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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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浮力的奇迹(下)

2018-05-19 18:04:00

  法国国王观赏公鸡上天

  1782年11月的某一天晚上,法国里昂的安诺内小镇上,有一位名叫约瑟夫·蒙特哥菲尔的造纸工人,面对壁炉忽发“奇想”:既然烟、火星能从烟囱中散发出去,那么能否利用这种气体让其他物体也升起来呢?于是,他做了一个丝质的球型口袋,在口袋底下点纸燃烧,热空气充到口袋里。一放手,口袋就飞上了天花板。约瑟夫立即与弟弟艾迪安在室外又做了一次实验,结果这个丝质口袋上升高度更是到了20米……

  蒙特哥菲尔兄弟两人兴奋之余,决定公开表演。前文曾说到,早在半个多世纪以前,俄国的克拉库特诺就做过类似的实验,结果被村民当作“魔鬼”而差点丧命。但时代的进步,给这两位法国兄弟带来了好运。1783年6月4日清晨,镇上居民纷纷涌到广场上观看。兄弟俩首先请人在地下挖了个坑道,上面留一个出烟口,一个直径为10.6米的口袋罩在出烟口上。两个年轻人在坑道里点火,另外8个壮汉分别拉扶着口袋。口袋随着黑烟的不断涌入,逐渐膨胀,进而浮起。一声哨响后,固定大口袋的绳索被割断,大气球立即冲上天空,上升高度达1800米,并飞行了大约10分钟,降落地距升空地超过1500米。

  蒙特哥菲尔兄弟向巴黎科学院报告了他们的成果后,很快被邀请到巴黎进行表演。1783年9月19日,凡尔赛宫前挤满了人,法国国王路易十六也率领满朝文武到场观看。

  这次表演的热气球是一个高17米、直径12米的大家伙,形状像一只倒挂的大梨。球体的表面覆盖了轻质的纱,上面还糊了一层防止漏气的纸。气球下面吊挂着一只用柳条编的笼子,笼子里装着准备升空的3位“乘客”:一只公鸡、一只鸭子和一头山羊。

  蒙特哥菲尔兄弟在气球下点燃发潮的布条和稻草,它们产生的热空气托着这只巨大的气球,连同3位“乘客”一起冉冉上升,飞到离地500米的空中。8分钟后,气球在3000米外降落。这3位“乘客”均安然无恙。国王高兴地授予两兄弟圣米歇尔勋章。他们深受鼓舞,决定进一步做载人飞行试验。国王本打算让两个死囚当“试验品”,并承诺如果这次飞行成功,就特赦他们。但有一位叫德·路泽尔的公民,认为这种荣誉不能给予死囚。1783年10月15日,国王改变主意,由德· 路泽尔乘坐。这一次,热气球上升到26米的高度,停留了约4.5分钟。同年11月21日,他又与另一位乘客达朗德斯,成功乘坐热气球上升到900米高空,并飞行25分钟,飘过8.8千米后安全降落。

  于是,1783年就以人类首次实现升空飞行而载入史册。

  飞艇退出“空中舞台”了么但是,法国一位物理学家夏尔认为,从产生浮力的角度看,氢气比热空气更适合填充气球球囊,因为它比同体积的热空气“轻”得多。1783年12月1日,夏尔和氢气球制作者罗伯特一起,乘坐这种氢气气球从巴黎起飞,成功飞行了43千米。

  后来,罗伯特觉得热气球也好,氢气球也好,不能控制飞行方向是一大缺陷。于是,他进行了改革,把气球做成一个长16米、直径10米的水滴形,气囊容积940立方米,载重数百千克。1784年7月6日,这种外观呈“鱼”形的气球第一次在巴黎近郊试飞。吊篮里共有7个人,他们用力划着木框上蒙着绸布的大桨,以此控制气球的航向。但是,在气球上升过程中,由于外边大气压减小,气球迅速膨胀,罗伯特当机立断用刀刺破气囊。气球终于有惊无险地着陆了。

  到20世纪时,由于蒸汽机、电动机等动力机械的发明,以“飞鱼”揭开序幕的飞艇正式登上“空中舞台”。

  特别是1936年,德国制造的“兴登堡号”飞艇,堪称当时的奇迹。它长248.6米,下面的吊厢可载乘客和乘务人员110名,有单人和双人仓室,仓室里设有可供应冷热水的浴室,还有一个大餐厅和一个小客厅。在吊厢两侧的走廊中,乘客们可以像在海船的甲板上那样散步,隔着玻璃窗观看天上人间的美景。

  可惜好景不长,1937年5月6日傍晚,“兴登堡号”停留在美国新泽西州莱克赫斯特海军航空总站上空时,其尾部突然起火。几秒钟之内,“兴登堡号”就变成了一团火球慢慢坠地。

