Авиация Китайский фонарик - Устройство

Роль несущей конструкции в небесном фонарике выполняет легкий деревянный каркас, как правило бамбуковый. В нижней его части имеется горелка закрепленная на тонкой проволоке. Традиционная горелка изготавливается из кусочка хлопчато-бумажной ткани пропитанной воском либо из пористой бумаги пропитанной легковоспламеняющимися жидкостями. В современных фонариках горелку иногда делают из горючих полимеров. Купол изготавливается из рисовой бумаги с добавлением тутового дерева. Бумагу, как правило, пропитывают специальным не горючим составом, чтобы бумага не загоралась. Каркас и купол небесного фонарика могут иметь различную форму, от стандартных геометрических фигур, до изображений животных и популярных предметов обихода.

Принцип действия

Принцип полёта небесного фонарика

Принцип, по которому небесные фонарики взлетают в небо, хорошо иллюстрирует следующий пример:

Возьмем пустую пластиковую бутылку, и опустим под воду. Бутылка очевидно будет стремиться всплыть, и для того чтобы удержать ее под водой потребуются некоторые усилия. Если же бутылка будет заполнена водой, она опустится на дно.

Так как плотность воздуха в бутылке меньше плотности воды, вода всегда будет выталкивать бутылку на поверхность. Более плотное вещество стремится вытолкнуть из себя менее плотное согласно закону Архимеда.

Этот же принцип работает и с небесными фонариками. Пламя горелки нагревает воздух внутри фонарика до 100~120 °С. При нагревании плотность воздуха становится меньше, а соответственно и его вес. Воздух внутри фонарика становится легче воздуха снаружи. И поэтому фонарик всплывает в "холодном воздухе" подобно тому, как бутылка всплывает в воде.

Плотность нагретого воздуха внутри фонарика можно посчитать, используя уравнение состояния идеального газа:

где ρ — плотность воздуха, p — абсолютное давление, R — универсальная газовая постоянная для сухого воздуха) и T — абсолютная температура в Кельвинах.

Объем среднего фонарика, приблизительно 0.25 м³. При стандартном атмосферном давлении в 101,325 КПа и температуре воздуха 20 °С, плотность атмосферного воздуха составляет 1,2041 кг⁄м³. Отсюда следует, что вес воздуха в фонарике объемом 0.25 м³ составит около 300 грамм.

При нагревании воздуха внутри фонаря до температуры в 100 °С его плотность понизится, и составит 0,946 кг⁄м³. При такой плотности, воздух внутри фонарика будет весить уже не 300 г, а 236 г.
Вес конструкции среднего китайского фонарика около 50г. Общий вес фонарика 50 г + 236 г = 286 г Получается, что полный вес фонарика на 14 г меньше веса воздуха, занимающего такой же объем. Эта разница и есть, подъемная сила действующая на фонарик.

Вспомним что, согласно закону Архимеда:

на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости

где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела.

В нашем случае, выталкивающая сила : = 1,20кг⁄м³ × 9,8 м/с² × 0,25 м³ = 2,94 Н
Сила тяжести, действующая на фонарик: = 0,286 кг × 9,8 м/с² = 2,80 Н

Поведение фонарика зависит от соотношения между модулями силы тяжести и силы Архимеда , которые действуют на это тело.

Фонарик начнет подниматься в небо, если выполняется условие - . В нашем случае это условие выполняется, так как 2,80 Н < 2,94 Н