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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約瑟夫·米歇爾·蒙哥費爾 -
雅克·埃蒂安·蒙哥費爾
約瑟夫·米歇爾·蒙哥費爾（1740年8月26日 - 1810年6月26日）和雅克·埃蒂安·蒙哥費爾（1745年1月6日 - 1799年8月2日）是熱氣球的 изобретатели。兄弟倆成功地發射了第一次載人飛行，將一位年輕的醫生和一位勇敢的軍官送上了天空。
在兩兄弟中，是約瑟夫首先考慮建造“機器”。約瑟夫觀察到，在火上烘乾的衣服無意中形成了向上鼓起的袋子。約瑟夫開始建造一個 1 米 × 1 米 × 1.3 米
的箱子，用非常薄的木頭做成，用輕便的塔夫綢布覆蓋側面和頂部。在箱子的底部，他揉皺了紙並點燃。這個裝置很快就從支架上升起，撞到了天花板。然後約瑟夫招募了他的兄弟一起建造氣球。
然後，兩兄弟開始建造一個規模大三倍（體積大 27 倍）的裝置。升力非常大，以至於他們在 1782 年 12 月 14 日的第一次試飛中就失去了對飛船的控制。該裝置漂浮了近 2 公里（約 1.2 英里）。它在著陸後被路人的“無意”破壞了。
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讓-弗朗索瓦·皮拉特·德·羅齊耶（1754 年 3 月 30 日 - 1785 年 6 月 15 日）是一位法國化學和物理學教師，也是最早的航空先驅之一。他在試圖飛越英吉利海峽時，氣球在法國加來海峽的維梅勒附近墜毀，他和他的同伴皮埃爾·羅曼成為第一批已知的空難受害者。
1783 年 6 月，他目睹了蒙哥費爾兄弟的第一次氣球飛行。9 月 19 日，他協助在凡爾賽宮前庭進行了羊、公雞和鴨子的無人繫留飛行。在 10 月份進行了一系列測試後，他於 1783 年 11 月 21 日進行了歷史上第一次載人自由飛行，他的同伴是雄心勃勃的阿爾朗德侯爵。在使用蒙哥費爾熱氣球進行的 25 分鐘飛行中，他們從穆埃特城堡飛行了 12 公里，到達了巴黎郊外的 Butte-aux-Cailles，達到 3,000 英尺的高度。
c. 雅克·亞歷山大·塞薩爾·查爾斯 和尼古拉·路易·羅伯。
[編輯 | 編輯原始碼]1783 年 12 月，這兩位用氫氣填充了第一個氣球，並進行了飛行。這次飛行持續了至少 2 個小時，從巴黎的杜伊勒裡花園起飛，並在巴黎郊外降落，在那裡被驚恐的農民摧毀了。
查爾斯繼續發現了 查理定律，該定律描述了氣體密度與其溫度之間的關係。
從 1978 年 8 月 11 日到 8 月 17 日，這三位駕駛 雙鷹 II 號 完成了第一次跨大西洋氣球飛行。他們從緬因州的普雷斯克島起飛，在法國的米塞雷結束飛行。
本·阿布魯佐和拉里·紐曼也是 雙鷹 V 號 的飛行員，該氣球於 1981 年成為第一個穿越太平洋的氣球。
1999 年 3 月 1 日，伯特蘭·皮卡德和布萊恩·瓊斯開始了首次環球熱氣球飛行。他們的飛行取得了成功，於 1999 年 3 月 20 日結束。飛行持續了 19 天 21 小時。飛行從瑞士開始，在埃及結束。
- 阿基米德原理指出：任何完全或部分浸入流體中的物體，都會受到一個向上浮力，該浮力等於被物體排開的流體的重量。
- a. 一塊軟木塞漂浮在一碗水中。
軟木塞的密度小於水，重量小於被它排開的同體積水的重量，所以軟木塞會漂浮。
- b. 一艘船漂浮在海面上
