Balon stratosferyczny - Koło Naukowe Fizyków

KOŁO NAUKOWE FIZYKÓW PRZY POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ
Wydział Fizyki PW
ul. Koszykowa 75 p. 312, 00-662 Warszawa
tel. (22) 234 79 59, e-mail: [email protected]
www.knf.pw.edu.pl
Balon stratosferyczny
Przemysław Dzięgielewski
Koło Naukowe Fizyków
Warszawa 2012
1. Wstęp
Historia wykorzystania balonów meteorologicznych sięga początków prowadzenia
dokładnych pomiarów atmosfery a więc przełomu XIX i XX wieku. W roku 1937 z
inicjatywy prof. Wolfkego zrodził się w Polsce pomysł wysłania w stratosferę załogowego
balonu stratosferycznego, któremu nadano później nazwę „Gwiazda Polski”. Przy pierwszej
próbie startu w roku 1938 ze względu na złą pogodę lot przełożono, a wypełniający balon
wodór postanowiono wypuścić. Doszło wówczas do zapłonu i zniszczenia znacznej części
balonu, jednak podjęto jego naprawę. Następny start zaplanowano na rok 1939, niestety
plany pokrzyżował wybuch II wojny światowej.
W XXI wieku balony stratosferyczne są jednym z podstawowych źródeł informacji o stanie
atmosfery w wielu miejscach globu. W roku 2012 odbyła się załogowa misja Stratos balonu
stratosferycznego z Felixem Baumgartnerem na pokładzie, zakończona udanym skokiem z
wysokości 39 km co stanowi aktualny rekord świata.
Balon stratosferyczny
Balon jako całość składa się z dwóch zasadniczych elementów: balonu lateksowego oraz
podczepionego poniżej ładunku ze spadochronami. Lateksowy balon wypełnia się helem,
natomiast w ładunku instaluje się urządzenia pomiarowe, źródła zasilania, nadajnik i
odbiornik GPS. Pod ładunkiem zaczepia się spadochrony, które zaczynają pracę w czasie
swobodnego spadku.
Stratosfera
Atmosfera ziemska rozciąga się od powierzchni ziemi do
ok. 500 km n.p.m., jednak za umowną granicę kosmosu
przyjmuje się wysokość 100 km n.p.m. Powyżej zmienia się
stały do tej pory skład chemiczny, powietrze jest bardzo
rozrzedzone, przestają rozchodzić się drgania mechaniczne
np. dźwięk.
Stratosfera jest drugą po troposferze warstwą atmosfery.
Rozciąga się od 12 do 45-50 km n.p.m. W dolnej części s.
panuje prawie stała, niska temperatura rzędu -50°C, która
wzrasta do kilkunastu stopni w jej górnym krańcu.
Ozonosfera rozciąga się od 30 km i jest odpowiedzialna za
pochłanianie szkodliwego dla człowieka promieniowania
UV. W górnych warstwach s. ciśnienie dochodzi do 1 hPa
co stanowi 1/1000 ciśnienia przy powierzchni. W s.
występują prądy strumieniowe, silne wiatry odpowiedzialne
za przenoszenie pyłów i zanieczyszczeń powietrza na duże
odległości.
KOŁO NAUKOWE FIZYKÓW PRZY POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ
Wydział Fizyki PW
ul. Koszykowa 75 p. 312, 00-662 Warszawa
tel. (22) 234 79 59, e-mail: [email protected]
www.knf.pw.edu.pl
2. Cele projektu
Podstawowym celem projektu jest zdobycie przez członków i sympatyków Koła
Naukowego Fizyków wiedzy i doświadczenia w planowaniu i realizacji projektu
naukowego.
Celem samego eksperymentu jest:
- osiągnięcie możliwie największej wysokości lotu,
- pomiar kilku wielkości fizycznych znacząco różnych przy powierzchni Ziemi i w
stratosferze,
- zebranie materiału wizualnego z lotu w postaci zdjęć/filmu,
- analiza otrzymanych wyników.
3. Podstawy fizyczne
Balony stratosferyczne osiągają duże wysokości dzięki działaniu prawa Archimedesa, które
mówi, że na ciało zanurzone w płynie (cieczy, gazie lub plazmie) działa pionowa, skierowana ku
górze siła wyporu, której wartość jest równa ciężarowi wypartego płynu. Siła ta jest wypadkową
wszystkich sił parcia płynu na ciało.
