Co sprawia, że ​​balon na ogrzane powietrze wznosi się?

Czy widziałeś kiedyś duże, kolorowe balony szybujące nad chmurami i zastanawiałeś się, jak się tam dostały? Jeśli tak, nie jesteś sam!

Balony na ogrzane powietrze mogą osiągnąć lot dzięki prawu wyporu, zwanemu również zasadą Archimedesa. Zasada Archimedesa mówi, że na obiekt w płynie (gaz lub ciecz) działa skierowana do góry siła równa płynowi wypartemu przez ten obiekt. Ponieważ gorące powietrze jest lżejsze niż normalne powietrze, balon ma wyporność.

Dla niewtajemniczonych może to być trochę mylące. Poniżej omówimy wszystkie tajniki (oraz wzloty i upadki) pływalności!

Co to jest pływalność?

Mówiąc najprościej, wyporność to siła skierowana w górę, działająca na obiekt w stanie spoczynku w płynie. Najprościej wyobrazić sobie piłkę tenisową umieszczoną w basenie.

Przykład 1

Kiedy piłka tenisowa zostanie umieszczona w wodzie, zauważysz, że trochę tonie. Jednak piłka tenisowa nigdy nie zostanie całkowicie zanurzona w wodzie. Dzieje się tak, ponieważ siła wypychająca piłkę tenisową w górę, siła wyporu, jest większa niż masa piłki tenisowej.

Ta siła wyporu jest tworzona przez płyn wypierany przez piłkę tenisową. Pamiętasz, jak piłka trochę tonie w wodzie? To wypiera wodę, dopóki siła wypartej wody nie zrówna się z siłą wywieraną przez piłkę tenisową.

To może być dużo słów, jeśli jesteś wzrokowcem. To pomoże:

Przykład 2

A teraz wyobraź sobie przez chwilę, że zamiast piłki tenisowej, wrzuciłeś do basenu piłkę z ołowiu. Ta ołowiana piłka ma dokładnie taki sam rozmiar jak piłka tenisowa, ale oczywiście waży znacznie więcej.

Jak możesz sobie wyobrazić, kula led opadałaby na dno basenu. Dlaczego to?

Piłka led wypiera tyle wody, co piłka tenisowa, ale waży znacznie więcej. Z tego powodu siła rozproszonej wody w górę nigdy nie będzie równa sile skierowanej w dół kuli ledowej.

Prowadzi to do zatonięcia kuli.

Poniższy diagram porówna, co dzieje się z przedmiotami o tym samym rozmiarze, ale o różnej wadze w wodzie. To naśladuje dokładnie to, o czym właśnie rozmawialiśmy z piłką tenisową i piłką prowadzącą.

To prawo wyporu powoduje, że łodzie unoszą się na wodzie, a balony na ogrzane powietrze latają. Następnym razem, gdy wyruszysz w rejs lub wskoczysz do balonu na ogrzane powietrze, możesz wyobrazić sobie to prawo w działaniu!

Kto odkrył pływalność?

Wszyscy wpadliśmy na świetne pomysły, siedząc w wannie lub pod prysznicem. Jest coś w relaksowaniu się w wodzie, co sprawia, że ​​płyną soki mózgowe!

Cóż, dokładnie to stało się z greckim matematykiem o imieniu Archimedes.

Archimedes to jeden z największych umysłów starego świata. Jest odpowiedzialny za liczne odkrycia w matematyce, fizyce, inżynierii i astronomii! Jest także świetnym wynalazcą!

Prawo wyporu było jednym z jego największych odkryć i wiąże się z niesamowitą historią!

Złota Korona

Istnieje starożytna opowieść, która wyjaśnia, jak Archimedes odkrył pływalność. Niektóre z nich są z pewnością prawdziwe, ale są też takie, które można sfabrykować. Pozwolę ci być sędzią.

Archimedes mieszkał w Syrakuzach, prowincji współczesnych Włoch. Królem Syrakuz w tym czasie był człowiek o imieniu King Hiero II.