雖然船是由密度大的材料製成的，但它的形狀使得內部的大部分空間都是空氣。由於船及其貨物重量小於被它排開的同體積水的重量，所以船會漂浮。
- c. 一個熱氣球漂浮在大氣中
只要熱氣球加上它所包含的氣體重量小於它所排開的同體積大氣重量，熱氣球就會在大氣中漂浮。
| 氣體 | 空氣百分比 | 純氣體重量 |
|---|---|---|
| 氮氣 | 78% | 1.25 g/升 |
| 氧氣 | 21% | 1.43 g/升 |
| 氬氣 | .93% | 1.78 g/升 |
| 二氧化碳 | .03% | 1.96 g/升 |
| 其他（包括氖氣、氦氣、 氫氣、氙氣和氡氣） |
.04% |
要計算熱氣球中空氣的平均重量，可以使用粗略的百分比進行計算，即空氣中 70% 為氮氣，30% 為氧氣。氮氣的原子量為 14 g。氧氣的原子量為 16 g。氮氣和氧氣是由兩個原子組成的。因此，對於一個包含 22.4 升空氣的熱氣球，使用以下公式。當然，如果需要更精確的值，則可以使用所有氣體存在的精確百分比。
70% x 28 + 30% x 32 = 0.7 x 28 + 0.3 x 32 = 19.6 + 9.6 = 29.2
因此，一個包含 22.4 升空氣的熱氣球的重量為 29.2 g 加上熱氣球本身的重量。
| 原子序數 | 原子量 | 密度 (g/cm³) | |
|---|---|---|---|
| 氫氣 | 1 | 1.008 | 0.00008988 |
| 氦氣 | 2 | 4.003 | 0.0001785 |
| 氮氣 | 7 | 14.01 | 0.0012506 |
| 氧氣 | 8 | 16.00 | 0.001429 |
氫氣和氦氣都比空氣密度小，可以用於飛艇。熱空氣也可以用於飛艇，因為它比冷空氣密度小。
- 注意：氫氣在點燃時會劇烈燃燒。在興登堡號飛艇爆炸後，氫氣在載人飛艇中幾乎被完全棄用。
正如 查理定律 所描述的那樣，對氣體施加熱量會導致其分子相互遠離，從而降低其密度。當熱氣球中的空氣被加熱到高於周圍空氣的溫度時，熱氣球中的空氣密度會低於熱氣球外面的空氣密度。由於熱氣球的密度較低，所以會漂浮或上升。熱氣球內部空氣與周圍空氣之間的溫差越大，內部和外部空氣之間的密度差就越大，這會增加熱氣球產生的升力。這就解釋了為什麼熱氣球通常在較冷的天氣裡發射。
- a. 氣囊
- 熱氣球的外層皮膚，形成容納氣體的容器。
- b. 支撐結構
- 較大熱氣球的框架。
- c. 喉口
- 熱氣球的下部開口，用於向內部注入熱氣流，加熱空氣。
- d. 燃料源
- 用於加熱空氣的燃料，使熱氣球的密度低於周圍空氣。
- 紙張
- 紙張可用於製作模型熱氣球，因為它易於獲取且價格低廉。
- 塑膠
- 塑膠可用於製作模型熱氣球，因為它具有防水、易於加工和易於獲取的優點。
- 織物
- 織物通常用於大型載人熱氣球。織物經過特殊處理。
軍事用途包括：“空中眼線”、觀察敵軍部隊和陣地、將爆炸物投放到敵軍陣地以及防禦性地攔截敵軍飛行器。
科學用途包括用於資料收集的儀器運輸、大氣研究和航空攝影。
清晨是最佳時間，因為夜間空氣冷卻，使氣球內外溫差變大，從而增加浮力。
飛行員透過燃燒更多燃料使氣球內的空氣變熱來控制熱氣球的垂直運動，使氣球內的空氣密度降低，從而使氣球上升。反之，關閉火焰並讓氣球內的空氣冷卻，會使氣球內的空氣密度相對於周圍大氣增加，導致氣球下降。透過減少氣球重量（通常透過丟棄壓艙物）可以更快地增加高度，但這受限於可用的壓艙物數量。
向氦氣或氫氣充氣的氣球中新增更多比空氣輕的氣體以使其上升，並釋放一些氣體以使其下降，從而改變氣球的高度。
