Sådan fungerer luftballoner

Hvis du virkelig har brug for at komme et sted, en luftballon er et temmelig upraktisk køretøj. Du kan ikke rigtig styre det, og den bevæger sig kun så hurtigt som vinden blæser. Men hvis du bare vil nyde oplevelsen af ​​at flyve, der er intet som det. Mange mennesker beskriver at flyve i en luftballon som en af ​​de mest fredfyldte, sjove aktiviteter, de nogensinde har oplevet.

Varmluftsballoner er også en genial anvendelse af grundlæggende videnskabelige principper. I denne artikel, vi får se, hvad der får disse balloner til at stige op i luften, og vi finder også ud af, hvordan ballonens design lader piloten styre højde og lodret hastighed. Du vil blive overrasket over den smukke enkelhed ved disse tidlige flyvende maskiner.

Varmluftsballoner er baseret på et meget grundlæggende videnskabeligt princip:varmere luft stiger i køligere luft. I det væsentlige, varm luft er lettere end kølig luft, fordi den har mindre masse pr. volumenhed. En kubikfod luft vejer cirka 28 gram (ca. en ounce). Hvis du opvarmer luften med 100 grader F, den vejer cirka 7 gram mindre. Derfor, hver kubikfod luft indeholdt i en luftballon kan løfte omkring 7 gram. Det er ikke meget, og det er derfor varmluftsballoner er så enorme - at løfte 1, 000 pund, du har brug for omkring 65, 000 kubikmeter varm luft.

I det næste afsnit, vi ser på de forskellige komponenter i varmluftsballoner for at finde ud af, hvordan de opvarmer luften.

1. Stigende balloner
2. Pilotering af en ballon
3. Lancering og landing
4. Vind og vejr
5. Luft:En højtryksvæske
6. Lufttryk + tyngdekraft =opdrift
7. Ballonhistorik

Stigende balloner

For at holde ballonen hævet, du har brug for en måde at genopvarme luften på. Varmluftsballoner gør dette med en brænder placeret under en åben ballon kuvert . Når luften i ballonen afkøles, piloten kan genopvarme den ved at affyre brænderen.

Moderne luftballoner opvarmer luften ved at brænde propan , det samme stof, der almindeligvis bruges til udendørs madlavningsgrill. Propan opbevares i komprimeret flydende form, i lette cylindre placeret i ballonkurven. Indtagsslangen løber ned til bunden af ​​cylinderen, så det kan trække væsken ud.

Fordi propanen er stærkt komprimeret i cylindrene, det flyder hurtigt gennem slangerne til varmespolen. Varmespolen er simpelthen en længde af stålrør arrangeret i en spole omkring brænderen. Når ballonisten starter brænderen, propan flyder ud i flydende form og antændes af a pilotlys . Når flammen brænder, det opvarmer metallet i den omgivende slange. Når slangen bliver varm, det opvarmer propan, der strømmer gennem det. Dette ændrer propan fra en væske til en gas, før det tændes. Denne gas giver en mere kraftfuld flamme og et mere effektivt brændstofforbrug.

I de fleste moderne varmluftsballoner, konvolutten er konstrueret af lang nylon gores , forstærket med indsyet bånd. Gores, som strækker sig fra kuvertens bund til krone , består af en række mindre paneler . Nylon fungerer meget godt i balloner, fordi det er let, men den er også ret robust og har en høj smeltetemperatur. Det nederdel , nylon i bunden af ​​konvolutten, er belagt med specielt brandsikkert materiale, for at holde flammen fra at antænde ballonen.

Den varme luft slipper ikke ud af hullet i bunden af ​​konvolutten, fordi opdriften holder den oppe. Hvis piloten konstant affyrer brændstofstrålerne, ballonen vil fortsætte med at stige. Der er en øvre højdegrænse, imidlertid, da luften til sidst bliver så tynd, at opdriftskraften er for svag til at løfte ballonen. Den flydende kraft er lig med vægten af ​​luft, der forskydes af ballonen, så en større ballonkuvert vil generelt have en højere øvre højdegrænse end en mindre ballon.

De fleste varmluftsballoner bruger en kurv til kupeen. Flet fungerer meget godt, fordi det er robust, fleksibel og relativt let. Fleksibiliteten hjælper med ballonlandinger:I en kurv lavet af mere stift materiale, passagerer ville mærke den største belastning af slagkraften. Kurvemateriale bøjer lidt, absorberer noget af energien.

