Vad får en luftballong att stiga?

Har du någonsin sett stora, färgglada ballonger sväva över molnen och undrat hur de kom dit? I så fall är du inte ensam!

Luftballonger kan flyga på grund av lagen om flytkraft, även kallad Arkimedes princip. Arkimedes princip säger att ett föremål i vätska (gas eller vätska) påverkas av en uppåtriktad kraft lika med den vätska som föremålet förskjuter. Eftersom varmluft är lättare än vanlig luft är ballongen flytande.

För den oinvigde kan det vara lite förvirrande. Nedan kommer vi att diskutera alla ins och outs (och upp- och nedgångar) med flytkraft!

Vad är flytkraft?

I enklaste termer är flytkraft den uppåtriktade kraften på ett föremål i vila i en vätska. Det enklaste sättet att tänka på detta är att föreställa sig en tennisboll placerad i en pool.

Exempel 1

När tennisbollen placeras i vatten kommer du att märka att den sjunker lite. Tennisbollen kommer dock aldrig att vara helt nedsänkt i vattnet. Det beror på att kraften som trycker uppåt på tennisbollen, flytkraften, är större än tennisbollens massa.

Den flytande kraften skapas av vätskan som förskjuts av tennisbollen. Kommer du ihåg hur bollen sjunker en liten bit i vattnet? Det tränger undan vatten tills kraften från det förskjutna vattnet är lika med kraften som utövas av tennisbollen.

Det kan vara många ord om du är en visuell elev. Detta kommer hjälpa:

Exempel 2

Föreställ dig nu för en sekund att du istället för en tennisboll tappade en boll med led i poolen. Denna blyboll har exakt samma storlek som tennisbollen, men väger uppenbarligen mycket mer.

Som du kan föreställa dig, skulle bollen av led sjunka ända till botten av poolen. Varför är detta?

Ledbollen tränger undan lika mycket vatten som tennisbollen, men den väger mycket mer. På grund av detta kommer den uppåtriktade kraften hos det dispergerade vattnet aldrig att vara lika med den nedåtriktade kraften från den led-kulan.

Detta gör att ledkulan sjunker.

Följande diagram kommer att jämföra vad som händer med föremål av samma storlek men olika vikt i vatten. Detta efterliknar exakt vad vi just diskuterade med tennisbollen och ledbollen.

Denna lag om flytkraft är det som får båtar att flyta och luftballonger att flyga. Nästa gång du åker på en kryssning eller hoppar i en luftballong kan du föreställa dig denna lag på jobbet!

Vem upptäckte flytkraften?

Vi har alla fått bra idéer när vi satt i badkaret eller duschen. Det är något med att koppla av i vatten som får hjärnans saft att flöda!

Tja, detta är precis vad som hände med en grekisk matematiker vid namn Archimedes.

Arkimedes är en av de största hjärnorna i den gamla världen. Han är ansvarig för många upptäckter inom matematik, fysik, teknik och astronomi! Han är också en stor uppfinnare!

Flytkraftslagen var en av hans största upptäckter, och den kommer med en fantastisk historia!

Den gyllene kronan

Det finns en gammal berättelse som förklarar hur Arkimedes upptäckte flytkraft. En del av det är definitivt sant, men det finns en del som kan vara påhittade. Jag låter dig vara domare.

  Vart ska man gå på isfiske nära Detroit, Michigan

Arkimedes bodde i Syrakusa, en provins i dagens Italien. Kungen av Syrakusa vid den tiden var en man vid namn kung Hiero II.

Kung Hiero II hade beställt skapandet av en gyllene krona som skulle placeras i templet i Syrakusa. Denna krona skulle formas som en lagerkrans. Kung Hiero II gav en guldklump till en lokal guldsmed för skapandet av kronan.

När kungen fick kronan blev han imponerad av dess hantverk och skönhet. Det fanns dock några som hävdade att guldsmeden använde lite silver i designen för att göra kronan tillräckligt lätt.

Arkimedes togs in för att upptäcka sanningen. Kungen ville inte att Arkimedes skulle skada kronan på något sätt, så Arkimedes var tvungen att bli kreativ.

Historien säger att när Arkimedes gick ner i sitt badkar för att fundera över problemet, såg han vatten rinna ut över sidan av badet när han sänkte sig ner i. Om ett ögonblick fick han sitt svar!