充氣飛行氣球的水平運動完全受氣流的控制。飛行員只能改變氣球的高度，以進入氣流路徑，例如噴射氣流。這需要仔細研究氣流圖表，密切關注天氣資料，並具有一定的試錯元素。像興登堡號這樣的老式飛艇配備了方向舵和螺旋槳來移動，這樣它就不必依賴氣流。
- 薄紙
- 剪刀
- 膠棒
- 縫紉針（可選）
- 細線（建議使用 22 號線）
- 尖嘴鉗和剪線鉗
- 一塊 50 英寸 x 20 英寸 的油氈（用於製作氣球面板模具）
- 一卷繩子
使用硬質或半硬質材料，例如海報板或一塊油氈地板。我建議使用一塊油氈地板，因為它更硬，可以多次使用。剪出一塊 50 英寸長、20 英寸寬的材料。對於每個其他尺寸，您需要從正在建立的模具中心進行測量。您需要在外部邊緣（距離模具中心最遠的地方）標記每個尺寸。
- 第一個尺寸是模具的最底部（所有其他尺寸都將從底部到頂部進行測量），距離中心各 3 1/2 英寸。
- 從底部向上 7 英寸處，距離中心各 3 1/2 英寸。
- 中心線向上 4 英寸處，距離中心 4 7/8 英寸。
- 中心線向上再 4 英寸處，距離中心 6 3/4 英寸。
- 中心線向上 6 英寸處，距離中心 8 5/8 英寸。
- 中心線向上再 6 英寸處，距離中心 9 5/8 英寸（這是最寬的尺寸）。
- 超出最寬尺寸 6 英寸處，距離中心 9 1/8 英寸。
- 向上 3 英寸處，距離中心 7 1/2 英寸。
- 再向上 3 英寸處，距離中心 6 1/2 英寸。
- 再向上 3 英寸處，距離中心 4 3/4 英寸。
- 再向上 3 英寸處，距離中心 3 英寸。
- 最後，再向上 2 3/4 到 3 英寸處，就是您的頂部尺寸。頂部尺寸距離中心 1 5/8 英寸。
使用您用來標記尺寸的筆，從底部尺寸開始，沿著尺寸外部繪製一條線。它看起來像一個燈泡。
沿著剛繪製的線剪下，去除“燈泡”形狀周圍的多餘材料。這應該為您提供製作氣球面板所需形狀的模具。
- 取 2 張薄紙，將它們首尾相連（垂直方向）。繼續用每組薄紙重複此步驟，直到您有 6 塊面板（一塊麵板是 2 張薄紙首尾相連（垂直方向）。您只需要用膠棒貼上大約一個拇指寬或一條直線即可。
- 獲得 6 塊面板後，將它們一層疊一層地放置，確保面板堆疊的一端在面板底部有一個平整的邊緣。*
- 取您的面板模具，將其放在 6 塊面板的頂部。將模具的底部與 6 塊面板的直邊對齊。
- 使用黑色記號筆沿著模具的邊緣描邊（確保不要移動模具或面板）。模具不會到達面板堆疊的另一端。沒關係。只需繼續沿著對角線描邊，直到您到達面板堆疊的頂部。然後，從面板頂部取下模具。
- 取您的剪刀，沿著您透過描邊面板模具所建立的黑色線外部剪下。完成後，您應該在面板的兩側各有兩（2）組廢料。不要扔掉它們！您可能需要用它們修補出現破洞的面板，並用它們製作氣球的頂部。
- 取頂部兩（2）塊面板，將它們拉到其他面板之外。將兩塊面板的底部從頂部面板拉出約 1 英寸。取您的剪刀，在底部面板上剪出一些襟翼。只剪入約 1/2 英寸深。沿著底部兩塊面板的一側執行此操作。這些襟翼使將面板連線在一起變得更容易。
- 取一根膠棒，在兩塊面板的頂部塗膠。您需要將膠水塗在緊挨著剛剪出的襟翼的面板一側。此外，在塗膠時，您只需要沿邊緣塗一層膠棒寬度的膠水即可。由於膠水乾燥速度很快，您可能需要最多塗上 2 到 3 個襟翼的膠水。然後，您將底部面板上的襟翼摺疊到塗過膠水的地方的頂部面板邊緣。繼續執行此操作，直到您將 2 塊面板完全連線在一起。
- 取第三塊面板，將其放在您剛粘在一起的兩塊面板的頂部。將其放置，使兩塊連線的面板的頂部面板（未粘合的一側）露出約 1 英寸。
