Фішки для допитливих до предмету Фізика, 8 клас
Тема«Виштовхувальна сила. Закон Архімеда. Гідростатичне зважування. Умови плавання тіл.»

Світанок повітроплавання

Перший поштовх
... Кажуть, що коли людина літає у сновидіннях, то це ознака її фізичного  і духовного  росту. Так  і суспільство, піднімаючись  сходами  цивілізації, викохувало жагуче бажання побачити оточуючий світ з висоти пташиного польоту, поборовши силу  земного тяжіння. З часом, мрії мають властивість втілюватись у конкретні проекти, а нестачі у них у допитливого людського розуму і досконалих людських рук не відчувалось. А розпочалось все з дитячої забавки...

У давньому Китаї діти бавились іграшками виготовленими з  шкарлупи яйця.  Якщо видути вміст яйця через невеликі отвори, а потім закупоривши один з них, нагріти оболонку на вогнищі, то вона злітає  і тримається у повітрі деякий час, поки повітря всередині не вихолодиться. Певно, що ця забавка підказала один з  шляхів досягнення заповітної мрії людства. Важливим поштовхом до розвитку досліджень згаданого фізичного  феномену була ідея використання такого роду пристроїв для спостережень та сигналізації на полях  бойових дій. Існує декілька європейських описів використання повітряних апаратів в битві біля Легніце, де поляки воювали проти монгольських орд в 1241 році. Повітряний  апарат монголів без сумніву був запозичений у китайських сусідів. Він являв собою конус у вигляді дракона з факелом у пащі, з якої виривалось жахливе полум’я та дим, що використовувалось для подачі сигналів.

Прослідковується ще одна історична низка фактів, пов’язана з південоамериканською цивілізацією рівнини Наска. Як відомо, в 40-х роках нашого століття на цій рівнині, з літака було відкрите існування загадкових багатокілометрових малюнків, що вкривають величезні території. Згідно археологічних оцінок, фігури з’явились між 500 р. до н.е. і 900 р. н.е. Їх призначення тривалий час залишається історичною загадкою.  Досить імовірну гіпотезу висунули  члени міжнародної спілки досліджень з Майямі. В легендах інків, що захопили цю територію після зникнення культури наска, розповідається про хлопчика на ймення Антаркві, який, літаючи над позиціями ворогів, повідомляв про їхні пересування інкам. Єдиним можливим засобом для польоту була повітряна куля з бавовняно-паперової тканини. Глиняні вироби мешканців плато Наска інколи прикрашались малюнками предметів, що могли використовуватись як повітряні кулі. На текстильних виробах часто зображувались “літаючі” люди. Під час досліджень пограбованих могил індіанців були знайдені зразки тканини з дуже щільним переплетенням ниток. Давні перуанці виготовляли найтоншу тканину у тогочасному світі. Вона, без сумніву, могла бути використана для побудови повітряних куль. Згодом за малюнками  американцем Джимом Вудменом та англійцем Джуліаном Ноттом було побудовано прототип давньої повітряної кулі - “Кондор І”. Його виготовили з бавовняно-паперової тканини та дерева. В основі кулі прилаштували кошик для спостерігачів, з очерету, що росте на озері Тітікака. Куля повинна була наповнюватись гарячим димом, для чого і потрібні були “ями для випалювання”, знайдені по закінченні багатьох прямих ліній на плато. 23 листопада 1975 р. вони піднялися на “Кондорі І”, досягнувши висоти 380 футів, і перебували в повітрі декілька хвилин. Таким чином завершилась одна з сторінок експериментальної археології, додавши впевненості дослідникам у тому, що фігури в пустелі Наска використовувались як орієнтири при польотах.

Рис.1 Повітряна куля «Кондор

Ще одна ідея підняття людини у повітря пов’язана з традиційною китайською іграшкою - повітряним змієм.  Виготовлення повітряних зміїв починається з ІІІ ст. до н.е. Військові часто використовували зміїв для поширення листівок у ворожі стани і в якості платформ для спостереження за супротивником. Відома легенда про японського героя-самурая Минамото но Таметамо. Його заслали з Японії на віддалений острів разом з сином. Згідно легенди, Таметамо прив’язав сина ременями до змія і зміг переправити його назад. Найважливішу роль відігравав змій при ворожбі. Ось, що повідомляє відомий мандрівник Марко Поло, повернувшись в ХІІІ ст. з Китаю: ”Коли корабель відправляється у мандрівку, вони перевіряють, чи буде вдалою торгівля. Екіпаж споруджує  прямокутну раму з верболозу, прив’язуючи в кожному кутку мотузки, кінці яких зв’язують з канатом. Потім знаходять якогось недоумкуватого або п’яничку і  прив’язують його до рами, тому що навіть бідняк ні за що не згодиться піддати своє життя небезпеці. А небезпека таки існує, якщо підніметься сильний вітер. Раму ставлять проти вітру, що піднімає її і несе у небо, а люди тримають змія за довгий канат... Такими чином, якщо рама злітає  високо в небо, то корабель здійснить швидку і вдалу мандрівку... “

Відомо  також про експерименти з літальними апаратами важчими за повітря, які проводились греком Архітом з Таренти в Південній Сицілії у IV ст. до н.е. Грецькі та римські письменники розповідають, що  “дерев’яна голубка” рухалась за рахунок струменя повітря схованого в середині. Досліду Архіта наслідували єгипетські інженери з Александрії.

