только учесть, что латексный шарик может лопнуть, если малыш будет играть с ним не очень осторожно, а громкий звук хлопка способен напугать ребёнка. По этому, самым маленьким рекомендуют дарить не резиновый шарик - а фольгированную фигуру, которые, как правило более красочны и не "хлопают", если ребёнок случайно её прокусит.
На эти, и другие вопросы более подробно наши менеджеры готовы ответить по телефону. С уважением, администрация портала сайт
Природный газ опасен - тут двух мнений быть не должно. Однако скажем сразу: если читатели ознакомятся со статьей внимательно и будут работать аккуратно, то при попытке сделать модель аэростата, они не пострадают и тем более не взорвут квартиру!
Даже люди, мало знакомые с химией, знают, что метан легче воздуха. Его молекулярная масса - 16 против 29 у воздуха. Однако полетит ли шарик, если наполнить его вместо привычного гелия метаном?
На одном из сайтов, посвященных воздушным шарам, нам встретились такие ответы:
Какой газ используется для накачки воздушных шариков? Если шарик "летает" - то можно быть уверенным, что он надут не тем газом, который подается к газовым плитам. Поддерживать шарик в воздухе способен только очень легкий газ, который гораздо легче воздуха. Пропан и бутан тяжелее воздуха, и шарик лежал бы на полу. Метан немного легче воздуха, но, все же, его подъемной силы не хватило бы, чтобы поднять в небо "обычный", небольшой воздушный шарик: только огромный шар, наполненный метаном мог бы подняться над землей - и то крайне "вяло": он имел бы очень малую подъемную силу.
Какой же газ способен запросто поднять в воздух любой латексный или фольгированный шарик? Таких газов только два: это водород и гелий.
Теперь сравним значения удельной подъемной силы:
из книги Таланов А.В. Все о воздушных шарах (2002)
Получается что метан не такая настолько уж плохая альтернатива гелию, а тем более горячему воздуху.
Однако желающих проверить все на опыте подстерегают две сложности: во-первых, давление газа в бытовой сети слишком мало, чтобы "раздуть" шар, во-вторых многие не представляют, как отобрать газ из конфорок плиты. Разберем все по порядку.
Нам удалось найти упоминание о подобном эксперименте лишь в одной книге - хорошем практикуме по физике . Приведем цитату.
Наполнение воздушных детских шаров городским газом
Детский резиновый шарик, склянка с нижним тубусом (2 л), 2 пробки с просверленными отверстиями, 3 короткие стеклянные трубки, резиновая трубка, винтовой зажим, газовый шланг, ручная резиновая груша, накачивающая и откачивающая воздух, шнур.
На нижний конец стеклянной трубки, вставленной в верхнюю пробку, укрепляется резиновый баллон, помещаемый внутрь склянки с нижним тубусом (см. также Э - 73). На верхний свободный конец этой трубки надевается газовый шланг, идущий к газопроводу (рис. 126).
В боковой нижний тубус склянки вставляется пробка с короткой стеклянной трубкой, на свободный конец которой надета резиновая трубка с винтовым зажимом. В эту резиновую трубку вставляется короткая стеклянная трубка-мундштук.
При отсасывании воздуха из склянки находящийся в ней резиновый баллон наполняется газом (как и в Э - 73). После наполнения баллона зажим завинчивается, перекрывается кран газопровода и с верхней стеклянной трубки снимается газовый шланг. Вместо шланга на трубку надевается второй детский резиновый шарик, из которого по возможности удален воздух.
Через мундштук в склянку вдувается воздух. Под давлением вдуваемого воздуха баллон, находящийся в склянке, сжимается, а находящийся в нем газ переходит в верхний резиновый шарик, раздувая его. По окончании наполнения шарика зажим завинчивается, а горловинка шарика прочно перевязывается шнуром.
Снятый со склянки воздушный шарик медленно всплывает в воздухе.
Примечание
Наполнение газом резиновых баллонов можно провести и без склянки при помощи резиновой груши-насоса, помещаемой между баллоном и газопроводом (рис. 127). Резиновая груша-насос приводится в действие рукой, для чего грушу достаточно многократно сжать, зажав в ладонь.
Мы воспользовались вторым вариантом, как более простым, тем более что таких груш с клапаном (используются для газоанализаторов) у нас целая коробка. Смысл этого простого опыта таков: необходимо герметично! присоединить резиновую трубку к магистрали и повысить сетевое давление метана, чтобы шар надулся. Такая груша работает подобно велосипедному насосу, пропуская воздух в одном направлении, и снабжена удобными алюминиевыми переходниками - выход по диаметру как раз под шар.
Вначале подумаем, как герметично подключить трубку к газовой плите. Это видно из ее устройства. Газ из форсунки - латунный цилиндрик с маленьким отверстием - подается во вкладыш-воронку, по пути вверх он смешивается с воздухом и благодаря этому выходящая газо-воздушная смесь сгорает без копоти. Снимем верхнюю пластину-крышку и вынем воронковидный вкладыш (понятно, что плита при этом не пострадает ).
На все тела в воздухе (как и в жидкости) действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы убедиться в этом, проделаем следующий опыт. Уравновесим на весах сосуд, наполненный сжатым воздухом и закрытый пробкой, через которую пропущена стеклянная трубка, соединенная с пустой оболочкой резинового шарика (рис. 138, а
). Если открыть кран на трубке, то сжатый воздух наполнит шарик и он увеличится в объеме. Как только это произойдет, мы увидим, что равновесие весов нарушится (рис. 138, б
). Произойдет это потому, что на шарик начнет действовать дополнительная выталкивающая сила и его вес уменьшится.
