安息日會青年榮譽解答手冊/藝術與工藝/熱氣球模型
| 熱氣球模型 | ||
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| 藝術與工藝 北美區 |
技能水平未知 | 
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| 推出年份：2008年 | ||
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熱氣球模型榮譽是 工匠大師獎 的一部分。 |
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约瑟夫·米歇尔·蒙哥费尔 -
雅克·埃蒂安·蒙哥费尔
约瑟夫·米歇尔·蒙哥费尔（1740年8月26日 - 1810年6月26日）和雅克·埃蒂安·蒙哥费尔（1745年1月6日 - 1799年8月2日）是热气球的 изобретатели。兄弟俩成功地发射了第一次载人飞行，将一位年轻的医生和一位勇敢的军官送上了天空。
在两兄弟中，是约瑟夫首先考虑建造“机器”。约瑟夫观察到，在火上烘干的衣服无意中形成了向上鼓起的袋子。约瑟夫开始建造一个 1 米 × 1 米 × 1.3 米
的箱子，用非常薄的木头做成，用轻便的塔夫绸布覆盖侧面和顶部。在箱子的底部，他揉皱了纸并点燃。这个装置很快就从支架上升起，撞到了天花板。然后约瑟夫招募了他的兄弟一起建造气球。
然后，两兄弟开始建造一个规模大三倍（体积大 27 倍）的装置。升力非常大，以至于他们在 1782 年 12 月 14 日的第一次试飞中就失去了对飞船的控制。该装置漂浮了近 2 公里（约 1.2 英里）。它在着陆后被路人的“无意”破坏了。
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让-弗朗索瓦·皮拉特·德·罗齐耶（1754 年 3 月 30 日 - 1785 年 6 月 15 日）是一位法国化学和物理学教师，也是最早的航空先驱之一。他在试图飞越英吉利海峡时，气球在法国加来海峡的维梅勒附近坠毁，他和他的同伴皮埃尔·罗曼成为第一批已知的空难受害者。
1783 年 6 月，他目睹了蒙哥费尔兄弟的第一次气球飞行。9 月 19 日，他协助在凡尔赛宫前庭进行了羊、公鸡和鸭子的无人系留飞行。在 10 月份进行了一系列测试后，他于 1783 年 11 月 21 日进行了历史上第一次载人自由飞行，他的同伴是雄心勃勃的阿尔朗德侯爵。在使用蒙哥费尔热气球进行的 25 分钟飞行中，他们从穆埃特城堡飞行了 12 公里，到达了巴黎郊外的 Butte-aux-Cailles，达到 3,000 英尺的高度。
c. 雅克·亚历山大·塞萨尔·查尔斯 和尼古拉·路易·罗伯。
[编辑 | 编辑源代码]1783 年 12 月，这两位用氢气填充了第一个气球，并进行了飞行。这次飞行持续了至少 2 个小时，从巴黎的杜伊勒里花园起飞，并在巴黎郊外降落，在那里被惊恐的农民摧毁了。
查尔斯继续发现了 查理定律，该定律描述了气体密度与其温度之间的关系。
从 1978 年 8 月 11 日到 8 月 17 日，这三位驾驶 双鹰 II 号 完成了第一次跨大西洋气球飞行。他们从缅因州的普雷斯克岛起飞，在法国的米塞雷结束飞行。
本·阿布鲁佐和拉里·纽曼也是 双鹰 V 号 的飞行员，该气球于 1981 年成为第一个穿越太平洋的气球。
1999 年 3 月 1 日，伯特兰·皮卡德和布莱恩·琼斯开始了首次环球热气球飞行。他们的飞行取得了成功，于 1999 年 3 月 20 日结束。飞行持续了 19 天 21 小时。飞行从瑞士开始，在埃及结束。
