Номер 3, страница 145 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

3. Почему для увеличения высоты подъема воздушного шара с него приходится сбрасывать груз (балласт)?

3. Почему для увеличения высоты подъема воздушного шара с него приходится сбрасывать груз (балласт)?

Подъем и движение воздушного шара в атмосфере определяются соотношением двух основных сил: выталкивающей силы Архимеда, направленной вверх, и силы тяжести, направленной вниз.

1. Сила тяжести ($F_g$) — это суммарный вес шара, включая оболочку, корзину, оборудование и груз (балласт). Она рассчитывается по формуле $F_g = m_{общая} \cdot g$, где $m_{общая}$ — общая масса шара, а $g$ — ускорение свободного падения.

2. Выталкивающая сила ($F_A$), или сила Архимеда, равна весу воздуха, который вытесняет шар. Ее формула: $F_A = \rho_{воздуха} \cdot g \cdot V_{шара}$, где $\rho_{воздуха}$ — плотность окружающего воздуха, а $V_{шара}$ — объем шара.

Шар поднимается, когда выталкивающая сила больше силы тяжести ($F_A > F_g$). Он прекращает подъем и зависает на определенной высоте, когда эти силы уравновешиваются ($F_A = F_g$).

Ключевым фактором является то, что с увеличением высоты плотность атмосферного воздуха ($\rho_{воздуха}$) уменьшается. Следовательно, уменьшается и выталкивающая сила ($F_A$), действующая на шар. В какой-то момент подъема шар достигает "потолка" — высоты, на которой его вес ($F_g$) становится равен выталкивающей силе ($F_A$). Дальнейший самостоятельный подъем невозможен.

Чтобы подняться еще выше, необходимо снова сделать выталкивающую силу больше силы тяжести. Поскольку увеличить выталкивающую силу на данной высоте невозможно (она зависит от уже разреженного воздуха), единственным решением остается уменьшить силу тяжести. Именно для этого с шара сбрасывают балласт — специально взятый груз (например, мешки с песком). Уменьшение общей массы ($m_{общая}$) приводит к уменьшению силы тяжести ($F_g$). В результате условие $F_A > F_g$ снова выполняется, и шар продолжает свой подъем до тех пор, пока не достигнет новой, еще большей высоты, где его уменьшившийся вес снова не уравновесится еще более слабой выталкивающей силой.

Ответ: Сбрасывание груза (балласта) необходимо для уменьшения общей массы и силы тяжести воздушного шара. Это позволяет подъемной силе Архимеда, которая ослабевает с высотой из-за разрежения воздуха, снова превысить силу тяжести и обеспечить шару подъем на большую высоту.