Чтобы найти архимедову (выталкивающую) силу, действующую на тело в воздухе, надо плотность воздуха ρ возд
умножить на ускорение свободного падения g
= 9,8 Н/кг и на объем V
тела, находящегося в воздухе:
F A = ρ возд gV
Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.
Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами. Различают управляемые, неуправляемые и привязные аэростаты. Неуправляемые аэростаты свободного полета с оболочкой, имеющей форму шара, называют воздушными шарами. Управляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями. Привязные аэростаты соединяют с землей тросом, не позволяющим аппарату совершать горизонтальные перелеты.
Чтобы аэростат поднимался вверх, его нужно наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть, например, водород, гелий или нагретый воздух.
Первая попытка подъема в воздух на большом шаре, наполненном дымом, была предпринята в 1731 г. русским подьячим Крякутным в Казани. За этот полет церковники изгнали Крякутного из родного города, и о его шаре вскоре забыли.
Во Франции первый воздушный шар (монгольфьер), который с успехом стали применять в целях воздухоплавания, был построен лишь 52 года спустя братьями Ж. и Э. Монгольфье. Для наполнения шара они использовали горячий воздух. Убедившись, что шар может летать, братья Монгольфье посадили в корзину воздушного шара овцу, петуха и утку. Эти животные и стали первыми воздухоплавателями. Осенью 1783 г. на этом же шаре отправились в свой первый (25-минутный) полет люди - Пилат де Розье и д’Арланд.
Для того чтобы определить, какой груз способен поднять воздушный шар, следует знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести:
F = F A - F Т
Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила.
При нагревании воздуха от 0 °С до 100 °С его плотность уменьшается всего лишь в 1,37 раза. Поэтому подъемная сила шаров, наполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Заметив это, французский ученый Ж. Шарль предложил наполнять воздушный шар водородом - газом, плотность которого в 14 раз меньше плотности воздуха. Благодаря такой плотности подъемная сила водорода более чем втрое превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема.
Первый полет на воздушном шаре, наполненном водородом (рис. 139), состоялся в первый день зимы 1783 г. Диаметр шара составлял 8,5 м. Проведя в полете 2,5 ч, воздухоплаватели провели замеры давления и температуры воздуха на высоте 3400 м. Подобные измерения впоследствии стали играть важную роль в метеорологии. 
В России первые полеты на воздушном шаре были осуществлены в 1803 г. (сначала в Петербурге, затем в Москве).
Вначале полеты на воздушных шарах имели, как правило, развлекательный характер. Но затем аэростаты все больше и больше стали применять с научными (изучение атмосферы, метеорологические исследования) и военными (разведка, бомбардировка) целями, а также в качестве транспортного средства. В 1929 г. немецкий дирижабль «Граф Цепеллин» совершил с тремя промежуточными посадками кругосветный перелет протяженностью 35 тыс. км за 21 день. Средняя скорость полета при этом составила 177 км/ч.
В годы Великой Отечественной войны аэростаты («аэростаты заграждения») сыграли большую роль в противовоздушной обороне Москвы и Ленинграда.
Наполняя аэростат водородом, следует помнить, что этот газ обладает одним большим недостатком - он горит и вместе с воздухом образует взрывчатую смесь. Поэтому при полетах на воздушных шарах, наполненных водородом, следует соблюдать особую осторожность, иначе такой полет может закончиться трагедией. Одна из таких трагедий произошла в 1937 г., когда во время приземления взорвался немецкий дирижабль «Гинденбург», унеся с собой 36 человеческих жизней.
Негорючим и в то же время легким газом является гелий. Поэтому многие аэростаты в наше время наполняют гелием.
Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты. Поэтому по мере поднятия аэростата вверх действующая на него архимедова сила становится меньше. После того как архимедова сила достигает значения, равного силе тяжести, подъем аэростата прекращается. Чтобы подняться выше, с шара сбрасывают специально взятый для этого балласт (например, высыпают песок из мешков). При этом сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила вновь оказывается преобладающей.
Для того чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу, наоборот, следует уменьшить. Это достигается путем уменьшения объема шара. В верхней части шара имеется специальный клапан. При открывании этого клапана часть газа из шара выходит, и шар начинает опускаться вниз.
Воздушные шары, предназначенные для полетов в стратосферу (т. е. на высоту более 11 000 м), называют стратостатами. Подъемная сила стратостатов должна быть достаточно велика. Поэтому их наполняют водородом, у которого она максимальна.
Теплый воздух также не утратил своего значения. Он удобен тем, что его температуру (а вместе с ней его плотность и, следовательно, подъемную силу) можно регулировать с помощью газовой горелки, расположенной под отверстием, находящимся в нижней части шара. Увеличивая пламя горелки, можно заставить шар подниматься выше. При уменьшении пламени горелки шар опускается вниз. Можно подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар вместе с кабиной, оказывается равной выталкивающей силе. Тогда шар повисает в воздухе, и с него легко проводить наблюдения.
В наше время ученые и конструкторы планируют использование аэростатов не только на Земле, но и на других планетах. Так, например, в 1985 г. советские автоматические межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2» доставили аэростаты на Венеру. Перемещаясь в ее атмосфере, эти аппараты передали на Землю ценную информацию о физических условиях на этой планете.
1. Что такое аэростаты? 2. Чем отличаются воздушные шары от дирижаблей? 3. Почему воздушные шары иначе называют монгольфьерами? 4. Какими газами наполняют аэростаты? Почему именно ими? 5. Какие летательные аппараты называют стратостатами? 6. Как определяется подъемная сила воздушного шара? 7. Как регулируют высоту подъема воздушного шара, наполненного теплым воздухом? 8. Шарик, наполненный гелием, был случайно отпущен ребенком. До каких пор этот шарик будет подниматься вверх?