- 阿基米德原理指出：任何完全或部分浸入流体中的物体，都会受到一个向上浮力，该浮力等于被物体排开的流体的重量。
- a. 一块软木塞漂浮在一碗水中。
软木塞的密度小于水，重量小于被它排开的同体积水的重量，所以软木塞会漂浮。
- b. 一艘船漂浮在海面上
虽然船是由密度大的材料制成的，但它的形状使得内部的大部分空间都是空气。由于船及其货物重量小于被它排开的同体积水的重量，所以船会漂浮。
- c. 一个热气球漂浮在大气中
只要热气球加上它所包含的气体重量小于它所排开的同体积大气重量，热气球就会在大气中漂浮。
| 气体 | 空气百分比 | 纯气体重量 |
|---|---|---|
| 氮气 | 78% | 1.25 g/升 |
| 氧气 | 21% | 1.43 g/升 |
| 氩气 | .93% | 1.78 g/升 |
| 二氧化碳 | .03% | 1.96 g/升 |
| 其他（包括氖气、氦气、 氢气、氙气和氡气） |
.04% |
要计算热气球中空气的平均重量，可以使用粗略的百分比进行计算，即空气中 70% 为氮气，30% 为氧气。氮气的原子量为 14 g。氧气的原子量为 16 g。氮气和氧气是由两个原子组成的。因此，对于一个包含 22.4 升空气的热气球，使用以下公式。当然，如果需要更精确的值，则可以使用所有气体存在的精确百分比。
70% x 28 + 30% x 32 = 0.7 x 28 + 0.3 x 32 = 19.6 + 9.6 = 29.2
因此，一个包含 22.4 升空气的热气球的重量为 29.2 g 加上热气球本身的重量。
| 原子序数 | 原子量 | 密度 (g/cm³) | |
|---|---|---|---|
| 氢气 | 1 | 1.008 | 0.00008988 |
| 氦气 | 2 | 4.003 | 0.0001785 |
| 氮气 | 7 | 14.01 | 0.0012506 |
| 氧气 | 8 | 16.00 | 0.001429 |
氢气和氦气都比空气密度小，可以用于飞艇。热空气也可以用于飞艇，因为它比冷空气密度小。
- 注意：氢气在点燃时会剧烈燃烧。在兴登堡号飞艇爆炸后，氢气在载人飞艇中几乎被完全弃用。
正如 查理定律 所描述的那样，对气体施加热量会导致其分子相互远离，从而降低其密度。当热气球中的空气被加热到高于周围空气的温度时，热气球中的空气密度会低于热气球外面的空气密度。由于热气球的密度较低，所以会漂浮或上升。热气球内部空气与周围空气之间的温差越大，内部和外部空气之间的密度差就越大，这会增加热气球产生的升力。这就解释了为什么热气球通常在较冷的天气里发射。
- a. 气囊
- 热气球的外层皮肤，形成容纳气体的容器。
- b. 支撑结构
- 较大热气球的框架。
- c. 喉口
- 热气球的下部开口，用于向内部注入热气流，加热空气。
- d. 燃料源
- 用于加热空气的燃料，使热气球的密度低于周围空气。
- 纸张
- 纸张可用于制作模型热气球，因为它易于获取且价格低廉。
- 塑料
- 塑料可用于制作模型热气球，因为它具有防水、易于加工和易于获取的优点。
- 织物
- 织物通常用于大型载人热气球。织物经过特殊处理。
军事用途包括：“空中眼线”、观察敌军部队和阵地、将爆炸物投放到敌军阵地以及防御性地拦截敌军飞行器。
科学用途包括用于数据收集的仪器运输、大气研究和航空摄影。
清晨是最佳时间，因为夜间空气冷却，使气球内外温差变大，从而增加浮力。
飞行员通过燃烧更多燃料使气球内的空气变热来控制热气球的垂直运动，使气球内的空气密度降低，从而使气球上升。反之，关闭火焰并让气球内的空气冷却，会使气球内的空气密度相对于周围大气增加，导致气球下降。通过减少气球重量（通常通过丢弃压舱物）可以更快地增加高度，但这受限于可用的压舱物数量。
