Часть 1. Наполним воздушный шар природным газом!

Прежде чем написать эту статью мы решили воспользоваться поиском в интернете и посмотреть делал ли кто-нибудь подобное. Если окажется, что да - лишний раз повторять такой эксперимент не стоило.

Однако большая часть материалов в сети посвящены самодельным монгольфьерам, поэтому мы решили кратко обрисовать перспективы применения метана для небольших моделей аэростатов. Из информации по теме нашли устрашающую заметку:

Житель Серова решил надуть воздушный шарик газом из плиты. Шарик взорвался.
"Экспериментатор" получил ожоги II степени.

Крайне необычное происшествие произошло 16 апреля на севере Свердловской области. Сообщение о нем поступило в дежурную часть УВД Серова от местных жителей в 15.35. Встревоженные граждане рассказали, что в двухкомнатной квартире №32, расположенной на четвертом этаже пятиэтажного жилого дома №119 по улице Луначарского прогремел взрыв, отчего выбило стекла, и есть пострадавшие.

Как сообщил JustMedia пресс-секретарь ГУВД по Свердловской области Валерий Горелых, по указанному адресу в срочном порядке выехали следственно-оперативная группа во главе с начальником УВД Серова полковником милиции Сергеем Букаловым, сотрудники УФСБ области, МЧС, газовой службы и "скорой помощи". В ходе расследования выяснилось, что в результате взрыва пострадал 26-летний Андрей Х., работающий формовщиком литейного цеха Серовского металлургического завода. Как установили медики, оказывавшие ему первую помощь, молодой человек получил термические ожоги II степени лица, живота и промежности. Особенно пострадавший волновался за сохранность своего мужского достоинства, оно, к счастью молодого человека, осталось целым.

Лишь чудом не пострадала хозяйка квартиры - 76-летняя пенсионерка Валентина Степановна Щербакова.

Как отметил Валерий Горелых, это происшествие не имеет отношения к терроризму или экстремизму. Причиной всему - обычная безалаберность. "Молодой человек решил надуть воздушный шарик, однако не воздухом и не общепринятым способом, а природным газом из газовой плиты,- сообщил JustMedia Валерий Горелых. - С этой целью он открыл конфорку, чтобы наполнить шарик газом, а потом запустить его с балкона. В это время и произошел взрыв".

Врачи оказали пострадавшему первую помощь, назначили курс лечения. Госпитализация ему не потребовалась. Всем оперативным службам был дан отбой. По факту происшествия ведется проверка.

Автор: Наталья Щербакова; 16 апреля 2010 г в 18:58; JustMedia

Природный газ опасен - тут двух мнений быть не должно. Однако скажем сразу: если читатели ознакомятся со статьей внимательно и будут работать аккуратно, то при попытке сделать модель аэростата, они не пострадают и тем более не взорвут квартиру!

Даже люди, мало знакомые с химией, знают, что метан легче воздуха. Его молекулярная масса - 16 против 29 у воздуха. Однако полетит ли шарик, если наполнить его вместо привычного гелия метаном?

На одном из сайтов, посвященных воздушным шарам, нам встретились такие ответы:

Какой газ используется для накачки воздушных шариков? Если шарик "летает" - то можно быть уверенным, что он надут не тем газом, который подается к газовым плитам. Поддерживать шарик в воздухе способен только очень легкий газ, который гораздо легче воздуха. Пропан и бутан тяжелее воздуха, и шарик лежал бы на полу. Метан немного легче воздуха, но, все же, его подъемной силы не хватило бы, чтобы поднять в небо "обычный", небольшой воздушный шарик: только огромный шар, наполненный метаном мог бы подняться над землей - и то крайне "вяло": он имел бы очень малую подъемную силу.

Какой же газ способен запросто поднять в воздух любой латексный или фольгированный шарик? Таких газов только два: это водород и гелий.

Теперь сравним значения удельной подъемной силы:

из книги Таланов А.В. Все о воздушных шарах (2002)

Получается что метан не такая настолько уж плохая альтернатива гелию, а тем более горячему воздуху.

Однако желающих проверить все на опыте подстерегают две сложности: во-первых, давление газа в бытовой сети слишком мало, чтобы "раздуть" шар, во-вторых многие не представляют, как отобрать газ из конфорок плиты. Разберем все по порядку.

