利用孔明灯验证热气球原理

梁明臻

【摘要】 热气球是航空器的一？种，它配备有用来填充气体的袋状物，当充入气体的密度小于其周围的环境的气体密度，且由此压力差产生的静浮力大于气球本身与其搭载物的重量时气球就可浮升。气球作为一种交通工具可用来运载观测仪器和乘客，只装载设备的无载人气球经常用于对高空大气环境的科学研究，有时也用于测定宇宙射线。本文就如何利用孔明灯来验证热气球的原理进行了探究。

【关键词】 热空气 气球 热量 浮力 密度 孔明灯

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2017）02-193-01

一、背景

热气球最早由中国人发明，称为天灯或孔明灯，约在公元二世纪或三世纪被发明，被用来传递军事信号。十八世纪，法国造纸商孟格菲兄弟在欧洲重新发明了热气球。第二次世界大战以后，高科技使球皮材料以及致热燃料得到普及，热气球成为不受地点约束、操作简单而方便的公众体育项目。国际航空联合会曾将热气球列为最安全的飞行器。今天，热气球作为一个体育项目正日趋普及。此外，热气球还常用于航空摄影和航空旅游。

二、简介

（1）热气球由球囊（或气囊）、柳条筐和加热装置三部分构成。

①吊篮由藤条编制而成，着陆时能起到缓和冲击的作用。

②大多数热气球的气囊由长条状的尼龙三角帆布条制成，中间使用缝合线加固。从气囊底部延伸到顶部的三角帆布条是由大量小片的气囊片组成的。尼龙非常适合用于热气球，因为它不但材质轻，而且相当结实，同时熔点也较高。气囊底部的尼龙裙摆表面涂有特殊的防火材料，以防止火焰点燃气球。

③加热装置是热气球的心脏，燃料是丙烷。丙烷压缩液化后储藏在气球吊篮中的轻型气瓶内。进气管接在气瓶底部，以便从气瓶中抽出液体。？由于丙烷在气瓶中高度压缩，所以它能迅速通过进气管流入加热盘管。加热盘管简单来说就是一段盘绕在燃烧器周围的线圈上的钢管系统。气球驾驶员启动燃烧器时，丙烷以液态形式流出，并用长明小火点燃。随着火焰燃烧，周围管道系统中的金属受热升温，就会加热流经管道的丙烷。这样丙烷在点燃前从液态变为气态。气态丙烷可以产生更强烈的火

焰，并使燃料更高效地燃烧。

（2）常见的气球材质有橡胶、铝膜、乳胶、塑料、牛津布、PVC、铝箔、PA及PE等。

三、原理热气球的结构示意图

热气球是借由调控热气球上的加热器，以调整气囊中的空气温度，从而达到控制气球升降的目的。当气囊内的空气温度愈高时，气囊内气体的密度就愈小，便能产生更大的向上浮力，让热气球向上飞行；当气囊内的空气温度渐渐降低时，气囊内气体的密度就渐渐变大，浮力渐渐变小，若浮力渐渐小于热气球及其上负载物的总重量时，滞留于空中的热气球，便会因所受的向下重力，渐渐大于向上的浮力，而緩缓降落。热气球的唯一飞行动力是风。热气球的航向受风向影响，航速受风速影响。此外热空气不会从气囊底部的开孔中逸出，因为浮力会使其上升。如果驾驶员持续点燃喷射的气体燃料，气球将持续上升，但存在一定的高度限制，因为空气最终变得过于稀薄，以至于浮力太弱而不足以抬升气球。

浮力：指物体在流体（包括液体和气体）中，各表面受液体（气体）压力的合力。

浮力的方向：竖直向上。

浮力产生的原因：浸在液体或气体里的物体受到液体或气体对物体向上的和向下的压力差

四、制作孔明灯

由于热气球与孔明灯的原理相同，我们可以自行制作孔明灯来研究热气球的原理。因此在这介绍一下制作孔明灯的方法。

（1）工具和材料：薄萱纸、裁纸刀、剪刀、棉线、工业酒精、502胶水、钢丝钳、细铁丝、棉花、竹条、细绳等。

（2）注意事项：孔明灯必须要在无风的天气和空旷的场地上放飞。放飞时，需要2-3人的合作，并在成年人陪同下。另外，可以在孔明灯底部拴上细绳，这样既可以重复放飞，又能控制起飞高度和范围，避免引起火灾。

（3）制作步骤：

1.用裁纸刀将竹条削到厚薄3mm以内，然后，把竹条弯成一个圈，用棉线或502胶水固定。竹子有弹性，竹圈可能会不圆，可以用小火烤一烤，使竹圈固定成圆形。

2.用薄纸剪成一定规格（如47 cm×47 cm）的纸片，将第一张纸片的一边与第二张的一边粘在一起，再将第三张，第四张……依次同样粘上去，直到拼成一个两端漏空，直径约60cm的球状物。再剪一张圆形薄纸片，把上面圆空口糊住，待干后，把气球吹胀，找一条薄而窄的竹条，弯成与下面洞口一样大小的竹圈，在竹圈内交叉两根互相垂直的细铁丝，并系牢在在竹圈上，再把竹圈粘牢在下面洞的纸边上，糊成的气球不能漏气。

3.把细铁丝绑在竹圈两端，再把做好的灯罩粘在竹圈上。在细铁丝上绑上棉花，浸上酒精。

4.一人拿住灯底的左右侧，另一人用酒精将脱脂棉浸透后点燃，直到双手感到孔明灯有上升之势，即慢慢放开双手，孔明灯便徐徐飞起，用细绳控制孔明灯上升的高度。

（4）改进制作孔明灯的方法：首先，可以在减轻孔明灯自重上做文章。用高科技材料（要求轻质、阻燃、有弹性）代替纸和竹条，既能减轻孔明灯的自重，又使制作更方便。其次，选用优质燃油做燃料，提高热效率，延长滞空时间。

五、简单验证

首先做两只孔明灯。

其次，拿出其中一只孔明灯，然后让一人拿住灯底的左右侧，另一人用酒精将脱脂棉浸透后点燃，直到双手感到孔明灯有上升之势，便慢慢放开双手，孔明灯就徐徐飞起。

第三，拿出另外一只孔明灯，然后让一人拿住灯底的左右侧，另一人不点燃脱脂棉。但并没有感到孔明灯有上升之势，慢慢放开双手，孔明灯没有飞起，反而下降。

总结：加热灯罩内的空气，温度变高，气体的密度变小，产生更大的向上浮力，让孔明灯向上飞行。