Król Hiero II zlecił stworzenie złotej korony do umieszczenia w świątyni w Syrakuzach. Korona ta miała mieć kształt wieńca laurowego. Król Hiero II dostarczył bryłę złota lokalnemu złotnikowi na wykonanie korony.

Czytać  Prawny wiek uprawniający do jazdy skuterem wodnym w Teksasie

Gdy król otrzymał koronę, był pod wrażeniem jej kunsztu i piękna. Byli jednak tacy, którzy twierdzili, że złotnik użył w projekcie trochę srebra, aby korona była wystarczająco lekka.

Archimedes został sprowadzony, aby odkryć prawdę. Król nie chciał, aby Archimedes w jakikolwiek sposób uszkodził koronę, więc Archimedes musiał wykazać się kreatywnością.

Historia głosi, że kiedy Archimedes wszedł do wanny, aby przemyśleć problem, zauważył, że woda wylewa się po krawędzi wanny, gdy się zanurzył. Za chwilę miał odpowiedź!

Archimedes był tak podekscytowany, że pobiegł całą drogę do domu nago! Ulice Syracuse wypełniły się jego okrzykami „Eureka! Eureko!”.

Test był prosty: Archimedes umieścił koronę i bryłę złota identyczną jak pierwsza w wannie z wodą. Gdyby miały taką samą objętość, wyparłyby taką samą ilość wody, niezależnie od kształtu.

Gdyby dodać srebro, objętość byłaby inna, a korona wypierałaby wodę.

Nieuczciwy złotnik został zdemaskowany i odkryto prawo pływalności!

Pływalność i balony

Jak więc zasada Archimedesa odnosi się do balonów na ogrzane powietrze?

Pierwszą rzeczą do zapamiętania jest to, że płyn jest cieczą lub gazem. Wszystkie powyższe przykłady wykorzystywały ciecze, ale te same prawa dotyczą gazów, ponieważ są one również płynami.

Powietrze wokół nas liczy się jako gaz i jest to stan materii, w którym balony na ogrzane powietrze się wznoszą!

Jak sama nazwa wskazuje, balony na ogrzane powietrze osiągają lot dzięki gorącemu powietrzu. Gdy powietrze wewnątrz balonu (lub koperty) nagrzewa się, staje się mniej gęste niż powietrze na zewnątrz koperty. To powoduje, że balon się unosi.

Balon kontra bale

Pamiętasz nasz przykład piłki tenisowej i piłki ledowej? Balon na ogrzane powietrze jest bardzo podobny.

Zanim powietrze w kopercie zostanie podgrzane, jest tak samo gęste jak powietrze na zewnątrz koperty. To jest jak piłka prowadzona. Rozmiar balonu jest dokładnie taki sam, jak balon, który leci, ale ciężar powietrza wewnątrz balonu jest większy niż powietrza, które przemieszcza.

Kiedy powietrze wewnątrz balonu jest ogrzewane, gaz w środku staje się mniej gęsty. Innymi słowy, gaz waży mniej, mimo że rozmiar koperty pozostaje taki sam.

Kiedy tak się dzieje, balon unosi się, ponieważ waży mniej niż powietrze, które przemieszcza. Oznacza to, że siła działająca w górę balonu jest równa, a następnie większa niż ciężar balonu.

Dziurawa pływalność!

Balon na ogrzane powietrze ma dwa otwory: jeden na dole i jeden na górze. Otwór na dole, często nazywany gardłem, wpuszcza gorące powietrze do balonu. Otwór na górze lub zawór spadochronowy, po otwarciu wypuszcza gorące powietrze z balonu.

Aby balon na ogrzane powietrze był w powietrzu, powietrze w powłoce musi być stale podgrzewane. Dzięki temu powłoka utrzymuje się na powierzchni.

Jeśli chcesz wylądować balonem, możesz wypuścić gorące powietrze. W miarę jak balon staje się coraz mniej wyporny, zacznie opadać. Możesz także pozwolić, aby powietrze w balonie ostygło naturalnie, ale oznacza to znacznie mniejszą kontrolę nad schodzeniem.