Нам удалось найти упоминание о подобном эксперименте лишь в одной книге - хорошем практикуме по физике Гирке Р., Шпрокхоф Г. - Эксперимент по курсу элементарной физики. ч.2 - 1959 г. [ссылка]. Приведем цитату.

Наполнение воздушных детских шаров городским газом

Детский резиновый шарик, склянка с нижним тубусом (2 л), 2 пробки с просверленными отверстиями, 3 короткие стеклянные трубки, резиновая трубка, винтовой зажим, газовый шланг, ручная резиновая груша, накачивающая и откачивающая воздух, шнур.

На нижний конец стеклянной трубки, вставленной в верхнюю пробку, укрепляется резиновый баллон, помещаемый внутрь склянки с нижним тубусом (см. также Э - 73). На верхний свободный конец этой трубки надевается газовый шланг, идущий к газопроводу (рис. 126).

В боковой нижний тубус склянки вставляется пробка с короткой стеклянной трубкой, на свободный конец которой надета резиновая трубка с винтовым зажимом. В эту резиновую трубку вставляется короткая стеклянная трубка-мундштук.

При отсасывании воздуха из склянки находящийся в ней резиновый баллон наполняется газом (как и в Э - 73). После наполнения баллона зажим завинчивается, перекрывается кран газопровода и с верхней стеклянной трубки снимается газовый шланг. Вместо шланга на трубку надевается второй детский резиновый шарик, из которого по возможности удален воздух.

Через мундштук в склянку вдувается воздух. Под давлением вдуваемого воздуха баллон, находящийся в склянке, сжимается, а находящийся в нем газ переходит в верхний резиновый шарик, раздувая его. По окончании наполнения шарика зажим завинчивается, а горловинка шарика прочно перевязывается шнуром.

Рис. 126. Наполнение резиновых детских шаров городским газом при помощи склянки с нижним тубусом: а - насасывание газа в первый баллон отсасыванием воздуха из склянки; б - наполнение второго баллона, предназначенного для эксперимента, из первого баллона накачиванием воздуха в склянку.

Снятый со склянки воздушный шарик медленно всплывает в воздухе.

Примечание
Наполнение газом резиновых баллонов можно провести и без склянки при помощи резиновой груши-насоса, помещаемой между баллоном и газопроводом (рис. 127). Резиновая груша-насос приводится в действие рукой, для чего грушу достаточно многократно сжать, зажав в ладонь.

Рис. 127. Наполнение резинового баллона газом при помощи резиновой накачивающей груши.

Мы воспользовались вторым вариантом, как более простым, тем более что таких груш с клапаном (используются для газоанализаторов) у нас целая коробка. Смысл этого простого опыта таков: необходимо герметично! присоединить резиновую трубку к магистрали и повысить сетевое давление метана, чтобы шар надулся. Такая груша работает подобно велосипедному насосу, пропуская воздух в одном направлении, и снабжена удобными алюминиевыми переходниками - выход по диаметру как раз под шар.

Вначале подумаем, как герметично подключить трубку к газовой плите. Это видно из ее устройства. Газ из форсунки - латунный цилиндрик с маленьким отверстием - подается во вкладыш-воронку, по пути вверх он смешивается с воздухом и благодаря этому выходящая газо-воздушная смесь сгорает без копоти. Снимем верхнюю пластину-крышку и вынем воронковидный вкладыш (понятно, что плита при этом не пострадает ).

Думаю, читатели поняли, что если закрыть пробкой с газоотводной трубкой воронку конфорки, газ будет выходить снизу. Понятно, что трубку необходимо присоединить непосредственно к форсунке. Итак, был собран простейший прибор - груша с трубкой.

Стеклянная трубка служит для упора, т.к. форсунка находится в глубине, и поддержать резиновую трубку пальцами не удастся. А разбирать плиту не следует. Аккуратно надеваем резиновую трубку-наконечник на форсунку. Давление газа в сети слабое, поэтому герметичность обеспечить легко.

Проверим герметичность соединения! Это важно!

Для чего откроем соответствующую "модифицированную" конфорку и поднесем руку к трубке - чувствуется ток газа и слышно шипение. Теперь закроем трубку (пальцем или просто перегните). Если все герметично, шипение выходящего газа (при открытой конфорке) сразу прекращается.