Arkimedes var så upprymd att han sprang hela vägen hem naken! Syrakusas gator fylldes av hans rop om ”Eureka! Eureka!”.

Testet var enkelt: Arkimedes skulle placera kronan och en guldklump identisk med den första i en balja med vatten. Om de hade samma volym skulle de tränga undan samma mängd vatten oavsett form.

Om silver hade tillsatts skulle volymen vara annorlunda och kronan skulle tränga undan vatten.

Den oärliga guldsmeden avslöjades, och flytkraftslagen upptäcktes!

Flytkraft och ballonger

Så hur gäller Arkimedes princip för luftballonger?

Det första att komma ihåg är att en vätska är en vätska eller en gas. Alla exemplen ovan använde vätskor, men samma lagar gäller för gaser eftersom de också är vätskor.

Luften runt omkring oss räknas som en gas, och det är materiens tillstånd som luftballonger använder för att stiga!

Som namnet antyder uppnår varmluftsballonger flygning på grund av varmluft. När luften inuti ballongen (eller kuvertet) värms upp blir den mindre tät än luften utanför kuvertet. Detta gör att ballongen stiger.

Ballongen vs bollarna

Kommer du ihåg vårt exempel på tennisbollen och ledbollen? En luftballong är mycket så.

Innan luften i kuvertet värms upp är den lika tät som luften utanför kuvertet. Det här är som en led boll. Storleken på ballongen är exakt densamma som en ballong som flyger, men vikten av luften inuti ballongen är större än luften den förskjuter.

När luften inuti ballongen värms upp blir gasen inuti mindre tät. Med andra ord väger gasen mindre trots att storleken på kuvertet förblir densamma.

När detta händer lyfts ballongen eftersom den väger mindre än luften den förskjuter. Detta betyder att den uppåtriktade kraften på ballongen är lika med och då större än ballongens vikt.

Holey flytkraft!

En luftballong har två hål: ett i botten och ett i toppen. Hålet i botten, ofta kallat halsen, släpper in den varma luften i ballongen. Hålet på toppen, eller fallskärmsventilen, släpper ut varm luft ur ballongen när den öppnas.

För att hålla en luftballong i luften måste luften i kuvertet värmas upp konsekvent. Detta håller kuvertet flytande.

  Är en Polaris RZR Street laglig?

Om du vill landa en luftballong kan du släppa ut varmluft. När ballongen blir mindre och mindre flytande kommer den att börja falla. Du kan också välja att låta luften i ballongen bara svalna naturligt, men det gör att du har mycket mindre kontroll över nedstigningen.

Flytkraft i praktiken

Så hur tillämpar man egentligen dessa principer i en luftballong?

Vi har redan diskuterat några av delarna av en luftballong, men här är en snabb recension som hjälper dig att förstå hur du tillämpar Archimedes princip:

Del Vad den gör
Korg Lådan i botten av en luftballong som rymmer last.
Kuvert ”Ballongen” som fylls med luft.
Kjol En icke brännbar trasa i botten av kuvertet
runt brännarna.
Brännare Enheten som värmer luften inuti kuvertet.

Brännarna, som är placerade ovanför korgen, använder flytande propan för att värma luften inuti kuvertet. Lågan styrs av en ventil på tanken för flytande propan.

Ju mer propan som matas till brännaren, desto starkare lågan. Ju starkare lågan är, desto mindre tät blir luften inuti höljet. När luften inuti kuvertet blir mindre tät stiger hela ballongen.

Styrning

Vi har redan diskuterat hur att släppa in varm luft i kuvertet får ballongen att stiga. Vi vet också att om man släpper ut varm luft ur kuvertet eller låter luften i kuvertet svalna, kommer ballongen att falla.

Med denna förståelse kan vi börja se hur flytkraftslagen kan hjälpa oss att styra till en viss grad.

Till skillnad från andra flygmaskiner har du inte massor av kontroll över vart en luftballong tar vägen. Det finns dock några saker du kan göra för att styra en luftballong.

Erfarna ballongfarare blir skickliga på att känna igen vindmönster på olika höjder. Till exempel, om du vet att vinden blåser västerut på 3000 fot, kan du höja din ballong till 3000 fot. att börja gå västerut.

På samma sätt kan du sänka din höjd om du vill fånga en luftström som går i en annan riktning!

Mycket bra ballongpiloter kan till och med hoppa från luftström till luftström vilket får deras ballong att ”snurra”.

