Когда воздушный шар – тепловой аэростат в наполненном состоянии находится на земле во время проведения различных праздничных мероприятий, то заглядывающая внутрь оболочки детвора часто громко восклицает: «Посмотрите, шар пустой, там ничего нет!».
И действительно, внутри оболочки ничего видимого для глаз нет, но на самом деле оболочка полностью заполнена горячим воздухом, повышенную температуру которого поддерживают периодически включаемые пилотом газовые горелки. Температура воздуха внутри оболочки может достигать 120°С.
Воздух, как и любой газ при нагревании, расширяется, его объём в условиях постоянного давления увеличивается, а плотность уменьшается по сравнению с плотностью воздуха за пределами оболочки. Более холодный плотный атмосферный воздух начинает выталкивать вверх горячий воздух оболочки, а тот в свою очередь увлекает за собой в небо оболочку аэростата и всё, что присоединено к ней – гондолу (корзину) с горелкой, газовыми баллонами, пилотом и пассажирами.
Подъёмная сила оболочки увеличивается с увеличением разности температуры воздуха внутри оболочки и температуры воздуха снаружи оболочки. В соответствии с законом Архимеда на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости или газа.
В оболочку пятиместного аэростата класса АХ-8 помещается 2550 м³ воздуха. Так как масса 1 м³ воздуха при температуре 20°С равна 1,2 кг, а масса оболочки составляет 125 кг, то масса полностью наполненной холодным воздухом оболочки составит: 125 кг + 2550 м³ × 1,2 кг = 3185 кг. Если нагреть воздух внутри оболочки до 120°С, то масса 1 м³ горячего воздуха уменьшится до 0,9 кг, а общая масса разогретой оболочки станет равна: 125 кг + 2550 м³ × 0,9 кг = 2420 кг.
Таким образом, разница в массе холодной и разогретой оболочки составит: 3185 − 2420 = 765 кг. По закону Архимеда эта разница в весе, и составит то «усилие» в 765 кг, с которым эта разогретая оболочка будет пытаться взлететь в небо.
Учитывая, что масса корзины с горелкой и двумя газовыми баллонами составляет 230 кг, то результирующая подъёмная сила такого аэростата составит: 765 − 230 = 535 кг. Получается, что этот аэростат свободно поднимет в небо пять пассажиров по 100 кг.
Конечно, в реальности подъёмная сила будет меньше рассчитанной нами из-за неравномерности распределения температуры воздуха по высоте оболочки, но, всё равно подъёмная сила такого аэростата достаточно велика.
Надо отметить, что с возрастанием температуры окружающего воздуха, подъёмная сила аэростата уменьшается, поскольку оболочку нельзя нагревать больше 120°С.
Для определения максимального веса, который воздушный шар может поднять при определённой температуре воздуха, пилот использует специальные таблицы. Так при температуре +35°С аэростат может лететь только с одним пилотом и без пассажиров.