Теперь приступим к опыту. Подождем 3-4 секунды, чтобы метан вытеснил воздух, и надеваем шар на клапан груши. Шар слегка расправляется, но на этом дело и заканчивается. Необходимо накачивать газ, сжимая грушу, в результате шар постепенно раздувается. При этом придерживаем стеклянную трубку рукой, чтобы резиновый наконечник не соскочил с форсунки. Мы использовали стандартный итальянский шарик (12 дюймов). Масса его 3.00 г. Накачивание длится примерно 5 минут. Понятно, что это примитивный способ и годится лишь для ознакомительного опыта. Перекрываем газ рукоятью плиты. Перекручиваем основание шарика и завязываем ниткой. Видим, что шар довольно быстро поднимается вверх. Только что надутый шар (высота шара была примерно 31 см, ширина примерно 27 см) поднимал гирю в 2.00 г., (см. фото) при этом двигаясь вверх не слишком быстро: эта нагрузка близка к предельной. Однако резина не служит надежной преградой для газа и подъемная сила постепенно падает. Через 15 минут шар с гирей опустился вниз. Однако можно с уверенностью сказать, что летать подобный шар будет минимум 3 часа.

Таким образом, метан вполне пригоден для наполнения шаров. Не зря в старину для наполнения аэростатов вместо относительно дорогого водорода часто использовали более дешевые метаносодержащие смеси.

Дополнение

Накачанный метаном большой шар (камера от мяча), снабженный трубкой с краном, можно в течение непродолжительного времени использовать в качестве газометра для опытов с метаном. Причем стенки камеры дают ток газа под небольшим давлением. Возможен, например, вариант эксперимента с мыльными пузырями. Однако пускать в помещении их не стоит, вреда от небольших количеств метана не будет, но лучше делать все на открытом воздухе: опыт получается зрелищнее.

Если Вы не сможете достать готовую грушу с клапаном, достаточно легко будет придумать ее заменитель. Простейший односторонний клапан Бунзена легко сделать из кусочка резиновой трубки с затычкой, трубка должна быть надрезана лезвием вдоль.

Часть 2. Модель аэростата из пакетов для мусора

Тема моделирования аэростатов на наш взгляд представляет интерес. Отпущенный шар с легким газом в тихую солнечную погоду - всегда красивое зрелище, что уж говорить о более сложных экспериментах. Продвинутые любители, используя метеозонды, посылают фотоаппараты в стратосферу, получая очень интересные кадры и видео. Не столь сложно поднять на "привязи" фотоаппарат или мобильный телефон и получить интересные кадры с высоты птичьего полета.

Не ставя столь возвышенные цели в данной статье, упомянем о возможности использования мусорных мешков в качестве оболочек для небольших аэростатов. Тема немного обсуждалась на нашем форуме. Применение природного газа представляет интерес своей дешевизной и простотой, поскольку получение больших количеств водорода довольно проблематично, а баллоны с газами дороги. Постройка монгольфьера требует много времени и кропотливого труда, как правило, приходится делать оболочки больших размеров из-за невысокой подъемной силы нагретого воздуха.

Подходящий мусорный мешок (120 л из тонкого полиэтилена), наполненный метаном, может поднять полезный груз. Подъемная сила не будет очень велика (до 15 г), но для некоторых опытов этого вполне достаточно.

Наполнить мусорный пакет гораздо проще, чем воздушный шар - давления газопровода достаточно. Для предварительного опыта мы присоединили к вышеописанной трубке 60-литровый пакет для мусора (оказался под рукой) и открыли газ. Зафиксировать мешок на трубке удобно с помощью обрезков пальцев анатомической перчатки. Через довольно короткое время пакет полностью заполнился. Перевязываем у основания ниткой и обрезаем излишки. На фото такой "шар" поднимает гирьку в 5 г. Однако это не предел его подъемной силы (примерно 10 г).

Из такого же тонкого полиэтилена сделаны пакеты на 120 л. Они как раз и представляют интерес для моделистов. Наибольший интерес представляют, т.н. "солнечные" аэростаты. Помимо легкости, пленка черного цвета, нагреваясь на солнце, разогревает находящийся внутри воздух. Поэтому достаточно склеив оболочку, дождаться тихой солнечной погоды. При наполнении таких моделей используют картонку, подавая, как веером ток воздуха. Любители при минимальных затратах и наличии терпения строят настоящие шедевры. Интересующиеся легко могут найти информацию: раскройки, размеры, советы по изготовлению на специализированных форумах.

