Аэростат (упрощенно воздушный шар) – летательный аппарат легче воздуха. Подъемная сила аэростата создается заключенным в оболочке нагретым воздухом или легким газом. Аэростаты, в оболочках которых используется горячий воздух, называются монгольфьерами (рисунок 1).

 

Оболочка монгольфьера изготавливается из прочного воздухонепроницаемого материала (нейлон, капрон, лавсан). Снаружи оболочка обтягивается веревочной сеткой, к нижней части которой крепится гондола. В гондоле размещаются нагревательные элементы (в настоящее время применяются газовые горелки) и груз. Оболочка монгольфьера имеет отверстие в нижней части (над гондолой). При включении горелки нагретый воздух устремляется в оболочку аэростата и заполняет ее. Поскольку плотность воздуха при постоянном объеме и давлении обратно пропорциональна температуре (модель идеального газа), воздух в оболочке имеет меньшую плотность, чем воздух окружающей среды. За счет разности плотностей возникает сила Архимеда

(1)

направленная вверх. Здесь ρ – плотность окружающей среды, V – объем аэростата, g – ускорение свободного падения. Кроме архимедовой силы на шар массы m действует сила земного притяжения

(2)

Зависимость изменения концентрации (или плотности) атмосферного воздуха с расстоянием до поверхности Земли описывается барометрической формулой

(3)

где ρ0 – плотность на высоте h0, k – постоянная Больцмана, T – температура. Отсюда следует, что архимедова сила (при выключенных нагревателях и отсутствии тепловых потерь) будет уменьшаться при увеличении расстояния до поверхности Земли. Таким образом, аэростат с нагретым воздухом будет совершать подъем в атмосфере до тех пор, пока архимедова сила не будет уравновешена силой притяжения. Из (1)-(3) следует, что равновесие достигается на высоте

(4)

Различают привязные, свободнолетящие и аэростаты с двигателем (дирижабли). Монгольфьеры двигателями не оснащаются. В полете высоту шара регулируют с помощью горелки и воздушных клапанов в оболочке, через которые можно частично выпускать нагретый воздух. Перемещение в горизонтальном направлении осуществляется с помощью воздушных течений.

 

Основные области применения в настоящее время – подъем на необходимую высоту систем видеонаблюдения, связи, осуществление метеорологических исследований, спортивное воздухоплавание. В первой половине XX в. аэростаты, в первую очередь дирижабли, использовались в военных, транспортных и исследовательских целях.

Монгольфьер (фр. Montgolfière) — аэростат с оболочкой, наполненной горячим воздухом. Название получил по фамилии изобретателей братьев Монгольфье — Жозеф-Мишеля и Жак-Этьенна. Первый полет совершил в городе Аннонэ (Annonay, Франция) 5 июня 1783 года.

Шарльер — аэростат, наполненный водородом, гелием или другими газами легче воздуха. Назван по имени французского учёного и изобретателя Жака Александра Сезара Шарля. Первый полёт совершил 27 августа 1783 года на Марсовом поле в Париже. Французский профессор физики Жак Шарль было считал, что дымный воздух — это не лучшее решение, ведь горячий воздух остывает, чего нельзя сказать о водороде, так как он изначально легче воздуха. Жак Шарль использовал лёгкую шелковую ткань, смоченную раствором каучука в скипидаре, в качестве оболочки, способной длительное время держать летучий газ.