Pilotering af en ballon

At styre en ballon kræver dygtighed, men kontrollerne er faktisk meget enkle. For at løfte ballonen, piloten flytter en kontrol, der åbner propanventilen. Dette håndtag fungerer ligesom knapperne på en gasgrill eller komfur:Når du drejer det, gasstrømmen stiger, så flammen vokser i størrelse. Piloten kan øge den lodrette hastighed ved at sprænge en større flamme for at opvarme luften hurtigere.

Derudover mange varmluftsballoner har en kontrol, der åbner en anden propanventil. Denne ventil sender propan gennem en slange, der omgår varmespolerne. Dette lader piloten brænde flydende propan, i stedet for propan i gasform. Brændende flydende propan producerer en mindre effektiv, svagere flamme, men er meget mere støjsvag end at brænde gas. Piloter bruger ofte denne anden ventil over husdyrbrug, for ikke at skræmme dyrene.

Varmluftsballoner har også en snor til at åbne faldskærmsventil øverst på konvolutten. Når piloten trækker i den vedhæftede snor, noget varm luft kan slippe ud af konvolutten, sænke den indre lufttemperatur. Dette får ballonen til at bremse sin opstigning. Hvis piloten holder ventilen åben længe nok, ballonen vil synke.

I det væsentlige, disse er de eneste kontroller - varme til at få ballonen til at stige og udluftning for at få den til at synke. Dette rejser et interessant spørgsmål:Hvis piloter kun kan flytte luftballoner op og ned, hvordan får de ballonen fra sted til sted? Det viser sig, piloter kan manøvrere vandret ved at ændre deres lodrette position, fordi vinden blæser i forskellige retninger i forskellige højder. For at bevæge sig i en bestemt retning, en pilot stiger op og ned til det passende niveau, og kører med vinden. Da vindhastigheden generelt stiger, når du bliver højere i atmosfæren, piloter kan også kontrollere vandret hastighed ved at ændre højde.

Selvfølgelig, selv den mest erfarne pilot har ikke fuldstændig kontrol over ballonens flyvebane. Som regel, vindforhold giver piloten meget få muligheder. Følgelig, du kan ikke rigtig styre en luftballon langs et præcist forløb. Og det er meget sjældent, at du ville kunne styre ballonen tilbage til dit udgangspunkt. Så, i modsætning til at flyve et fly, luftballonpilotering er stort set improviseret, øjeblik til øjeblik. Af denne grund, nogle medlemmer af en luftballonbesætning skal blive på jorden, følge ballonen i bil for at se, hvor den lander. Derefter, de kan være der for at samle passagerer og udstyr.

Lancering og landing

Meget af arbejdet med luftballonflyvning kommer i begyndelsen og slutningen af ​​flyvningen, når besætningen puster og tømmer ballonen. For tilskueren, dette er et meget mere spektakulært show end selve ballonflyvningen.

Når besætningen har fundet et passende affyringspunkt, de fastgør brændersystemet til kurven. Derefter fastgør de ballonkonvolutten og begynder at lægge den ud på jorden.

Når konvolutten er lagt ud, besætningen begynder at puste den op, ved hjælp af en kraftig blæser i bunden af ​​konvolutten.

Når der er nok luft i ballonen, besætningen blæser brænderflammen ind i kuvertmundingen. Dette varmer luften op, bygningstryk, indtil ballonen pustes op hele vejen og begynder at løfte fra jorden.

Jordbesætningsmedlemmerne holder kurven nede, indtil opsendelsesbesætningen er om bord. Ballonkurven er også fastgjort til besætningsvognen til sidste minut, så ballonen ikke blæses væk, før den er klar til at starte. Når alt er indstillet, jorden besætning frigiver ballonen og piloten affyrer en konstant flamme fra brænderen. Når luften varmes op, ballonen løfter lige fra jorden.

Overraskende, hele denne proces tager kun 10 eller 15 minutter. Landingsprocessen, kombineret med tømning og ompakning af ballonkuvert, tager et stykke tid længere.