Мы же попробуем сделать модель крупнее 120 л мешка с газом (может поднять груз примерно 15 граммов), но с приемлемыми к переноске размерами, т.к. не у всех есть возможность подать газ во двор и наполнять аэростат вне помещения.

Одним из наиболее простых и эффективных способов склейки полиэтиленовой пленки, используемых любителями монгольфьеров, является аккуратная проклейка шва 20 мм скотчем. Прочность склейки и герметичность - хорошая. Мы решили сделать наиболее простой вариант - склеить два 120 л пакета, вставив один в другой. Получается цилиндрическая "колбаса". Для склейки на полу расстилается газета, мешки расправляются. Отрезать их следует ножницами - отрыв не рекомендуется: перфорация оставляет желать лучшего. Вкладываем один в другой на 15-20 мм и аккуратно проклеиваем скотчем. Следует рассмотреть оболочку на просвет - если заметны проколы, некачественные сварные швы - их можно дополнительно проклеить скотчем. Верх мешка подворачиваем и заклеиваем. Газ удобнее подавать через обрезанный уголок, вставив туда кусок широкой трубки. Уголок закрепляем на трубке кольцами из обрезков пальцев анатомической перчатки - фиксируется прочно и легко будет снять. Газ наполняет модель достаточно долго (~45 мин.), но это приемлемо. Желательно подавать с двух конфорок через тройник (мы так и поступили), но можно и с одной. Если температура на улице низкая - хорошо надутый в помещении мешок сожмется. Поэтому у кого есть возможность (частный дом) можно провести через форточку тонкий шланг и набирать там. Тогда можно построить модель бОльших размеров, пригодную для некоторых целей - к примеру, поднять телефон или фотоаппарат на привязном шнуре. Предварительно необходимо высчитать подъемную силу - взвесив оболочку и груз (в том числе шнур) и оценив объем аэростата. Учтите, что должен быть значительный резерв, иначе медленно поднимающуюся модель будет сносить ветром. Правда, скорость наполнения маловата - от двух конфорок она приблизительно 4.8 л/мин.

Запускать аэростат следует в безветренную солнечную погоду. На солнце, из-за нагрева, газ несколько расширится и оболочка расправится. Кстати, дополнительно немного возрастет подъемная сила. При наполнении желательно придерживать оболочку от порывов ветра и заранее убрать близлежащие острые предметы. Мы зафиксировали трубку, подающую газ в лапке штатива. Когда аэростат наполнился и расправился, снимаем и сразу перекручиваем уголок и обвязываем ниткой. Желательна посторонняя помощь. Размеры аэростата довольно велики - длина примерно 190 см, однако при необходимости пронести в дверь можно. Подъемную силу мы не замеряли, но можно с уверенность нагружать до 30-35 г.

Решено было запустить аэростат вечером и без нагрузки. Он поднялся вверх достаточно быстро.

Из-за контрастной окраски модель было видно длительное время. Наблюдался любопытный эффект. Из-за медленного вращения цилиндра, он давал периодические блики, хорошо заметные даже на большом расстоянии. Смотрелся аэростат необычно: он напоминал НЛО, особенно когда поднялся выше. Если есть бинокль (мы использовали 12 кратный), можно проследить полет на значительном расстоянии. Можно было наблюдать еще одно интересное явление - направление ветра на разной высоте меняется - это заметно по движению аэростата.

Смотреть Видео (31 Мб, .avi )

Надеюсь, нам удалось заинтересовать некоторых читателей провести самостоятельные эксперименты. Тема достаточно интересная и требует минимальных затрат. Будем рады обсудить Ваши опыты на форуме.

Комментарии

^К1 Здравствуйте, коллеги!
Описываю еще один способ надувания шариков метаном, проверенный на практике.

1. Подсоединить герметично к крану с природным газом пробирку с кусочком активированного угля.
2. Открыть кран и охладить пробирку в жидком азоте.
3. Когда сконденсируется достаточное количество вещества, перекрыть кран, присоединить вместо него шарик, хирургическую перчатку или другую емкость для газа, дать жидкости испариться.

Активированный уголь использовать необязательно, он просто сорбирует одорант и работает кипелкой.
Shulishov E.V.

<Ацетилен, Метан, Пропан и Бутан> <Эксперименты с гелием> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3>

<Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин (№6 2011)> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Записки химика, который временно увлекся смежной специальностью>
<Обсудить на форуме - Модели аэростата (аэростат своими руками)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]