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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    浮力的奇跡(下)

                    2018-05-19 18:04:00

                      法國國王觀賞公雞上天

                      1782年11月的某一天晚上,法國里昂的安諾內小鎮上,有一位名叫約瑟夫·蒙特哥菲爾的造紙工人,面對壁爐忽發“奇想”:既然煙、火星能從煙囪中散發出去,那么能否利用這種氣體讓其他物體也升起來呢?于是,他做了一個絲質的球型口袋,在口袋底下點紙燃燒,熱空氣充到口袋里。一放手,口袋就飛上了天花板。約瑟夫立即與弟弟艾迪安在室外又做了一次實驗,結果這個絲質口袋上升高度更是到了20米……

                      蒙特哥菲爾兄弟兩人興奮之余,決定公開表演。前文曾說到,早在半個多世紀以前,俄國的克拉庫特諾就做過類似的實驗,結果被村民當作“魔鬼”而差點喪命。但時代的進步,給這兩位法國兄弟帶來了好運。1783年6月4日清晨,鎮上居民紛紛涌到廣場上觀看。兄弟倆首先請人在地下挖了個坑道,上面留一個出煙口,一個直徑為10.6米的口袋罩在出煙口上。兩個年輕人在坑道里點火,另外8個壯漢分別拉扶著口袋??诖S著黑煙的不斷涌入,逐漸膨脹,進而浮起。一聲哨響后,固定大口袋的繩索被割斷,大氣球立即沖上天空,上升高度達1800米,并飛行了大約10分鐘,降落地距升空地超過1500米。

                      蒙特哥菲爾兄弟向巴黎科學院報告了他們的成果后,很快被邀請到巴黎進行表演。1783年9月19日,凡爾賽宮前擠滿了人,法國國王路易十六也率領滿朝文武到場觀看。

                      這次表演的熱氣球是一個高17米、直徑12米的大家伙,形狀像一只倒掛的大梨。球體的表面覆蓋了輕質的紗,上面還糊了一層防止漏氣的紙。氣球下面吊掛著一只用柳條編的籠子,籠子里裝著準備升空的3位“乘客”:一只公雞、一只鴨子和一頭山羊。

                      蒙特哥菲爾兄弟在氣球下點燃發潮的布條和稻草,它們產生的熱空氣托著這只巨大的氣球,連同3位“乘客”一起冉冉上升,飛到離地500米的空中。8分鐘后,氣球在3000米外降落。這3位“乘客”均安然無恙。國王高興地授予兩兄弟圣米歇爾勛章。他們深受鼓舞,決定進一步做載人飛行試驗。國王本打算讓兩個死囚當“試驗品”,并承諾如果這次飛行成功,就特赦他們。但有一位叫德·路澤爾的公民,認為這種榮譽不能給予死囚。1783年10月15日,國王改變主意,由德· 路澤爾乘坐。這一次,熱氣球上升到26米的高度,停留了約4.5分鐘。同年11月21日,他又與另一位乘客達朗德斯,成功乘坐熱氣球上升到900米高空,并飛行25分鐘,飄過8.8千米后安全降落。

                      于是,1783年就以人類首次實現升空飛行而載入史冊。

                      飛艇退出“空中舞臺”了么但是,法國一位物理學家夏爾認為,從產生浮力的角度看,氫氣比熱空氣更適合填充氣球球囊,因為它比同體積的熱空氣“輕”得多。1783年12月1日,夏爾和氫氣球制作者羅伯特一起,乘坐這種氫氣氣球從巴黎起飛,成功飛行了43千米。

                      后來,羅伯特覺得熱氣球也好,氫氣球也好,不能控制飛行方向是一大缺陷。于是,他進行了改革,把氣球做成一個長16米、直徑10米的水滴形,氣囊容積940立方米,載重數百千克。1784年7月6日,這種外觀呈“魚”形的氣球第一次在巴黎近郊試飛。吊籃里共有7個人,他們用力劃著木框上蒙著綢布的大槳,以此控制氣球的航向。但是,在氣球上升過程中,由于外邊大氣壓減小,氣球迅速膨脹,羅伯特當機立斷用刀刺破氣囊。氣球終于有驚無險地著陸了。

                      到20世紀時,由于蒸汽機、電動機等動力機械的發明,以“飛魚”揭開序幕的飛艇正式登上“空中舞臺”。

                      特別是1936年,德國制造的“興登堡號”飛艇,堪稱當時的奇跡。它長248.6米,下面的吊廂可載乘客和乘務人員110名,有單人和雙人倉室,倉室里設有可供應冷熱水的浴室,還有一個大餐廳和一個小客廳。在吊廂兩側的走廊中,乘客們可以像在海船的甲板上那樣散步,隔著玻璃窗觀看天上人間的美景。

                      可惜好景不長,1937年5月6日傍晚,“興登堡號”停留在美國新澤西州萊克赫斯特海軍航空總站上空時,其尾部突然起火。幾秒鐘之內,“興登堡號”就變成了一團火球慢慢墜地。

                      這次重大事故,不僅造成了36人死亡,更使人們對“飛艇”這種交通工具持完全否定的態度。因為那時飛艇充的都是氫氣,氫氣易燃易爆,遇到雷電風暴極易起火爆炸。在“興登堡號”失事之前,就已經發生了多次類似事故。

