Гравитация и воздушный шар - 1

Разбираться с физическим смыслом гравитационной силы мы будем на примере воздушных шаров. Как я уже ранее говорил, нет оснований считать, что материальные тела притягиваются к Земле. Объяснение причины падения тел на Землю притяжением к ней возникло от того, что люди не могли правильно объяснить это явление. Заблуждение продолжается и по сей день.

                         Рис. 1

На рисунке 1 изображены 3 шара заполненные газом, 1шар заполненный водой, и 1 шар выполнен просто из железа.

Все шары окружены воздухом. Стрелками указано направление действия силы тяжести.

Общим для всех шаров является то, что сила веса, это результирующая сил давления атомов молекул воздуха и атомов молекул вещества находящегося внутри шаров, на оболочки шаров. Для железного шара сила веса это результирующая сил давления атомов поверхности шара на атомы молекул воздуха.

Рассматривать причины возникновения давления я буду с точки зрения моей теории строения ятомов и материи которую можно посмотреть по ссылке.

Как известно давление атмосферы по мере приближения к поверхности Земли увеличивается. Увеличивается так же и плотность вещества. Энергия вращения атомов передается от Солнца к поверхности Земли. Чем ближе атом газа находиться к поверхности Земли, тем меньше его энергия вращения вокруг собственной оси. Это происходит потому, что при соударении атомов часть энергии врашения превращается в энергию поступательного движения.

Чем больше разница в линейных скоростях точек поверхности соударяющихся атомов, тем больше происходит уменьшение скорости вращения и увеличивается линейная скорость движения атомов. Поэтому расстояние, на которое атомы удаляются при столкновении становится большим. Или как мы говорим, внутреннее давление вещества увеличивается, что приводит к увеличению абъема газа, жидкости или твердого тела.

Изменение частоты вращения атомов зафиксировано наукой:

На основании экспериментов, в основе которых лежит эффект Мёссбауэра, установлено, что частота колебательных процессов на атомарном уровне зависит от расстояния до гравитирующего тела: чем ближе атом к поверхности, тем частота его колебаний меньше. В условиях, например, Земли это отличие практически незаметно (порядок относительного градиента 2,4* 10^-15 на 22 метров высоты), но регистрируется с помощью атомных часов. Такие часы вблизи земной поверхности идут медленнее, чем на некоторой высоте от неё.

Чем плотнее вещество, тем большее количество атомов в единице объема оно имеет. Следовательно вещество с большей плотностью лучше передает энергию вращательного движения от атома к атому(тепловую энергию), чем вещество с меньшей плотностью. Поэтому например у воды скорость передачи энергии намного больше, чем у воздуха.

Почему атомы имеющие большую энергию вращательного движения (атомы молекул теплого воздуха) поднимаются вверх?

                        Рис. 2

На рисунке 2 условно изображены атомы послойно расположенные вокруг поверхности Земли. Причем, чем дальше от поверхности Земли, тем скорость вращения атома выше (изменяется от 7 условных едениц до 14). Если каким то образом в слой атомов с энергией в 10 единиц попадет атом с энергией в 14 единиц, то он будет перемещаться в верхние слои до тех пор, пока не достигнет слоя с энергией в 14 единиц.

Это произойдет по следующей причине. При соударении с каждым из 4 атомов его окружающих он будет от них отскакивать. Причем сила удара будет зависеть от разности в скоростях вращения атомов вокруг собственной оси. Слева и справа от нашего атома стоят атомы с энергией в 10 единиц. Сила ударов при столкновении с каждым из них будет одинакова. Силы уравновесят друг друга. Атомы сверху и снизу имеют различную энергию вращения (11 и 9 единиц). Поэтому сила удара снизу будет больше чем сверху. Наш атом будет двигаться вверх.

По такому принципу атомы теплого воздуха поднимаются вверх. Хочу напомнить, что это только принцип процесса.

Воздушный шар наполненный горячим воздухом

Рис. 3

Как видно из рисунка 3 воздушный шар имеет очень простое устройство. Он состоит из оболочки 1, парашютного клапана 2, веревки для открывания клапана 3, корзины 4, газовой горелки 5.

Воздушный шар наполнен обычным воздухом, который подогревается газовой горелкой 5 через открытую горловину в нижней части оболочки.

На вопрос почему поднимается воздушный шар, классическая физика утверждает, что на него действует выталкивающая сила Архимеда. (нагретый воздух имеет меньшую плотность чем холодный).

Что же такое сила Архимеда и как она дествует на тело погруженное в жидкость или газ нетрудно выяснить из любого учебника по физике, что мы сейчас и сделаем.

ЗАКОН АРХИМЕДА – закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

Чтобы понять природу силы, действующей на погруженное тело со стороны жидкости, достаточно рассмотреть простой пример (рис. 4).

