28. Где источник энергии?
Воздушный шар вытесняет некоторый объём воздуха, масса которого больше массы шара, так как для заполнения оболочки выбирается газ с плотностью, меньшей, чем у воздуха. При подъёме шара на высоту Н его потенциальная энергия увеличивается на величину VDgH, где V – объём шара, D – средняя плотность и g – ускорение силы тяжести.
В тоже время на занимаемое им место опускаетс с той же высоты воздух, потенциальная энергия которого уменьшается на величину VD'gH, где D' – плотность воздуха.
В результате потенциальная энергия системы "атмосфера – уменьшается на величину:
V g H (D' – D) > 0.
За счёт этого выигрыша в энергии и поднимается шар. Значит, здесь действует та же причина, которая заставляет всплывать в воде куски дерева, пузырьки газа, поднимает клубы дыма т.п., – стремление системы перейти в состояние с минимальным значением потенциальной энергии.При решении задач о шаре мы принимали для простоты плотности водуха и газа постоянными. Фактически же плотность воздуха падает с высотой. Уменьшается при подъёме и плотность заполняющего шар газа, так как он всё сильнее растягивает оболочку шара, стремясь уравнять давления внутри шара и в окружающем пространстве. Однако плотность газа уменьшается не беспредельно, поскольку этому мешает оболочка. Поэтому на некоторой высоте плотность воздуха становится равной средней плотности шара, и дальнейший подъём прекращается.
Дым от печки поднимается вверх.