向氦气或氢气充气的气球中添加更多比空气轻的气体以使其上升，并释放一些气体以使其下降，从而改变气球的高度。
充气飞行气球的水平运动完全受气流的控制。飞行员只能改变气球的高度，以进入气流路径，例如喷射气流。这需要仔细研究气流图表，密切关注天气数据，并具有一定的试错元素。像兴登堡号这样的老式飞艇配备了方向舵和螺旋桨来移动，这样它就不必依赖气流。
- 薄纸
- 剪刀
- 胶棒
- 缝纫针（可选）
- 细线（建议使用 22 号线）
- 尖嘴钳和剪线钳
- 一块 50 英寸 x 20 英寸 的油毡（用于制作气球面板模具）
- 一卷绳子
使用硬质或半硬质材料，例如海报板或一块油毡地板。我建议使用一块油毡地板，因为它更硬，可以多次使用。剪出一块 50 英寸长、20 英寸宽的材料。对于每个其他尺寸，您需要从正在创建的模具中心进行测量。您需要在外部边缘（距离模具中心最远的地方）标记每个尺寸。
- 第一个尺寸是模具的最底部（所有其他尺寸都将从底部到顶部进行测量），距离中心各 3 1/2 英寸。
- 从底部向上 7 英寸处，距离中心各 3 1/2 英寸。
- 中心线向上 4 英寸处，距离中心 4 7/8 英寸。
- 中心线向上再 4 英寸处，距离中心 6 3/4 英寸。
- 中心线向上 6 英寸处，距离中心 8 5/8 英寸。
- 中心线向上再 6 英寸处，距离中心 9 5/8 英寸（这是最宽的尺寸）。
- 超出最宽尺寸 6 英寸处，距离中心 9 1/8 英寸。
- 向上 3 英寸处，距离中心 7 1/2 英寸。
- 再向上 3 英寸处，距离中心 6 1/2 英寸。
- 再向上 3 英寸处，距离中心 4 3/4 英寸。
- 再向上 3 英寸处，距离中心 3 英寸。
- 最后，再向上 2 3/4 到 3 英寸处，就是您的顶部尺寸。顶部尺寸距离中心 1 5/8 英寸。
使用您用来标记尺寸的笔，从底部尺寸开始，沿着尺寸外部绘制一条线。它看起来像一个灯泡。
沿着刚绘制的线剪下，去除“灯泡”形状周围的多余材料。这应该为您提供制作气球面板所需形状的模具。
- 取 2 张薄纸，将它们首尾相连（垂直方向）。继续用每组薄纸重复此步骤，直到您有 6 块面板（一块面板是 2 张薄纸首尾相连（垂直方向）。您只需要用胶棒粘贴大约一个拇指宽或一条直线即可。
- 获得 6 块面板后，将它们一层叠一层地放置，确保面板堆叠的一端在面板底部有一个平整的边缘。*
- 取您的面板模具，将其放在 6 块面板的顶部。将模具的底部与 6 块面板的直边对齐。
- 使用黑色记号笔沿着模具的边缘描边（确保不要移动模具或面板）。模具不会到达面板堆叠的另一端。没关系。只需继续沿着对角线描边，直到您到达面板堆叠的顶部。然后，从面板顶部取下模具。
- 取您的剪刀，沿着您通过描边面板模具所创建的黑色线外部剪下。完成后，您应该在面板的两侧各有两（2）组废料。不要扔掉它们！您可能需要用它们修补出现破洞的面板，并用它们制作气球的顶部。
- 取顶部两（2）块面板，将它们拉到其他面板之外。将两块面板的底部从顶部面板拉出约 1 英寸。取您的剪刀，在底部面板上剪出一些襟翼。只剪入约 1/2 英寸深。沿着底部两块面板的一侧执行此操作。这些襟翼使将面板连接在一起变得更容易。
- 取一根胶棒，在两块面板的顶部涂胶。您需要将胶水涂在紧挨着刚剪出的襟翼的面板一侧。此外，在涂胶时，您只需要沿边缘涂一层胶棒宽度的胶水即可。由于胶水干燥速度很快，您可能需要最多涂上 2 到 3 个襟翼的胶水。然后，您将底部面板上的襟翼折叠到涂过胶水的地方的顶部面板边缘。继续执行此操作，直到您将 2 块面板完全连接在一起。
- 取第三块面板，将其放在您刚粘在一起的两块面板的顶部。将其放置，使两块连接的面板的顶部面板（未粘合的一侧）露出约 1 英寸。