Рис.2 Сахарський планер

Цікава археологічна знахідка відноситься до  колекції реліквій IV-III ст. до н.е., що була знайдена 1898 року в Сахарі. Один з предметів, являє собою невеликий дерев’яний планер з розмахом крила 7 дюймів. Він відрізнявся від моделей птахів тим, що його хвіст займає вертикальне положення а крила плоскі. Ці факти вказують на значний аеродинамічний досвід конструкторів. Модель могла літати, хоча залишалась лише дитячою забавкою. забавкою.
Давні дослідники займались також питанням винайдення приладів, які б робили безпечним спуск людини з великої висоти. Легендарний китайський імператор Шунь скористався зв’язаними солом’яними капелюхами, щоб вистрибнути з палаючої башти. Більш імовірним є свідчення китайського злодія про його втечу з високої арабської мечеті для торгівців у Кантоні з ногою, відламаною від її найбільшого скарбу - золотого півника. Загнаний охороною на вершину мінарету зі своєю здобиччю, він стрибнув униз, тримаючись на двох парасольках без ручок. Вітер підхопив його, перетворивши парасольки на крила. Злодій, плануючи, приземлився, не зашкодивши своєму здоров’ю. Перші практичні схеми парашутів вже відносяться  до середніх віків і до них ми згодом повернемось.
Розповідаючи про досвід середньовічної Європи, варто пригадати ім’я великого дослідника природи Рожера Бекона (1214-1292). У своїх творах він повідомляв, що вміє підніматись у повітря, хоча документальних підтверджень його заяві не знайдено.

Ідея використання нагрітого повітря для польоту належить венеціанському інженеру Джованні ді Фонтана. Вона була виголошена ним 1425 року, хоча згодом він зрікся її, вважаючи цей намір нездійсненним і небезпечним.

Найвидатнішою постаттю середньовіччя у питанні здійснення польоту людини на основі суто наукових досліджень був Леонардо да Вінчі (1452-1519). Йому належать перші, фізично обґрунтовані проекти літальних апаратів важчих за повітря. Леонардо дослідив і описав з великою точністю політ птахів. Він знав про існування підіймальної сили, що діє на крило птаха; досить детально дослідив анатомію крила птаха, з’ясував динамічну роль центру ваги при русі та визначив опір повітря. 1490 року Леонардо спроектував модель літального апарату, що мала крила, схожі на крила кажана і яка використовувала для польоту мускульну силу людини. Через 15 років він розглядає можливість здійснення польоту на основі використання енергії вітру, тобто конструкцію планера. Невідомо чи винаходи Леонардо були втілені у життя, але у рукописах великого генія вони збереглися. В “Атлантичному кодексі” міститься найперший проект парашуту розрахованого на папері: ”Якщо людина має шатро з полотнища шириною 12 ліктів і 12  ліктів заввишки, то вона може стрибати з будь-якої великої висоти без шкоди для себе”. Відгуком цього винаходу є згадка про нього в книзі, що з’явилась 1695 року під назвою “Нові машини”, де вміщено малюнок літаючої людини “Homo volans”. Ще в одному рукописі Леонардо наведено проект гелікоптера, як геніальне передбачення сучасних машин: “...гвинтовий апарат, який, якщо обертати з великою швидкістю, вгвинчується в повітря і піднімається вгору”.

Рис.3 Homo volans

1670 року вперше прийшла абсолютно нова ідея єзуїтському  священику Франческо Лана Терці (1631-1687). Він у шостій главі свого твору ”Prodromo overo saggio di alcune inventioni nuove premesso all’Arte Maestra”(Передвісник або зразок деяких нових винаходів що надіслані Великому Мистецтву),  запропонував використати для підняття тіло, що було б легше за повітря, але не гаряче повітря. Ідея Лана ґрунтувалась на абсолютно вірному фізичному принципі. Досліди Торрічеллі були по тим часам вже добре відомими. Лана пропонував виготовити чотири порожнисті кулі діаметром 7,5 м кожна з листової міді завтовшки 0,1 мм і видалити з них повітря наступним чином: заповнити кулі водою, підняти їх на висоту 10 метрів, щоб вода по трубкам стекла вниз, а в кулях утворилась торрічеллієва порожнина. За розрахунками Лана підіймальна сила, що мала діяти на всі кулі складала би 4440 Н і була б достатньою для підняття дослідника разом з приладами. Кулі Лана пропонував приєднати до прямокутної платформи. Керувати польотом він розраховував скидаючи баласт з платформ або впускаючи у кулі повітря. Ця ідея була б нездійснена оскільки Лана не врахував міцності своєї  конструкції. Мідні кулі були б розчавлені зовнішнім атмосферним тиском, якщо б не тріснули ще в момент заповнення водою. Згодом ідея досить швидко була забута, але мрія залишалась.

1709 року бразильський священик-єзуїт Бартоломео де Гусма намагався продемонструвати політ повітряної кулі з паперу наповненої гарячим повітрям королю Португалії Іоану V. Чи вдалося це йому - різні джерела дають різну інформацію.

Надіслано главою ассоціації вчителів фізики «Шлях освіти-ХХI» Чернецьким І.С.