Siłę wyporu wyrażamy wzorem 𝐹𝑤𝑦𝑝 = 𝜌𝑔𝑉 gdzie ρ – gęstość płynu, w którym zanurzone
jest ciało, g- stała grawitacji, V- objętość wypartego płynu.
Rozważmy zatem balon znajdujący się w powietrzu, przy powierzchni ziemi przy
normalnym ciśnieniu.
Ciężar balonu Q=mg. W stanie równowagi Q=Fwyp – balon jest
zawieszony nieruchomo w powietrzu.
Przyrównujemy Fwyp i Q:
mg=ρgV => m=ρV => V=m/ρ.
Otrzymaliśmy objętość balonu przy zadanym m. Zakładamy, że
znamy masę i nie powinna przekraczać ona 1kg ze względów
bezpieczeństwa. W podanym wzorze ρ oznacza gęstość powietrza.
Niech ρ=1,3 kg/m3. Otrzymujemy objętość balonu V=1/1,3=0,77m3
Jest to całkowita objętość balonu, czyli suma objętości balonu i
ładunku.
Interesuje nas minimalna ilość gazu wypełniającego balon (w naszym
przypadku helu) jaką potrzebujemy, aby balon unosił się do góry.
Jako, że znamy również gęstość helu ρHe=0,18kg/m3 i objętość
balonu1 wyznaczamy mHe=ρHeV=0,18*0,77=0,14 kg.
Otrzymaliśmy zatem, że aby unieść ładunek z balonem wystarczy go
napełnić 0,14kg helu. Szukamy teraz masy ładunku: m=mHe+mł => mł=m-mHe.
Przy założeniu całkowitej masy 1kg otrzymujemy masę ładunku mł=0,86kg.
1
Założyliśmy, że balon ma się unosić, więc przyjmujemy, że objętość samego gazu jest równa 0,77m3 pomijając
objętość ładunku.
KOŁO NAUKOWE FIZYKÓW PRZY POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ
Wydział Fizyki PW
ul. Koszykowa 75 p. 312, 00-662 Warszawa
tel. (22) 234 79 59, e-mail: [email protected]
www.knf.pw.edu.pl
Należy pamiętać, że sam balon musi mieć objętość o przynajmniej połowę większą niż
wyznaczona objętość gazu, gdyż w czasie wznoszenia ciśnienie powietrza atmosferycznego
będzie maleć co pociągnie za sobą wzrost objętości samego balonu. Na wysokości ok. 20
km ciśnienie gazu w balonie i ciśnienie atmosferyczne zrównują się i czas wznoszenia
zależy już tylko od wytrzymałości i elastyczności balonu.
4. Etapy realizacji
Realizację projektu należy podzielić na 3 części: przygotowanie doświadczenia,
eksperyment, analiza danych.
Przygotowanie:
Uczestnicy projektu zostaną podzieleni na kilka grup, z których każda będzie
odpowiedzialna za przygotowanie konkretnego elementu. Jedna z grup wykona testy na
małych balonikach napełnionych helem z dołączanymi masami, aby sprawdzić słuszność
rozważań teoretycznych. Na tym etapie należy zadbać o ubezpieczenie OC balonu oraz
nawiązać kontakt z Polską Agencją Żeglugi Powietrznej.
Eksperyment:
Doświadczenie ma największe szanse powodzenia przy bezwietrznej i bezchmurnej
pogodzie. Miejsce startu należy wybrać tak, aby w promieniu 30 km teren był płaski, słabo
zalesiony i niezurbanizowany. Ładunek balonu po pęknięciu spadnie na ziemię i należy
zadbać o to, aby ryzyko uderzenie w obiekty na powierzchni było jak najmniejsze.
Zasadnicza część eksperymentu powinna trwać ok. 4 godzin. Czas wznoszenia balonu
będzie zależał od przewidywanej wysokości. Czas swobodnego spadku wyniesie kilka
minut. Ostatecznie grupa uczestników projektu wyruszy w poszukiwaniu ładunku na
podstawie danych z GPS.
Analiza wyników
Ten etap będzie zależał od wybranych przez uczestników zagadnień. Wyniki zostaną
przedstawione w postaci sprawozdania.
5. Kosztorys
Dokładny kosztorys zostanie ustalony po wybraniu zagadnień pomiarowych. Koszt
wysłania balonu nie powinien przekroczyć 1000 zł.