- 再次，在露出 1 英寸的面板处剪出一些深度约为半英寸的襟翼。用胶水将襟翼折叠起来，将第三块面板连接到第二块面板。现在，您应该有 3 块面板连接在一起。继续重复步骤 8 和 9（忽略步骤 8 中的“两块面板”的引用。相反，理解它现在指的是您刚连接的两块面板。）直到所有面板都连接在一起。请记住交替切割襟翼的哪一侧，这样就不会影响其他面板的任何连接。
- 将所有 6 块面板连接在一起后，翻过来。提起顶部面板，将内部面板折回来。不要折痕内部面板。然后，将顶部面板放回原位。
- 将底部的纸板切割成与之前所有纸板相同的形状。注意切割深度约为 1/2 英寸。然后将顶部的纸板向底部纸板的边缘拉动，直到底部纸板的宽度与之前的所有纸板宽度一致。
- 就像之前所有纸板一样，在顶部纸板涂上胶水。记住，一次只涂 2 或 3 个纸板的胶水可能更容易操作，然后将封边折起来，再继续涂胶水。
- 现在，打开你的气球。你会注意到它还没有顶部。从你切割纸板时保存下来的废料中，选择一块尽可能大的。从这块纸板中，尽可能地切割出一个圆形。（你可以将纸板折叠一两次，以便更容易切割圆形。）
- 将胶水涂抹在你刚切割出来的圆形上（沿着外边缘涂抹一两层胶棒的宽度）。然后将圆形粘贴到气球顶部，盖住洞口。
- 取一根铁丝，从线轴上截取大约 2 英尺长的一段。
- 用尖嘴钳将铁丝弯成一个坚固的圆形。（建议在一端做一个小的环。轻轻旋转。将铁丝的另一端穿过环形一段距离，然后将穿过的铁丝绕着环形端旋转。这样可以防止铁丝圆形膨胀或收缩。）
- 将气球的开口端穿过铁丝圆形。然后将气球折叠在铁丝上，将折叠的末端粘贴回气球。（你可以在气球的开口端切割一些封边，使粘贴更容易。）气球表面的面积会大于铁丝。你可能需要将一两个纸板的末端稍微折叠一下，以减少粘贴气球到铁丝上时需要处理的纸板数量。
- 此时，你的气球已经完成了。你需要检查气球的整个表面，确保没有纸板上的洞、没有未粘贴的纸板接缝、没有未粘贴的气球帽部位或底部铁丝处的撕裂。如果有任何问题，用你剩下的废料（很高兴你留着它们，对吧？）修补气球，将废料上的碎片粘贴在任何洞上。
14. 成功地发射、飞行并回收你制作的模型热气球。
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使用一个单燃烧器露营炉加热气球下面的空气。注意不要让气球离火焰太近，否则气球会着火燃烧。
将热空气送入气球的一种更有效的方法是取一些坚固的烘干机排气管，切割出可以滑到露营炉锅支架上的切口，然后将排气管滑到炉子上。这样可以让热空气通过排气管引导到气球中。然而，这并不能完全消除气球着火燃烧的可能性。你必须防止气球接触排气管，并且也要注意气球，确保它没有开始变黄，尤其是靠近排气管的地方。
你需要两个人来发射气球。一个人负责支撑气球的顶端（直到气球内部有足够的热空气），另一个人负责将气球的开口放在炉子上面。在将气球放在炉子上面之前，用一根线绳将线轴绑在固定气球开口形状的铁丝上。将气球放在炉子上面，以便热空气进入气球。将气球放在炉子上，直到它看起来或感觉起来像要起飞（通常 30-45 秒就够了）。当足够多的热空气进入气球后，释放气球，让它飞起来。让气球飞大约 20 秒。当气球成功飞起来后，拉你绑在气球上的线绳来回收气球。线绳可以防止气球被吹走，也可以防止它飞到树上或其他物体上。
请使用耐热手套（例如烤箱手套或焊工手套）来确保安全。金属管道会变得很烫。气球在管道上停留的时间不够长，不会着火。我们必须同时使用两个燃气燃烧器才能获得足够的热量通过管道。祝你飞行愉快！有一部名为《夜渡》的优秀 DVD，讲述了一个家庭越过柏林边境的故事。他们制作了两个气球，并尝试过两次获得自由。