Устройство. Принцип действия

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 негорючим составом, чтобы она не загоралась. Каркас и купол небесного фонарика могут иметь различную форму, от стандартных геометрических фигур (цилиндр, шар) до изображений животных и популярных предметов обихода.

Принцип действия

Принцип полёта небесного фонарика

Пламя горелки нагревает воздух внутри фонарика до 100~120 °С. При нагревании плотность воздуха становится меньше, а соответственно и его масса. Воздух внутри фонарика становится легче воздуха снаружи, поэтому фонарик всплывает в холодном воздухе.^[4]

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 (287,058 ^Дж⁄_(кг·К)) и T — абсолютная температура в Кельвинах.

Объем среднего фонарика приблизительно равен 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 масса воздуха в фонарике объемом 0.25 м³ составит около 300 граммов.

При нагревании воздуха внутри фонаря до температуры в 100 °С его плотность понизится, и составит 0,946 кг⁄м³. При такой плотности, масса воздуха внутри фонарика будет уже не 300 г, а 236 г. Масса конструкции среднего китайского фонарика около 50 г. Общая масса фонарика (с нагретым воздухом внутри) 50 г + 236 г = 286 г. Получается, что полная масса фонарика на 14 г меньше массы воздуха, занимающего такой же объем. Эта разница отвечает подъемной силе, действующей на фонарик.

Согласно закону Архимеда на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа), F_A = ρgV, где ρ — плотность жидкости (газа), g — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела.

Для фонарика выталкивающая сила F_A = 1,20кг⁄м³ × 9,8 м/с² × 0,25 м³ = 2,94 Н. Сила тяжести, действующая на фонарик, F_T = 0,286 кг × 9,8 м/с² = 2,80 Н.

Поведение фонарика зависит от соотношения между модулями силы тяжести F_T и силы Архимеда F_A, которые действуют на это тело. Фонарик начнет подниматься в небо, если выполняется условие F_T < F_A. В нашем случае это условие выполняется, так как 2,80 Н < 2,94 Н.

] Некоторые характеристики

Вес среднего небесного фонарика составляет 100—150 г. Высота подъема обычно находится в пределах 200—500 метров, время горения топлива в горелке — 15-20 минут. Высота фонарика

] Безопасность при эксплуатации

При запуске небесных фонариков нужно соблюдать определенные требования безопасности^[5]. Например, нельзя запускать их в непосредственной близости от аэропортов и пожароопасных сооружений. Во избежание возгораний нельзя запускать фонарики в ветреную погоду.