Når piloten er klar til at lande, han eller hun diskuterer mulige landingssteder med jordbesætningen (via en indbygget radio). De skal finde et stort åbent rum, hvor der ikke er strømledninger og masser af plads til at lægge ballonen ud. Så snart ballonen er i luften, piloten leder konstant efter egnede landingssteder, i tilfælde af nødstilfælde.

Ballonlandingen kan være lidt hård, men en erfaren pilot vil støde langs jorden for gradvist at stoppe ballonen, minimere påvirkningen. Hvis jordbesætningen har nået landingsstedet, de vil holde kurven nede, når den er landet. Hvis ballonen ikke er i en god position, besætningen trækker den langs jorden til et bedre sted.

Jordens besætning sætter en jorden presenning, for at beskytte ballonen mod slid. Derefter åbner piloten faldskærmsventilen hele vejen, så luften kan slippe ud af toppen af ​​ballonen. Jordpersonalet griber en snor fastgjort til toppen af ​​ballonen, og trækker konvolutten over på presenningen.

Når ballonkonvolutten er nede på jorden, besætningen begynder at skubbe luften ud. Når ballonen er fladtrykt, besætningen pakker den i en sække. Hele denne proces er meget som at pakke en kæmpe sovepose op.

Særlig tak til CargoLifter for at hjælpe os med denne artikel.

Vind og vejr

Inden lanceringen, piloter vil ringe til en vejretjeneste for at høre om klima og vindforhold i et område. Forsigtige piloter flyver kun når vejret er tæt på ideelt - når himlen er klar og vindforholdene er normale. Storme er ekstremt farlige for luftballoner, på grund af faren for et lynnedslag. Selv regn er et problem, fordi det nedsætter synligheden og beskadiger ballonmaterialet (naturligvis det er alligevel ikke særlig sjovt at flyve rundt i vådt vejr). Og mens du har brug for en god vindstrøm for at få en god flyvetur, meget stærk vind kunne let ødelægge ballonen.

Piloter ringer også til vejretjenesten for at få en grov ide om, hvilken vej ballonen vil rejse, og hvordan de skal manøvrere, når de er i luften. Derudover en pilot kan sende en piball (forkortelse for pilotballon). En piball er bare en ballon fyldt med helium, som piloten frigiver for at se den nøjagtige retning af vinden på et potentielt opsendelsessted. Hvis det ser ud til at vinden ville føre ballonen ind i forbudt luftrum, besætningen skal finde et nyt opsendelsessted.

I luften, piloten vil bruge en ombord højdemåler , variometer og deres egne observationer for at finde den rigtige højde. At nå den rigtige højde er temmelig vanskelig, fordi der er mindst 30 sekunders forsinkelse mellem sprængning af brænderne og ballonen, der faktisk løftes. Ballonpiloter skal betjene de passende kontroller bare en lille smule, før de vil rejse sig, og luk dem lidt væk, før de vil stoppe med at stige. Uerfarne piloter overskyder ofte, stiger for højt inden nivellering. Kontrolleret drift leveres kun med mange timers ballonoplevelse.

Nu hvor vi har set, hvordan en luftballon flyver gennem luften, lad os se på de kræfter, der gør dette muligt. Det viser sig, varmluftsballoner er en bemærkelsesværdig demonstration af nogle af de mest fundamentale kræfter på jorden.

Luft:En højtryksvæske

En fantastisk ting ved at leve på jorden er, at vi konstant går rundt i et højtryk væske - et stof med masse og ingen form. Luften omkring os er sammensat af flere forskellige elementer i en gasformig tilstand. I denne gas, elementernes atomer og molekyler flyver frit rundt, støde på hinanden og alt det andet. Da disse partikler kolliderer mod et objekt, hver af dem skubber med en lille mængde energi. Fordi der er så mange partikler i luften, denne energi udgør et betydeligt tryk niveau (ved havniveau, omkring 14,7 pund tryk pr. kvadrat tommer (psi), eller 1 kg pr. kvadratcentimeter (kg/cm ² !).

Lufttrykkraften afhænger af to ting:

• Hastigheden af ​​partikelkollision - hvis flere partikler støder sammen i en periode, derefter overføres mere energi til et objekt.
• Stødets kraft - hvis partiklerne rammer med større kraft, mere energi overføres til et objekt.

