Это интересно. Воздухоплавание

19 сентября 1783 года французы, собравшиеся во дворе Версальского дворца, увлечённо обсуждали, какое наказание постигнет трёх храбрецов. Кто-то считал, что им грозит разрыв сердца, кто-то, что они сойдут с ума, в любом случае все были уверены в немедленном божественном возмездии, хотя и не брались точно предсказать его формы. Впрочем, три первых воздухоплавателя об этом не думали, не в последнюю очередь потому, что баранам, уткам и петухам подобное несвойственно. А самим братьям Жану и Этьенну Монгольфье Людовик XVI лететь запретил. Впрочем, для животных полёт окончился вполне благополучно, за исключением того, что петуху баран отдавил крыло, но для божьей кары это как-то несолидно. Ну а мы с вами разберёмся, почему этот полёт стал возможным. Первый воздушный шар был заполнен горячим воздухом. Вы знаете, что горячий воздух легче, чем холодный. Но почему? Возьмём 22,4 литра воздуха комнатной температуры, его масса будет равна 29 граммов. Нагреем этот воздух до 200 °С. Масса его будет такой же, а вот объём увеличится примерно в 1,6 раза и станет равен 36,1 л. Масса одного литра холодного воздуха была 29/22,4 = 1,29 г, а горячего стала 29/36,1 = 0,80 г. И чтобы горячий воздух не улетал вверх, ему будет нужно «добавить» 1,29 − 0,80 = 0,49 грамм дополнительной массы. А если дополнительная масса будет меньше, то горячий воздух поднимет её вверх. Но не забывайте, что воздух — газ и ему нужна оболочка, которая тоже имеет массу.

Горячий воздух может поднять не слишком много, его плотность не сильно отличается от плотности окружающего нас воздуха. К тому же, на высоте плотность воздуха падает, и шар с горячим воздухом там теряет подъёмную силу. Но вместо воздуха можно использовать и другие газы. А как определить какие? По молекулярной массе. Мы уже знаем, что средняя молекулярная масса воздуха — 29, а это значит, что 22,4 литра воздуха при комнатной температуре будут весить около 29 г. Тогда нам нужно посмотреть в таблицу Менделеева и найти такие элементы, которые будут газами с молярной массой меньше 29. Таких веществ немного — это водород (H₂), гелий (He) и неон (Ne) с молекулярными массами 2, 4 и 20 соответственно. А как же азот и кислород, у них же массы 14 и 16? Дело в том, что простые вещества, соответствующие этим элементам, существуют в виде двухатомных молекул N₂ и O₂. Так что газ кислород тяжелее воздуха и имеет молекулярную массу 32. Азот на первый взгляд подходит, имея массу 28, но разница с воздухом очень маленькая, и подъёмная сила будет невелика. По этой же причине мы расстанемся и с неоном. Так что в качестве кандидатов остаются водород и гелий. Зато кандидаты весьма сильные. Водород в качестве газа для заполнения воздушных шаров рассматривал ещё конкурент братьев Монгольфье французский физик Жак Александр Шарль. И не зря. Масса 1 литра водорода при комнатной температуре будет 2/22,4 = 0,09 г, и литр водорода будет способен поднять не 0,49 г, как горячий воздух, а 1,27 г — в 2,5 раз больше.

Первый полёт воздушного шара с экипажем