Czytać  Lista najlepszych strzelnic łuczniczych w Portland w stanie Oregon

Pływalność w praktyce

Jak więc zastosować te zasady w balonie na ogrzane powietrze?

Omówiliśmy już niektóre części balonu na ogrzane powietrze, ale oto krótki przegląd, który pomoże ci zrozumieć, jak zastosować zasadę Archimedesa:

Część Co to robi
Kosz Pudełko na dnie balonu na ogrzane powietrze, w którym znajduje się ładunek.
Koperta „Balon”, który wypełnia się powietrzem.
Spódnica Niepalna szmatka na dole koperty
wokół palników.
Palniki Jednostka podgrzewająca powietrze wewnątrz koperty.

Palniki, które są umieszczone nad koszem, wykorzystują ciekły propan do podgrzewania powietrza wewnątrz koperty. Płomień jest kontrolowany przez zawór na zbiorniku ciekłego propanu.

Im więcej propanu podaje się do palnika, tym silniejszy jest płomień. Im silniejszy płomień, tym mniej gęste powietrze staje się wewnątrz koperty. Gdy powietrze wewnątrz koperty staje się mniej gęste, cały balon unosi się.

Sterowniczy

Omówiliśmy już, w jaki sposób wpuszczenie gorącego powietrza do koperty powoduje uniesienie się balonu. Wiemy również, że wypuszczenie gorącego powietrza z koperty lub ochłodzenie powietrza w powłoce spowoduje opadnięcie balonu.

Dzięki temu zrozumieniu możemy zacząć dostrzegać, jak prawo wyporu może pomóc nam w pewnym stopniu sterować.

W przeciwieństwie do innych latających maszyn, nie masz dużej kontroli nad tym, dokąd zmierza balon na ogrzane powietrze. Jest jednak kilka rzeczy, które możesz zrobić, aby sterować balonem na ogrzane powietrze.

Doświadczeni baloniarze stają się biegli w rozpoznawaniu wzorców wiatru na różnych wysokościach. Na przykład, jeśli wiesz, że wiatr wieje na zachód na 3000 stóp, możesz podnieść swój balon na 3000 stóp. zacząć jechać na zachód.

Podobnie możesz obniżyć wysokość, jeśli chcesz złapać prąd powietrza płynący w innym kierunku!

Bardzo dobrzy piloci balonów potrafią nawet przeskoczyć z prądu powietrza na prąd powietrza, powodując „wirowanie” balonu.

Zrozumienie pływalności może zatem pomóc w lepszym pilotowaniu balonu na ogrzane powietrze!

Środki ostrożności

Ponieważ strzelanie płomieniem do koperty może być potencjalnie niebezpieczne, istnieje kilka środków bezpieczeństwa.

Spódnica wykonana jest z innego materiału niż reszta koperty. Jest to tkanina bezpośrednio wokół palników i dlatego wykonana jest z niepalnej tkaniny.

Bez spódnicy koperta nie wchłonęłaby całego ciepłego powietrza potrzebnego do wzniesienia się.

Zanim koperta zacznie otrzymywać ciepłe powietrze z palników, najpierw jest napełniana zimnym powietrzem. Dzięki temu koperta odrywa się od ziemi i przyjmuje formę gotową do przyjęcia gorącego powietrza.

Próba wciągnięcia gorącego powietrza do balonu przed napełnieniem go zimnym powietrzem prawdopodobnie doprowadziłaby do zapalenia się koperty.

Pływające balony: kiedyś i teraz

Zasada pływalności została odkryta na długo przed wynalezieniem balonu na ogrzane powietrze, ale nie zawsze była stosowana prawidłowo.

Wczesne balony

Wynalazcy balonu na ogrzane powietrze, Joseph-Michel Montgolfier i Jacques-Étienne Montgolfier, wierzyli, że to dym w balonach na ogrzane powietrze pomógł im osiągnąć pływalność.

