Термодинамика (нет… — Задание ЕГЭ по физике №00017567

Идея

Фонарик плавает в воздухе так же, как поплавок в воде. Чтобы тело всплывало, выталкивающая (архимедова) сила должна превышать его вес. А вес зависит и от массы воздуха внутри мешка — значит, ключ к задаче в том, как нагрев меняет плотность этого воздуха.

Фаза 1. Поджигание и разогрев

Пламя нагревает воздух внутри бумажного мешка. При нагревании газа при постоянном давлении (мешок открыт снизу, давление равно атмосферному) часть воздуха выходит наружу, и плотность оставшегося уменьшается (горячий воздух «реже» холодного). Значит, масса воздуха в мешке, а с ней и общий вес фонарика, становятся меньше.

Фаза 2. Взлёт и подъём

На фонарик действуют вниз — сила тяжести (оболочка, каркас, горючее и тёплый воздух внутри), вверх — сила Архимеда: F_A = ρ_возд g V, где ρ_возд — плотность холодного наружного воздуха, V — объём мешка. Архимедова сила определяется плотностью вытесняемого холодного воздуха и не уменьшается, а вес из-за нагрева уменьшился. Как только F_A > mg, равнодействующая направлена вверх — фонарик взлетает (второй закон Ньютона). Поднимаясь, он держится на высоте, пока горючее греет воздух и поддерживает малую плотность внутри.

Фаза 3. Прогорание и спуск

Когда горючее догорает, нагрев прекращается. Воздух внутри остывает, его плотность растёт, в мешок «набирается» более тяжёлый воздух, вес увеличивается. Теперь mg > F_A, равнодействующая направлена вниз — фонарик плавно снижается и приземляется, иногда далеко от точки старта (его сносит ветром).

В чём опасность

Фонарик может опуститься с ещё горящим или тлеющим горючим (а бумажная оболочка тоже горюча). Приземлившись на сухую траву, деревья, крышу или среди построек, он способен вызвать пожар. Ветер при этом сносит фонарик в непредсказуемое место и раздувает огонь — поэтому в городе, в лесу и в ветреную погоду запуск особенно опасен.

Итог: подъём обеспечивает сила Архимеда (нагретый воздух легче), спуск — остывание воздуха; опасность — приземление горящего фонарика и пожар.