Disse faktorer bestemmes af, hvor mange luftpartikler der er i et område, og hvor hurtigt de bevæger sig. Hvis der er flere partikler, eller hvis de rejser hurtigere, der kommer flere kollisioner, og så større pres. Stigende partikelhastighed øger også kraften i partikelens påvirkning.

For det meste bemærker vi ikke lufttryk, fordi der er luft rundt omkring os. Alt andet lige, luftpartikler spredes jævnt i et område, så der er lige lufttæthed på hvert punkt. Uden andre kræfter på arbejde, dette oversætter til det samme lufttryk på alle punkter. Vi bliver ikke presset rundt af dette pres, fordi kræfterne på alle sider af os balancerer hinanden. For eksempel, 14,7 psi er bestemt nok til at vælte en stol, eller knus det ovenfra, men fordi luften anvender nogenlunde det samme tryk fra højre, venstre, top, bund og alle andre vinkler, hver kraft på stolen afbalanceres af en lige kraft, der går i den modsatte retning. Stolen føler ikke væsentligt større pres fra en bestemt vinkel.

Så, uden andre kræfter i arbejde, alt ville være fuldstændigt afbalanceret i en luftmasse, med lige pres fra alle sider. Men på Jorden, der er andre kræfter at overveje, hovedsageligt tyngdekraften. Mens luftpartikler er ekstremt små, de har masse, og derfor trækkes de mod Jorden. På et bestemt niveau af Jordens atmosfære, dette træk er meget let - luftpartiklerne ser ud til at bevæge sig i lige linjer, uden at falde mærkbart mod jorden. Så, trykket er rimeligt afbalanceret i lille skala. Samlet set, imidlertid, tyngdekraften trækker partikler ned, hvilket forårsager en gradvis stigning i trykket, når du bevæger dig mod jordens overflade.

I det næste afsnit, vi vil undersøge, hvordan dette fungerer.

Lufttryk + tyngdekraft =opdrift

Alle luftpartikler i atmosfæren trækkes af tyngdekraftens nedadgående kraft. Men trykket i luften skaber en opadgående kraft, der arbejder modsat tyngdekraftens træk. Lufttæthed bygger op til et hvilket som helst niveau, der balancerer tyngdekraften, fordi tyngdekraften på dette tidspunkt ikke er stærk nok til at trække et større antal partikler ned.

Dette trykniveau er højest lige på jordens overflade, fordi luften på dette niveau understøtter vægten af ​​al luften over den - mere vægt over betyder en større nedadgående tyngdekraft. Når du bevæger dig op gennem atmosfærens niveauer, luften har mindre luftmasse over sig, og dermed falder balancetrykket. Derfor falder trykket, når du stiger i højden.

Denne forskel i lufttryk forårsager en opadgående flydende kraft i luften omkring os. I det væsentlige, lufttrykket er større under tingene end det er over tingene, så luft skubber mere op end den skubber ned. Men denne flydende kraft er svag i forhold til tyngdekraften - den er kun så stærk som vægten af ​​luften, der forskydes af et objekt. Naturligvis, næsten enhver fast genstand vil være tungere end den luft, den forskyder, så flydende kraft bevæger det slet ikke. Den flydende kraft kan kun flytte ting, der er lettere end luften omkring dem.

For opdrift til at skubbe noget op i luften, tingen skal være lettere end et lige stort volumen af ​​luften omkring den. Det mest oplagte, der er lettere end luft, er slet ingenting. Et vakuum kan have volumen, men har ikke masse, også, det ser ud til, en ballon med et vakuum indeni skal løftes af luftens opdrift omkring den. Dette virker ikke, imidlertid, på grund af kraften i det omgivende lufttryk. Lufttryk knuser ikke en oppustet ballon, fordi luften inde i ballonen skubber ud med samme kraft som udeluften skubber ind. Et vakuum, på den anden side, ikke har noget ydre pres, da den ikke har partikler, der hopper mod noget. Uden lige pres balancerer det ud, det ydre lufttryk vil let knuse ballonen. Og enhver beholder, der er stærk nok til at holde til lufttrykket ved jordoverfladen, vil være alt for tung til at blive løftet af den flydende kraft.

