Сферическую оболочку воздушного шара делают из материала, квадратный метр которого имеет массу 1 кг. Шар наполняют гелием. Атмосферное давление 10^5 Па равно давлению гелия в шаре. Определите минимальную массу оболочки, при которой шар оторвётся от земли. Температура гелия и окружающего воздуха одинакова и равна 0 °С. (Площадь сферы S = 4πr^2, объём шара V = 4/3 π r 3)
от

1 Ответ

Дано:  
m_площади = 1 кг/м² (масса материала на квадратный метр)  
p_атм = 10^5 Па (атмосферное давление, равное давлению гелия в шаре)  
T = 0 °C = 273 K (температура окружающей среды)  

Найти:  
Минимальную массу оболочки шара, при которой он оторвется от земли  

Решение:  
Пусть m_об - масса оболочки шара, а r - радиус шара.  
Сила Архимеда, действующая на шар, равна разности веса шара и подъемной силы, обеспечивающей его полет:  
F_A = m_об * g = V * ρ_г * g  

где V - объем шара, ρ_г - плотность гелия, g - ускорение свободного падения.  
Для сферы объем и площадь можно выразить через радиус:  
V = 4/3 * π * r^3  
S = 4 * π * r^2  

Масса оболочки связана с площадью материала следующим образом:  
m_об = S * m_площади  

Подставим все значения и найдем минимальную массу оболочки:  
m_об * g = V * ρ_г * g  
S * m_площади * g = (4/3 * π * r^3) * ρ_г * g  
4 * π * r^2 * m_площади = (4/3 * π * r^3) * ρ_г  
r = 3 / m_площади * ρ_г  

Подставляем известные значения и решаем уравнение для нахождения минимальной массы оболочки:  
r = 3 / 1 * 0.1786 = 16.93 м  
m_об = S * m_площади = 4 * π * r^2 * m_площади = 4 * π * 16.93^2 * 1 ≈ 3601.8 кг  

Ответ:  
Минимальная масса оболочки шара, при которой он оторвется от земли, составляет примерно 3601.8 кг.
от