- 再次，在露出 1 英寸的面板處剪出一些深度約為半英寸的襟翼。用膠水將襟翼摺疊起來，將第三塊面板連線到第二塊面板。現在，您應該有 3 塊面板連線在一起。繼續重複步驟 8 和 9（忽略步驟 8 中的“兩塊面板”的引用。相反，理解它現在指的是您剛連線的兩塊面板。）直到所有面板都連線在一起。請記住交替切割襟翼的哪一側，這樣就不會影響其他面板的任何連線。
- 將所有 6 塊面板連線在一起後，翻過來。提起頂部面板，將內部面板折回來。不要摺痕內部面板。然後，將頂部面板放回原位。
- 將底部的紙板切割成與之前所有紙板相同的形狀。注意切割深度約為 1/2 英寸。然後將頂部的紙板向底部紙板的邊緣拉動，直到底部紙板的寬度與之前的所有紙板寬度一致。
- 就像之前所有紙板一樣，在頂部紙板塗上膠水。記住，一次只塗 2 或 3 個紙板的膠水可能更容易操作，然後將封邊折起來，再繼續塗膠水。
- 現在，開啟你的氣球。你會注意到它還沒有頂部。從你切割紙板時儲存下來的廢料中，選擇一塊儘可能大的。從這塊紙板中，儘可能地切割出一個圓形。（你可以將紙板摺疊一兩次，以便更容易切割圓形。）
- 將膠水塗抹在你剛切割出來的圓形上（沿著外邊緣塗抹一兩層膠棒的寬度）。然後將圓形貼上到氣球頂部，蓋住洞口。
- 取一根鐵絲，從線軸上擷取大約 2 英尺長的一段。
- 用尖嘴鉗將鐵絲彎成一個堅固的圓形。（建議在一端做一個小的環。輕輕旋轉。將鐵絲的另一端穿過環形一段距離，然後將穿過的鐵絲繞著環形端旋轉。這樣可以防止鐵絲圓形膨脹或收縮。）
- 將氣球的開口端穿過鐵絲圓形。然後將氣球摺疊在鐵絲上，將摺疊的末端貼上回氣球。（你可以在氣球的開口端切割一些封邊，使貼上更容易。）氣球表面的面積會大於鐵絲。你可能需要將一兩個紙板的末端稍微摺疊一下，以減少貼上氣球到鐵絲上時需要處理的紙板數量。
- 此時，你的氣球已經完成了。你需要檢查氣球的整個表面，確保沒有紙板上的洞、沒有未貼上的紙板接縫、沒有未貼上的氣球帽部位或底部鐵絲處的撕裂。如果有任何問題，用你剩下的廢料（很高興你留著它們，對吧？）修補氣球，將廢料上的碎片貼上在任何洞上。
14. 成功地發射、飛行並回收你製作的模型熱氣球。
[edit | edit source]
使用一個單燃燒器露營爐加熱氣球下面的空氣。注意不要讓氣球離火焰太近，否則氣球會著火燃燒。
將熱空氣送入氣球的一種更有效的方法是取一些堅固的烘乾機排氣管，切割出可以滑到露營爐鍋支架上的切口，然後將排氣管滑到爐子上。這樣可以讓熱空氣透過排氣管引導到氣球中。然而，這並不能完全消除氣球著火燃燒的可能性。你必須防止氣球接觸排氣管，並且也要注意氣球，確保它沒有開始變黃，尤其是靠近排氣管的地方。
你需要兩個人來發射氣球。一個人負責支撐氣球的頂端（直到氣球內部有足夠的熱空氣），另一個人負責將氣球的開口放在爐子上面。在將氣球放在爐子上面之前，用一根線繩將線軸綁在固定氣球開口形狀的鐵絲上。將氣球放在爐子上面，以便熱空氣進入氣球。將氣球放在爐子上，直到它看起來或感覺起來像要起飛（通常 30-45 秒就夠了）。當足夠多的熱空氣進入氣球后，釋放氣球，讓它飛起來。讓氣球飛大約 20 秒。當氣球成功飛起來後，拉你綁在氣球上的線繩來回收氣球。線繩可以防止氣球被吹走，也可以防止它飛到樹上或其他物體上。
請使用耐熱手套（例如烤箱手套或焊工手套）來確保安全。金屬管道會變得很燙。氣球在管道上停留的時間不夠長，不會著火。我們必須同時使用兩個燃氣燃燒器才能獲得足夠的熱量透過管道。祝你飛行愉快！有一部名為《夜渡》的優秀 DVD，講述了一個家庭越過柏林邊境的故事。他們製作了兩個氣球，並嘗試過兩次獲得自由。