Czytać  Czy warto biegać skarpety? Powody, dla których ich potrzebujesz

Nie rozumieli jeszcze, jak zachowuje się powietrze po podgrzaniu w porównaniu z chłodzeniem. W rzeczywistości mieli bardzo mało zrozumienia, jak w ogóle zachowują się cząsteczki tlenu!

Z tego powodu bracia Montgolfier używali mokrej słomy do napędzania balonów na gorące powietrze, ponieważ wytwarzała ona więcej dymu. W rzeczywistości to po prostu zaszkodziło wydajności ich balonów.

Balony gazowe szybko stały się bardziej popularne niż balony na ogrzane powietrze. Balony te wykorzystywały do ​​lotu gazy lżejsze od tlenu, takie jak hel lub wodór.

Lekkie gorące powietrze, hel lub wodór w balonie gazowym ma mniejszą gęstość niż powietrze na zewnątrz powłoki. Powoduje to uniesienie się balonu gazowego.

Nowoczesny balon na gorące powietrze

W ciągu następnych 100 lat dokonano kilku odkryć i wynalazków, które przybliżyły powrót balonów na ogrzane powietrze.

Wraz z odkryciem palnika na ciekły propan i znacznymi wysiłkami ze strony Eda Yosta balony na ogrzane powietrze powróciły do ​​popularności w połowie XX wieku.

Balony te wykorzystują palniki z ciekłym propanem do podgrzewania powietrza wewnątrz powłoki. Jak już wspomniano, właśnie to powoduje, że nowoczesne balony na ogrzane powietrze nabierają wyporności.

Zapewniło to bezpieczny sposób na lot balonów na ogrzane powietrze po raz pierwszy od ponad 100 lat!

Bez wynalezienia palnika na ciekły propan i pracy Eda Yosta gaz byłby najlepszym sposobem na osiągnięcie pływalności przez balony.

Dziś balony na ogrzane powietrze są znacznie bardziej popularne niż ich gazowe odpowiedniki.

Wykorzystanie mocy Archimedesa

Stosowanie zasady Archimedesa do osiągnięcia lotu to piękna rzecz! I to nie tylko z powodu balonu na ogrzane powietrze. Jest znacznie większy.

Być może słyszeliście, jak ktoś mówi o „zaprzeczaniu prawu grawitacji”. Być może na meczu koszykówki, a może podczas słuchania ścieżki dźwiękowej „Wicked”.

Gdziekolwiek to było, panuje powszechne przekonanie, że latanie przeczy prawu grawitacji, ale to po prostu nieprawda. Nie tylko nie jest to prawdą, ale faktycznie umniejsza prawdziwe piękno lotu.

Piękno latania nie wynika z przeciwstawiania się prawom natury, ale z ich wykorzystywania!

Widzisz, za każdym razem, gdy balon na ogrzane powietrze unosi się na niebie lub samolot startuje z ziemi, to świadectwo, że ludzkość stała się panem żywiołów. Dowodzi, że dosłownie wznieśliśmy się ponad naturalny porządek rzeczy.

Kiedy Archimedes odkrył pływalność, w rzeczywistości po raz kolejny udowadniał, że nie ma ograniczeń co do tego, co my jako ludzie możemy osiągnąć! A ujarzmienie mocy, którą odkrył Archimedes, gani ten punkt za każdym razem, gdy opuszczamy bezpieczne ziemie.

Dla wielu latanie balonem to coś więcej niż rozrywka, to styl życia. To satysfakcjonujące z wielu powodów. Społeczność, spokój wśród chmur i radość, jaką odczuwasz podczas startu, to tylko kilka z tych powodów.

Lekcje wyciągnięte z baloniarstwa są z pewnością częścią tego powodu. Spośród wszystkich lekcji, których należy się nauczyć, z pewnością należy pamiętać: piękno latania balonem rodzi się z wykorzystywania, a nie łamania ziemskich praw.