En anden mulighed ville være at fylde ballonen med luft, der er mindre tæt end den omgivende luft. Fordi luften i ballonen har mindre masse pr. Volumenhed end luften i atmosfæren, den ville være lettere end den luft, den fortrængte, så den flydende kraft ville løfte ballonen op. Men igen, færre luftpartikler pr. volumen betyder lavere lufttryk, så det omgivende lufttryk ville presse ballonen, indtil lufttætheden indeni var lig med lufttætheden udenfor.

Alt dette antager, at luften i ballonen og luften uden for ballonen eksisterer under nøjagtig de samme betingelser. Hvis vi ændrer luftforholdene inde i ballonen, vi kan reducere tætheden, samtidig med at lufttrykket holdes det samme. Som vi så i det sidste afsnit, lufttrykets kraft på et objekt afhænger af, hvor ofte luftpartikler støder sammen med det objekt, samt kraften ved hver kollision. Vi så, at vi kan øge det samlede pres på to måder:

• Forøg antallet af luftpartikler, så der er et større antal partikelpåvirkninger over et givet overfladeareal.
• Forøg partiklernes hastighed, så partiklerne rammer et område oftere, og hver partikel kolliderer med større kraft.

Så, at sænke lufttætheden i en ballon uden at miste lufttryk du skal simpelthen øge luftpartiklernes hastighed. Du kan gøre dette meget let ved at varme luften op. Luftpartiklerne absorberer varmeenergien og bliver mere spændte. Dette får dem til at bevæge sig hurtigere, hvilket betyder, at de kolliderer med en overflade oftere, og med større kraft.

Af denne grund, varm luft udøver større lufttryk pr. partikel end kold luft, så du behøver ikke så mange luftpartikler for at bygge til det samme trykniveau. Så en luftballon stiger, fordi den er fyldt med varm, mindre tæt luft og er omgivet af koldere, mere tæt luft.

Ballonhistorik

Grundtanken bag luftballoner har eksisteret i lang tid. Arkemedes, en af ​​de største matematikere i det antikke Grækenland, fandt ud af opdriftsprincip mere end 2, For 000 år siden, og kan have forestillet sig flyvende maskiner løftet af kraften. I det 13. århundrede, den engelske videnskabsmand Roger Bacon og den tyske filosof Albertus Magnus foreslog begge hypotetiske flyvende maskiner baseret på princippet.

Men intet kom virkelig afsted før sommeren 1783, da brødrene Montgolfier sendte et får, en and og en kylling på en otte minutters flyvetur over Frankrig. De to brødre, Joseph og Etienne, arbejdet for deres families prestigefyldte papirfirma. Som et sideprojekt, de begyndte at eksperimentere med papirbeholdere forhøjet af opvarmet luft. I løbet af et par år, de udviklede en varmluftsballon, der meget designmæssigt lignede dem, der bruges i dag. Men i stedet for at bruge propan, de drev deres model ved at brænde halm, gylle og andet materiale i en vedhæftet bålplads.

Fårene, and og kylling blev de første ballonpassagerer den 19. september, 1783, i Montgolfiers første demonstrationsflyvning for kong Louis XVI. De overlevede alle turen, at give kongen en vis sikkerhed for, at mennesker kunne ånde atmosfæren i den højere højde. To måneder senere, markisen Francois d'Arlandes, en major i infanteriet, og Pilatre de Rozier, en fysikprofessor, blev de første mennesker til at flyve.

Andre luftballondesign og ambitiøse flyvninger fulgte, men i 1800 varmluftsballonen var stort set blevet overskygget af gasballoner. En faktor i dette fald i popularitet var Pilatre de Roziers død i et flyforsøg over Den Engelske Kanal. Den nye ballon, han byggede til flyvningen, omfattede en mindre brintballon udover varmluftsballonens kuvert. Branden antændte brintet tidligt i flyvningen, og hele ballonen brød i flammer.

Men hovedårsagen til, at luftballoner faldt af mode, var den nye gasballon spiselig design var overlegen på en række måder - hovedsageligt de havde længere flyvetider og kunne styres.

