фоне тёмного неба весьма красивое зрелище.
Первоначально, расправив конструкцию фонарика, если его отпустить, то он просто упадёт. Но, когда снизу зажечь свечу и устройство немного подержать, фонарик начнёт подниматься вверх. В безветренную погоду, светящиеся огоньки парят на весьма почтенной высоте.
Свеча затухает и если в это время понаблюдать за полётом, то фонарик продолжает подниматься, затем останавливает подъём, висит некоторое время, а далее медленно с нарастающей скоростью идёт на снижение.
Уважаемый читатель, чтобы понять какие природные процессы происходят в пчелином гнезде, крайне необходимо обратиться к элементарной прикладной физике, поэтому наберитесь терпения.
Какие законы описывают полёт фонарика? Обратимся к школьному курсу физики и вспомним закон Архимеда:
На всякое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила Архимеда равная произведению ускорения свободного падения на плотность жидкости или газа и на объём тела.
Fa = g pв Vф,
Fа – сила Архимеда,
g – ускорение силы тяжести,
рв – плотность окружающего фонарик воздуха,
Vф – внутренний объём фонарика.
Примем во внимание, что продуктами горения свечи есть газообразные вещества с высокой степенью нагрева. Среди продуктов горения, наибольшим по количеству и самым тяжёлым по молярному весу (44) есть диоксид углерода. При чём, более нагретые порции газа станут заполнять верхний объём фонарика, выдавливая остывшие порции через нижнее отверстие.
С другой стороны, из второго закона сера Иссака Ньютона на фонарик действует сила тяжести:
Fт = g m = g pсо2 Vф,
где Fт – сила тяжести,
g – ускорение силы тяжести,
m – масса тела,
рсо2 – плотность диоксида углерода,
Vф – внутренний объём фонарика.
Разность между силой Архимеда и силой тяжести будет подъёмная сила нагретого газа СО2.
Fп = Fa – Fт = g pв Vф – g pсо2 Vф = ( pв – рсо2) g Vф.
Рассмотрим ситуацию, когда подъём фонарика остановился, и он завис. Следовательно, в этот момент подъёмная сила равна нулю, а значит, плотность воздуха сравнялась с плотностью углекислого газа.
рв – рсо2 = 0 или рсо2/рв = 1.
Эта формула описывает граничное условие подъёма фонарика.
При этом на плоскости среза нижнего отверстия фонарика установилось кратковременное равновесие плотностей диоксида углерода и воздуха. При дальнейшем остывании диоксида углерода, газ начнёт вытекать из отверстия фонарика, как более тяжёлый, а воздух станет заполнять образовавшуюся зону разряжения. Изменению газового состояния внутри фонарика будет соответствовать медленное опускание, по нарастающей вниз, самого фонарика. Когда воздух полностью заполнит внутренний объём, фонарик начнёт