                      從20世紀80年代開始,飛艇“東山再起”。這要歸功于高強度材料的出現,以及飛艇中的氫氣被氦氣代替了。氦氣雖比氫氣略“重”,但仍比空氣“輕”得多,特別是氦氣既不會自燃也不能助燃,是一種惰性氣體,因而飛艇煥發出新的生命力。而且,與飛“興登堡號”飛艇機相比,由于飛艇是依靠氣囊的浮力升空的,艇上裝的發動機只提供向前飛行的動力,因而在與飛機載重量相同的情況下,飛艇所用的動力僅為飛機的1/20。至于飛艇可以連續飛行數天乃至數十天,這更是飛機望塵莫及的。

                      現代飛艇可以在許多領域大顯身手,例如重達數百噸的大型機器設備就可以用飛艇來運載,既不必修路,也不用架橋……

                      “雙鷹Ⅱ號”橫渡大西洋

                      從1783年開始的近百年來,人類共進行過17次載人氣球飛越大西洋的實驗,但都以失敗告終,其中有7人還為此獻出了生命。失敗的原因當然是多方面的,但很重要的一點是,在高空飛行過程中,由于晝夜的溫差太大,氣球隨之劇烈地熱脹冷縮,因而很難確保安全。

                      1978年,美國的48歲的本·阿布魯佐、44歲的馬克西·安德森和31歲的拉里·紐曼三位飛行家,在充分吸取了前人失敗的教訓的基礎上,精心設計制造了一只名叫“雙鷹Ⅱ號”的氣球?!半p鷹Ⅱ號”高30米、直徑為20米,球體是由尼龍和輕質人造橡膠制成,里面充滿了氦氣。根據阿基米德定律,氣球越大,填充的氦氣越多,所能攜帶物品的重量就越大。在這次橫渡大西洋的計劃中,吊艙中除了3個人,還有食物、飲料和必需的儀器設備,以及重達2000千克的壓艙砂囊和鉛塊。根據測算,“雙鷹Ⅱ號”球體內的氦氣達5000立方米之多。

                      3位飛行家還為“雙鷹Ⅱ號”精心設計了球體的色彩:球體上半部分呈銀白色,在白天可以反射太陽的熱量,以免把氦氣曬熱,導致浮力過大,氣球升得太高;下半部分呈黑色,由于夜晚海水的溫度比氣溫要高,氣球可以從海水中吸收這些熱量,避免浮力急劇減少。氣球的吊艙是一個5.2米長、2米寬、18米高的長方形盒子。吊艙底部做成雙船身的形狀——萬一墜海失事,它也能在海面漂浮,避免傾覆。

                      在聽取了氣象學家的建議后,“雙鷹Ⅱ號”選擇在當年8月11日,從美國東海岸緬因州的普雷斯克島市起飛。之所以選擇在此時此地,是因為可以遇到一股吹往歐洲的高空氣流,它將以每小時30~40千米的速度,推動氣球御風飛馳。

                      同年8月11日,“雙鷹Ⅱ號”在暮色蒼茫中告別了美洲大陸,開始了充滿冒險的航程。氣球沒有發動機,只能隨風飄蕩。風大,它就飄得快;風小,它就飄得慢。海洋上空的氣候是多變的,上升的氣流能把氣球帶上幾千米,甚至幾萬米的高空,那里空氣稀薄,缺乏氧氣,氣溫極低,人難以忍受,這時飛行家們就打開閥門,放掉一部分氦氣,減小浮力,降低飛艇高度;而當下降的氣流把氣球壓向海面時,他們就拋掉一些壓艙的砂囊和鉛塊,減輕吊艙的重量,使氣球上升。他們就是這樣通過改變氣球的高度,來尋找自西向東的氣流。然而當時天氣預報的能力,只能提供72小時的天氣狀況,因此“雙鷹Ⅱ號”吉兇難料。

                      果然,大約飛行到全程的一半時遇到了第一次重大考驗。猛烈的上升氣流把氣球推上7000米的高空,3位飛行家不得不戴上氧氣面罩??墒堑诙?,氣球由于高空嚴寒而導致表面結冰,重量加大,又突然降到1000米以下。值得慶幸的是,中午出現的陽光將冰融化,氣球重新上升,他們所幸避免了葬身魚腹的厄運。

                      “雙鷹Ⅱ號”在接近西歐海岸時,3位飛行家已經精疲力竭。為了保持高度,他們幾乎拋光了所有的壓艙重物,甚至將導航用儀器和通訊設備也丟入了大海。盡管如此,這只氣球還是未能到達它的理想目的地——巴黎近郊的布爾歇機場,而是在距其100 千米之外的麥田里提前著陸了。但是,8月17日,當3位飛行家經過6個晝夜的飛行,終于從紅黃相間、色彩鮮艷的吊艙中走出時,仍迎來了久候在那里的大批“粉絲”的熱烈歡呼!這是由于他們不僅實現了載人氣球橫渡大西洋的壯舉,而且創造了飛行距離最遠和留空時間最長的2項世界紀錄!

                    本文來自《科學24小時》

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