En anden populær ballontype var røg ballon . Disse balloner blev løftet af en brand på jorden, og havde ingen tilsluttet varmekilde. De skød simpelthen op i luften, og sank derefter tilbage til jorden. Deres vigtigste brug var som en attraktion på rejsemesser i USA i slutningen af ​​1800'erne og begyndelsen af ​​1900'erne. Ballonisten satte en faldskærm på og satte sig fast på en lærredsballon. Derefter, flere assistenter ville holde ballonen over en bålplads, får luften varmere og varmere, og dermed øge den opadgående kraft. Når styrken var stor nok - og hvis ballonen ikke var taget i brand - ville assistenterne slippe, og ballonisten blev skudt i luften. Da ballonen nåede sit højeste punkt, ballonisten ville løsne sig og falde faldskærm til jorden.

Siden 1960’erne har traditionelle varmluftsballoner har nydt en renæssance, skyldes delvis en mand ved navn Ed Yost og hans firma, Raven Industries. Yost og hans partnere grundlagde Raven Industries i 1956 for at designe og bygge varmluftsballoner til United States Navy's Office of Naval Research (ONR). ONR ønskede ballonerne til korttransport af små laster. Yost og hans team tog det grundlæggende koncept for Montgolfier -brødrenes ballon og udvidede det, tilføjelse af propanbrænder system, nyt kuvertmateriale, et nyt inflationssystem og mange vigtige sikkerhedsfunktioner.

De kom også med det moderne, konvolutform i pære-stil. Yost designede først stort, sfæriske balloner. Disse balloner fungerede godt, men havde et underligt oppustningsmønster:Da luften blev opvarmet, toppen af ​​ballonen fyldt op, men bunden forblev underpustet. For effektivitet, Yost er lige kommet af med det ekstra stof i bunden, udvikle den velkendte "naturlige" ballonform, vi ser i dag.

I begyndelsen af ​​1960'erne, ONR havde mistet interessen for luftballoner, så Yost begyndte at sælge sine balloner som sportsudstyr. Andre virksomheder opstod hurtigt, efterhånden som flere og flere mennesker blev involveret i ballonflyvning. I årenes løb, designere har fortsat med at ændre varmluftsballoner, tilføjelse af nye materialer og sikkerhedsfunktioner, samt at udvikle kreative konvolutformer. Nogle producenter har også øget kurvstørrelse og lastkapacitet, bygge balloner, der kan rumme op til 20 passagerer!

Men det grundlæggende design er stadig Yosts modificerede version af Montgolfier -brødrenes originale koncept. Denne bemærkelsesværdige teknologi har betaget mennesker over hele verden. Ballonrejser er en forretning på flere millioner dollars, og ballonløb og andre begivenheder tiltrækker fortsat skarer af tilskuere og deltagere. Det er endda blevet moderigtigt (blandt milliardærer) at bygge højteknologiske balloner til ture rundt om i verden. Det siger virkelig meget om luftballoner, at de stadig er så populære, selv i jetflys tidsalder, helikoptere og rumfærger.

For mere information om luftballoner og relaterede emner, tjek de links, der følger.

Så, hvordan er det at ride i en luftballon? Det er en bemærkelsesværdig rolig, fredelig oplevelse. Da ballonen bevæger sig med vinden, du føler slet ingen brise. Uden de brusende vinde, du normalt forbinder med store højder, oplevelsen af ​​at flyve virker meget sikker og beroligende - du løfter simpelthen fra jorden og bevæger dig med luften i atmosfæren.

Oprindeligt udgivet:16. feb. 2001

Hot Air Balloon Ofte stillede spørgsmål

Hvem opfandt varmluftsballonen?

Hvor farlige er luftballoner?

Hvor længe varer luftballonrider?

Hvad bruges en varmluftsballon til?

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer blimps
• Hvor kraft, Strøm, Moment- og energiarbejde
• Sådan fungerer heliumballoner
• Sådan fungerer ubåde
• Sådan fungerer dæktrykmålere
• Sådan fungerer fly
• Sådan fungerer helikoptere
• Sådan fungerer flyvende biler
• Hvordan fungerer flykabiner under tryk?
• Sådan fungerer blimps
• Hvordan Aeroscraft vil fungere
• Hvorfor er det koldere på toppen af ​​et bjerg, end det er ved havets overflade?

Flere store links

• Det officielle amerikanske varmluftsballonhold
• NASAs videnskabelige ballonprogram
• University of Michigan Virtual Reality Lab:Hot Air Balloon Simulator
• Varmluftsballoner USA
• BalloonZone:Hot Air Ballooning