Рис. 4

Кубик с ребром a погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что более высокий столбик жидкости более сильно давит на основание. Гораздо менее очевидно (или совсем не очевидно), что это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.

Если рассмотреть силы, действующие на кубик (рис. 1), то в силу очевидной симметрии силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и на нижнюю грани. Пусть h – глубина погружения верхней грани, r – плотность жидкости, g – ускорение силы тяжести; тогда давление на верхнюю грань равно

r · g · h = p₁

а на нижнюю

r · g(h+a) = p₂

Сила давления равна давлению, умноженному на площадь, т.е.

F₁ = p₁ · a\up122, F₂ = p₂ · a\up122 , где a – ребро кубика,

причем сила F₁ направлена вниз, а сила F₂ – вверх. Таким образом, действие жидкости на кубик сводится к двум силам – F₁ и F₂ и определяется их разностью, которая и является выталкивающей силой:

F₂ – F₁ =r · g · (h+a) a\up122 – rgha ·a² = pga²

Сила – выталкивающая, так как нижняя грань, естественно, расположена ниже верхней и сила, действующая вверх, больше, чем сила, действующая вниз. Величина F₂ – F₁ = pga³ равна объему тела (кубика) a³, умноженному на вес одного кубического сантиметра жидкости (если принять за единицу длины 1 см). Другими словами, выталкивающая сила, которую часто называют архимедовой силой, равна весу жидкости в объеме тела и направлена вверх. Этот закон установил античный греческий ученый Архимед, один из величайших ученых Земли.  

Историческая справка : 

Он доказывает далее, что тела одинакового удельного веса с жидкостью (он называет их "равнотяжелыми с жидкостью") погружаются настолько, что их поверхность совпадает с поверхностью жидкости. Более легкое тело погружается настолько, что объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имеет вес, равный весу всего тела. Путем логических рассуждений Архимед приходит к предположениям, содержащим формулировку его закона:

"VI. Тела более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела".

"VII. Тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела".

Как действуют на наружнюю поверхность нашего воздушного шара выталкивающие силы Архимеда? Куда приложены? Вы будите смеяться, но никак не действуют!!!!!!

Наш воздушный шар имеет большое отверстие внизу оболочки, поэтому давление внизу шара снаружи и внутри одинаковые. Как же может выталкиваться оставшаяся нижняя часть оболочки вверх, если давление на нее сверху и снизу одинаковое? Ответ однозначен - никак!

Парашутный клапан расположенный в верхней части шара  имеет очень простое устройство. Клапан сделан из такой же прорезиненной ткани, как и вся оболочка шара. Герметичность его обеспечивается тем, что края клапана за счет давления изнутри шара прижимаются к краям отверстия в оболочке шара (см. Рис 3)

Таким образом клапан закрыт только в том случае, если давление внутри шара (вверху) болше чем снаружи шара (вверху)!

Рис. 5

Это  вы и видете на рисунке 5. Что же произойдет с шаром, если закрыть отверстие внизу шара? Он будет так же как и раньше подниматься вверх, до тех пор пока воздух не остынет.

Таким образом выталкивающая сила Архимеда не действует на воздушный шар. Если бы она давила снизу на оболочку шара, то шар бы сплющился и превратился в эллипсоид.

Эту же картину можно пронаблюдать и на примере пузырька газа поднимающегося в жидкости. Он имеет круглую форму, а следовательно, так же как и наш воздушный шар поднимается вверх потому, что силы давления  действующие на верхнюю часть оболочки изнутри шара больше, чем силы давления на верхнюю часть оболочки шара снаружи.

Получается, что шар не выталкивается давлением  наружнего воздуха вверх, а выталкивает сам себя вверх (как по барону Мюнхаузену -  вытягивает сам себя за волосы из болота).

Я не думаю, что я первый, кто до этого догадался. Так же могу себе представить, что в рамках современной физики объяснить этот феномен невозможно!  Но тогда нужно так громко и заявить что мы не знаем! И не зачем умышленно обманывать людей начиная со школьной скамьи.

Учитывая то, что на одном километре высоты над поверхностью Земли давление атмосферы воздуха уменьшается на 0,1 атмосферу, то на 1 метр высоты это значение составит 0,0001ат.

Один кубический метр воздуха нагретого до температуры в 100 градусов Цельсия поднимает вес 350 гр.

Таким образом, если представить себе воздушный шар в виде куба со стороной в 1 метр, то на каждый квадратный сантиметр верхней боковой поверхности куба будет действовать избыточная сила

 в 0,0035гр. Такую силу давления воздуха можно вполне измерить с помощью барометра.  Почему же тогда никто не производил таких измерений? Конечно производили, но ничего не намеряли. Никакой разницы давления воздуха внутри и снаружи шара не обнаружили!

