Условие задачи:
Какой радиус должен иметь наполненный гелием воздушный шар, чтобы он мог подняться в воздух, если масса 1 м2 оболочки шара 50 г? Температура воздуха 27° C, давление 100 кПа.
Задача №4.2.80 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»
Дано:
\(m_0=50\) г/м2, \(t=27^\circ\) C, \(p_0=100\) кПа, \(r-?\)
Решение задачи:
Шар поднимется в воздух, если сила Архимеда станет равной силе тяжести, то есть выполнится условие плавания тел:
\[{F_А} = \left( {{m_0}S + m} \right)g\]
В этой формуле \(S\) — площадь поверхности воздушного шара, \(m\) — масса гелия, заключённого в шаре.
Выталкивающую силу (силу Архимеда) найдём по следующей формуле:
\[{F_А} = {\rho _в}gV\]
Здесь \(\rho_в\) — плотность окружающего воздуха, а \(V\) — объем воздушного шара. Тогда:
\[{\rho _в}gV = \left( {{m_0}S + m} \right)g\]
\[{\rho _в}V = {m_0}S + m\;\;\;\;(1)\]
Чтобы определить плотность воздуха \(\rho_в\) и массу гелия \(m\), запишем дважды уравнение Клапейрона-Менделеева для воздуха произвольного объема \(V_1\) и гелия. Отметим, что давления окружающего воздуха и гелия внутри шара равны друг другу:
\[\left\{ \begin{gathered}
{p_0}{V_1} = \frac{{{m_1}}}{{{M_в}}}RT \hfill \\
{p_0}V = \frac{m}{M}RT \hfill \\
\end{gathered} \right.\]
Молярная масса воздуха \(M_в\) равна 0,029 кг/моль, гелия \(M\) — 0,004 кг/моль.
Поделим обе части верхнего уравнения системы на \(V_1\). Отношение массы воздуха \(m_1\) к объему \(V_1\), который занимает эта масса воздуха, есть плотность воздуха \(\rho_в\), поэтому:
\[\left\{ \begin{gathered}
{p_0} = \frac{{{\rho _1}}}{{{M_в}}}RT \hfill \\
{p_0}V = \frac{m}{M}RT \hfill \\
\end{gathered} \right.\]
Из первого уравнения выразим плотность воздуха \(\rho_в\), а из второго — массу гелия \(m\):
\[\left\{ \begin{gathered}
{\rho _в} = \frac{{{p_0}{M_в}}}{{RT}} \hfill \\
m = \frac{{{p_0}VM}}{{RT}} \hfill \\
\end{gathered} \right.\]
С учётом полученных выражений формула (1) примет вид:
\[\frac{{{p_0}{M_в}}}{{RT}}V = {m_0}S + \frac{{{p_0}VM}}{{RT}}\]
Площадь поверхности шара \(S\) и объем шара \(V\) определяют по формулам:
\[\left\{ \begin{gathered}
S = 4\pi {r^2} \hfill \\
V = \frac{4}{3}\pi {r^3} \hfill \\
\end{gathered} \right.\]
Тогда:
\[\frac{{{p_0}{M_в}}}{{RT}} \cdot \frac{4}{3}\pi {r^3} = {m_0} \cdot 4\pi {r^2} + \frac{{{p_0}M}}{{RT}} \cdot \frac{4}{3}\pi {r^3}\]
\[\frac{{{p_0}{M_в}}}{{RT}} \cdot \frac{r}{3} = {m_0} + \frac{{{p_0}M}}{{RT}} \cdot \frac{r}{3}\]
\[\frac{{r{p_0}\left( {{M_в} — M} \right)}}{{3RT}} = {m_0}\]
Решение задачи в общем виде получилось таким:
\[r = \frac{{3{m_0}RT}}{{{p_0}\left( {{M_в} — M} \right)}}\]
Переведём некоторые величины в систему СИ:
\[50\;г/м^2 = 0,05\;кг/м^2\]
\[27^\circ\;C = 300\;К\]
Посчитаем численное значение радиуса шара \(r\):
\[r = \frac{{3 \cdot 0,05 \cdot 8,31 \cdot 300}}{{100 \cdot {{10}^3} \cdot \left( {0,029 — 0,004} \right)}} = 0,15\;м\]
Ответ: 0,15 м.
Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.
Смотрите также задачи:
4.2.79 В некотором процессе давление и объем идеального газа связаны соотношением
4.2.81 Надувной шарик, заполненный гелием, удерживают на нити. Найдите натяжение нити
4.2.82 Два баллона с объемами 20 и 10 л соединены длинной тонкой трубкой и содержат 6 моль
![](/mark_r_img.png)
Воздушный шар диаметром 8 м наполнен гелием. Какую массу гелия должен содержать шар, чтобы при нормальном атмосферном давлении 105 Па и температуре 20°С поднять груз массой 80 кг? Молярная масса воздуха 0,029 кг/моль. Ответ привести в кг, округлив до целого.
Помогите мне с этой задачей
Пусть \(M\) — масса груза, \(m\) — масса гелия, \(\rho\) — плотность воздуха, \(V\) — объем шара. Запишем условие плавания шара с грузом:\[\left( {M + m} \right)g = \rho gV\]Объем воздушного шара найдем по формуле:\[V = \frac{4}{3}\pi {R^3} = \frac{4}{3}\pi {\left( {\frac{D}{2}} \right)^3} = \frac{1}{6}\pi {D^3}\]Для определения плотности окружающего воздуха запишем уравнение Клапейрона-Менделеева:\[pV = \frac{{{m_1}}}{M}RT\]\[\rho = \frac{{{m_1}}}{V} = \frac{{pM}}{{RT}}\]В результате получим:\[M + m = \frac{{pM}}{{RT}} \cdot \frac{1}{6}\pi {D^3}\]Тогда:\[m = \frac{{pM}}{{RT}} \cdot \frac{1}{6}\pi {D^3} — M\]\[m = \frac{{\pi {D^3}pM}}{{6RT}} — M\]Численный ответ равен:\[m = \frac{{3,14 \cdot {8^3} \cdot {{10}^5} \cdot 0,029}}{{6 \cdot 8,31 \cdot 293}} — 80 = 239,1\;кг\]Замечу, что в задаче не учитывается масса материала шара, что довольно странно.
«Отметим, что давления окружающего воздуха и гелия внутри шара равны друг другу»
А когда они равны не будут ?При закачке шарика воздухом, объем увеличивается пропорционально массе p*V=(m/M)*R*T и давление не изменяется.Но если V=const, а m растет, то давления окружающего воздуха и гелия внутри шара равны не будут. Является ли правильным это утверждение ?
В случае с шаром (т.е. с тонкой оболочкой) давление гелия внутри него будет равно атмосферному давлению снаружи.
С точки зрения уравнения Клапейрона-Менделеева Вы рассуждаете верно, но Вы когда-нибудь видели шарик, который не увеличивается в размерах (т.е. V=const) при закачке в него воздуха?
Нет, это я чисто образно для понимания.