  这次重大事故,不仅造成了36人死亡,更使人们对“飞艇”这种交通工具持完全否定的态度。因为那时飞艇充的都是氢气,氢气易燃易爆,遇到雷电风暴极易起火爆炸。在“兴登堡号”失事之前,就已经发生了多次类似事故。

  从20世纪80年代开始,飞艇“东山再起”。这要归功于高强度材料的出现,以及飞艇中的氢气被氦气代替了。氦气虽比氢气略“重”,但仍比空气“轻”得多,特别是氦气既不会自燃也不能助燃,是一种惰性气体,因而飞艇焕发出新的生命力。而且,与飞“兴登堡号”飞艇机相比,由于飞艇是依靠气囊的浮力升空的,艇上装的发动机只提供向前飞行的动力,因而在与飞机载重量相同的情况下,飞艇所用的动力仅为飞机的1/20。至于飞艇可以连续飞行数天乃至数十天,这更是飞机望尘莫及的。

  现代飞艇可以在许多领域大显身手,例如重达数百吨的大型机器设备就可以用飞艇来运载,既不必修路,也不用架桥……

  “双鹰Ⅱ号”横渡大西洋

  从1783年开始的近百年来,人类共进行过17次载人气球飞越大西洋的实验,但都以失败告终,其中有7人还为此献出了生命。失败的原因当然是多方面的,但很重要的一点是,在高空飞行过程中,由于昼夜的温差太大,气球随之剧烈地热胀冷缩,因而很难确保安全。

  1978年,美国的48岁的本·阿布鲁佐、44岁的马克西·安德森和31岁的拉里·纽曼三位飞行家,在充分吸取了前人失败的教训的基础上,精心设计制造了一只名叫“双鹰Ⅱ号”的气球。“双鹰Ⅱ号”高30米、直径为20米,球体是由尼龙和轻质人造橡胶制成,里面充满了氦气。根据阿基米德定律,气球越大,填充的氦气越多,所能携带物品的重量就越大。在这次横渡大西洋的计划中,吊舱中除了3个人,还有食物、饮料和必需的仪器设备,以及重达2000千克的压舱砂囊和铅块。根据测算,“双鹰Ⅱ号”球体内的氦气达5000立方米之多。

  3位飞行家还为“双鹰Ⅱ号”精心设计了球体的色彩:球体上半部分呈银白色,在白天可以反射太阳的热量,以免把氦气晒热,导致浮力过大,气球升得太高;下半部分呈黑色,由于夜晚海水的温度比气温要高,气球可以从海水中吸收这些热量,避免浮力急剧减少。气球的吊舱是一个5.2米长、2米宽、18米高的长方形盒子。吊舱底部做成双船身的形状——万一坠海失事,它也能在海面漂浮,避免倾覆。

  在听取了气象学家的建议后,“双鹰Ⅱ号”选择在当年8月11日,从美国东海岸缅因州的普雷斯克岛市起飞。之所以选择在此时此地,是因为可以遇到一股吹往欧洲的高空气流,它将以每小时30~40千米的速度,推动气球御风飞驰。

  同年8月11日,“双鹰Ⅱ号”在暮色苍茫中告别了美洲大陆,开始了充满冒险的航程。气球没有发动机,只能随风飘荡。风大,它就飘得快;风小,它就飘得慢。海洋上空的气候是多变的,上升的气流能把气球带上几千米,甚至几万米的高空,那里空气稀薄,缺乏氧气,气温极低,人难以忍受,这时飞行家们就打开阀门,放掉一部分氦气,减小浮力,降低飞艇高度;而当下降的气流把气球压向海面时,他们就抛掉一些压舱的砂囊和铅块,减轻吊舱的重量,使气球上升。他们就是这样通过改变气球的高度,来寻找自西向东的气流。然而当时天气预报的能力,只能提供72小时的天气状况,因此“双鹰Ⅱ号”吉凶难料。

  果然,大约飞行到全程的一半时遇到了第一次重大考验。猛烈的上升气流把气球推上7000米的高空,3位飞行家不得不戴上氧气面罩。可是第二天,气球由于高空严寒而导致表面结冰,重量加大,又突然降到1000米以下。值得庆幸的是,中午出现的阳光将冰融化,气球重新上升,他们所幸避免了葬身鱼腹的厄运。

  “双鹰Ⅱ号”在接近西欧海岸时,3位飞行家已经精疲力竭。为了保持高度,他们几乎抛光了所有的压舱重物,甚至将导航用仪器和通讯设备也丢入了大海。尽管如此,这只气球还是未能到达它的理想目的地——巴黎近郊的布尔歇机场,而是在距其100 千米之外的麦田里提前着陆了。但是,8月17日,当3位飞行家经过6个昼夜的飞行,终于从红黄相间、色彩鲜艳的吊舱中走出时,仍迎来了久候在那里的大批“粉丝”的热烈欢呼!这是由于他们不仅实现了载人气球横渡大西洋的壮举,而且创造了飞行距离最远和留空时间最长的2项世界纪录!

本文来自《科学24小时》

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