Как же так спросите вы? С одной стороны мы видим, что шар поднимается за счет того, что существует разница в давлениях газа на оболочку шара. А с другой не можем эту разницу в давлениях измерить, хотя по расчетам она лежит в области измерения имеющихся приборов.

Вопрос не простой. Ответить на него правильно, опираясь на утверждения классической физики нельзя.

 Современная теория газов МКТ говорит о том, что молекулы и атомы газов двигаются хаотически.

Поэтому говорить о изменении давления с высотой при хаотическом двежении нельзя, так как движение более теплых молекул вверх – это уже не хаос , а определенная закономерность.

Согласно моей теории молекула состоит из сферы, поверхность которой выстроена из атомов. Более подробно смотри по ссылке. Строение атома и материи. 

Рассмотрим наш воздушный шар на атомном уровне (Рис. 6)

Рис. 6

При соприкосновении молекул воздуха с оболочкой шара молекулы распадаются на отдельные атомы и образуют вокруг него несколько переходных слоев атомов. То же самое происходит и с молекулами воздуха внутри оболочки воздушного шара. Сама оболочка состоит тоже из атомов. Все атомы этой сложной конструкции вращаются вокруг собственной оси. Энергия вращения атомов теплого воздуха внутри шара расходуется на поступательное движение и соударение атомов между собой. Пополняется эта энергия за счет энергии вращения атомов молекул воздуха находящегося снаружи шара, если нет другого источника энергии. Чтобы такое вращение передать, необходимо выстроить такие цепочки атомов, в которых два рядом стоящих атома вращались бы в разные стороны.

Если атомы имеют одинаковые диаметры, и противоположное направление вращения, то при соударении их силы отталкивания очень малы.

Если при всем при этом они имеют различные скорости вращения вокруг своей оси, то силы отталкивания становяться большими. Шары начинают прецессировать, возрастает внутреннее давление в газе. Анологичная прецессия возникает и между атомами имеющими различные диаметры.

Увеличение скорости вращения атомов внутри воздушного шара производится нагреванием его с помощью газовой горелки. Так как  скорость вращения атомов воздуха внутри оболочки шара  больше чем атомов снаружи снаружи, то большим будет и прецессия (давление) на внутреннюю оболочку воздушного шара.  Атомы обладающие большей энергией вращения будут подниматься вверх, холодные двигаться вниз по принципу изложенному выше. Поэтому давление в верхней точке шара изнутри будет максимальным, по мере приближения к нижней горловине воздушного шара давление  на оболочку будет уменьшаться.

Максимальным будет давление в первом слое атомов газа соприкасающемся с оболочкой воздушного шара. Через несколько слоев атомов  давление уменьшается и становится минимальным в молекулах газа. Поэтому замерять мы его и не можем.  

Мы выяснили, что давление газа на оболочку шара изнутри больше, чем  снаружи. Но этого не достаточно, чтобы шар поднимался вверх. Если не будет изменения давления по высоте, то шар просто раздуется и все.

Рис. 7

На рисунке 7 изображен воздушный шар в виде куба. На половине оболочки шара изнутри и снаружи показано 2 атомных слоя. Синие кружки, это атомы холодного воздуха снаужи, желтые кружки -  горячего внутри шара.  Изменение частоты вращения атомов с высотой от поверхности Земли обозначены цифрами в условных единицах. Цель этого рисунка показать как влияет градиент изменения скорости вращения атомов на  величину давления газов на оболочку шара и количественно оценить его изменение по высоте. Результирующую силу и направление ее действия вы можите увидеть в квадратиках со стрелками. Если сила равна нулю, то стрелка отсутствует. Форма оболочки воздушного шара построенного по результирующим силам изображена тут же внутри квадрата. Так как внизу шара имеется отверстие, то скорость вращения атомов одинакова. Скорость изменения частоты вращения атомов у горячего воздуха (7 » 38) больше чем у холодного (7 « 31).

Это и является определяющим в направлении результирующей силы действующей  на оболочку воздушного шара. В данном случае эта сила направлена вверх.

Если скорость изменения частоты вращения атомов внутри шара будет  меньше чем у атомов снаружи шара, то результирующая сила действующая на оболочку шара будет направлена вниз. Подробнее об этом я расскажу когда буду рассматривать Воздушный шар наполненный водой.

Вывод: Воздушный шар наполненный горячим воздухом поднимается вверх потому, что прецессия(давление) атомного слоя воздуха внутри оболочки(вверху) больше чем прецессия(давление) атомного слоя воздуха снаружи оболочки воздушного шара(вверху). Также необходимым условием для подъема воздушного  шара является то, что скорость изменения частоты вращения атомов  по мере удаления от поверхности Земли, внутри шара больше, чем снаружи.

Об остальных шарах вы узнаете на следующей странице.

09.01.2010 Alexander Stumpf