Att förstå flytkraften kan därför hjälpa dig att styra din luftballong bättre!

Säkerhetsåtgärder

Eftersom det kan vara farligt att skjuta en låga i kuvertet finns det några säkerhetsåtgärder på plats.

Kjolen är gjord av annat material än resten av kuvertet. Det är duken direkt runt brännarna och är därför gjord av obrännbart tyg.

Utan kjolen skulle kuvertet inte fånga upp all varm luft som behövs för att stiga.

Innan kuvertet börjar ta emot varm luft från brännarna fylls det först med kall luft. Detta får kuvertet från marken och till en form redo att ta emot varmluft.

Att försöka få in varmluft i en ballong innan du fyller den med kall luft skulle sannolikt sätta igång kuvertet.

Flytande ballonger: då och nu

Principen om flytkraft upptäcktes långt innan luftballongen uppfanns, men den tillämpades inte alltid korrekt.

Tidiga ballonger

Uppfinnarna av luftballongen, Joseph-Michel Montgolfier och Jacques-Étienne Montgolfier, trodde att det var röken i deras luftballonger som hjälpte dem att uppnå flytkraft.

  Blir en lägereld tillräckligt varm för att smälta aluminium?

De förstod ännu inte hur luft betedde sig när den värmdes upp mot när den kyldes. Faktum är att de hade väldigt liten förståelse för hur syremolekyler överhuvudtaget betedde sig!

På grund av detta använde bröderna Montgolfier våt halm för att driva sina luftballonger eftersom det skapade mer rök. I verkligheten skadade detta bara prestandan för deras ballonger.

Gasballonger blev snabbt mer populära än luftballonger. Dessa ballonger använde gaser lättare än syre, såsom helium eller väte, för att uppnå flygning.

Lätt varm luft, helium eller väte inuti en gasballong är mindre tät än luften utanför höljet. Detta gör att gasballongen stiger.

Den moderna luftballongen

Under de kommande 100 åren fanns det flera upptäckter och uppfinningar som förde återkomsten av luftballonger närmare och närmare.

Med upptäckten av den flytande propanbrännaren och avsevärda ansträngningar från Ed Yosts sida, kom varmluftsballonger tillbaka i popularitet i mitten av 1900-talet.

Dessa ballonger använder flytande propan brännare för att värma luften inuti kuvertet. Som redan diskuterats är det detta som gör att moderna luftballonger blir flytande.

Detta gav ett säkert sätt för luftballonger att flyga för första gången på över 100 år!

Utan uppfinningen av brännaren för flytande propan och Ed Yosts arbete hade gas förblivit det bästa sättet för ballonger att uppnå flytkraft.

Idag är luftballonger mycket mer populära än sina gasmotsvarigheter.

Utnyttja Arkimedes kraft

Att använda Archimedes princip för att uppnå flygning är en vacker sak! Och det är inte bara på grund av luftballongen. Det är mycket större än så.

Du kanske har hört någon prata om att ”trota tyngdlagen”. Kanske var det på en basketmatch, eller kanske när du lyssnade på soundtracket till ”Wicked”.

Var det än var finns det en utbredd föreställning att flygning trotsar tyngdlagen, men detta är helt enkelt inte sant. Det är inte bara inte sant, utan det förringar faktiskt flygets sanna skönhet.

Skönheten med att flyga kommer inte från att trotsa naturlagar, utan från att utnyttja dem!

Du förstår, varje gång en luftballong stiger på himlen eller ett plan lyfter från marken, är det ett bevis på att mänskligheten har blivit herre över elementen. Det bevisar att vi bokstavligen har höjt oss över den naturliga ordningen.

När Arkimedes upptäckte flytkraft, bevisade han faktiskt ännu en gång att det inte finns någon gräns för vad vi som människor kan uppnå! Och att utnyttja kraften som Arkimedes upptäckte bevisar den punkten varje gång vi lämnar jordens säkerhet.

För många är luftballong mer än ett tidsfördriv, det är en livsstil. Det är givande av så många anledningar. Gemenskapen, lugnet bland molnen och upphetsningen du känner när du lyfter är bara några av dessa anledningar.

Lärdomarna från ballongflygning är verkligen en del av anledningen. Och bland alla lärdomar att dra, är detta definitivt en att komma ihåg: Skönheten med ballongflygning är född av att utnyttja, inte bryta, jordens lagar.