Was lässt einen Heißluftballon aufsteigen?
Haben Sie jemals große, bunte Ballons über den Wolken schweben sehen und sich gefragt, wie sie dorthin gekommen sind? Dann sind Sie nicht allein!
Heißluftballons können aufgrund des Auftriebsgesetzes, auch Archimedisches Prinzip genannt, fliegen. Das archimedische Prinzip besagt, dass auf ein Objekt in Flüssigkeit (Gas oder Flüssigkeit) eine Aufwärtskraft einwirkt, die der durch das Objekt verdrängten Flüssigkeit entspricht. Da heiße Luft leichter ist als normale Luft, hat der Ballon Auftrieb.
Für den Laien mag das etwas verwirrend sein. Im Folgenden werden wir alle Vor- und Nachteile (und die Höhen und Tiefen) des Auftriebs besprechen!
Was ist Auftrieb?
Einfach ausgedrückt ist Auftrieb die aufwärts gerichtete Kraft auf ein Objekt, das in einer Flüssigkeit ruht. Der einfachste Weg, darüber nachzudenken, ist, sich einen Tennisball vorzustellen, der in einen Pool gelegt wird.
Beispiel 1
Wenn der Tennisball in Wasser gelegt wird, werden Sie feststellen, dass er ein wenig sinkt. Der Tennisball wird jedoch niemals vollständig im Wasser untergetaucht sein. Denn die auf den Tennisball nach oben drückende Kraft, die Auftriebskraft, ist größer als die Masse des Tennisballs.
Diese Auftriebskraft wird durch die vom Tennisball verdrängte Flüssigkeit erzeugt. Erinnern Sie sich, wie der Ball ein wenig ins Wasser sinkt? Das verdrängt Wasser, bis die Kraft des verdrängten Wassers gleich der Kraft ist, die der Tennisball ausübt.
Das könnten viele Worte sein, wenn Sie ein visueller Lerner sind. Das wird helfen:
Beispiel 2
Stellen Sie sich nun für eine Sekunde vor, dass Sie anstelle eines Tennisballs einen Bleiball in den Pool fallen lassen. Dieser Bleiball hat genau die gleiche Größe wie der Tennisball, wiegt aber offensichtlich viel mehr.
Wie Sie sich vorstellen können, würde die LED-Kugel direkt auf den Grund des Beckens sinken. Warum ist das?
Der LED-Ball verdrängt so viel Wasser wie der Tennisball, wiegt aber viel mehr. Aus diesem Grund wird die Aufwärtskraft des dispergierten Wassers niemals der Abwärtskraft der LED-Kugel entsprechen.
Dadurch sinkt die LED-Kugel.
Das folgende Diagramm vergleicht, was mit Objekten gleicher Größe, aber unterschiedlichen Gewichts in Wasser passiert. Dies ahmt genau das nach, was wir gerade mit dem Tennisball und dem LED-Ball besprochen haben.
Dieses Auftriebsgesetz bewirkt, dass Boote schwimmen und Heißluftballons fliegen. Wenn Sie das nächste Mal auf eine Kreuzfahrt gehen oder in einen Heißluftballon springen, können Sie sich dieses Gesetz bei der Arbeit vorstellen!
Wer hat den Auftrieb entdeckt?
Wir alle hatten tolle Ideen, während wir in der Badewanne oder Dusche saßen. Das Entspannen im Wasser hat etwas, das die Gehirnsäfte zum Fließen bringt!
Nun, genau das ist einem griechischen Mathematiker namens Archimedes passiert.
Archimedes ist einer der größten Denker der alten Welt. Er ist für zahlreiche Entdeckungen in Mathematik, Physik, Technik und Astronomie verantwortlich! Er ist auch ein großer Erfinder!
Das Gesetz des Auftriebs war eine seiner größten Entdeckungen, und es kommt mit einer großartigen Geschichte!
Die goldene Krone
Es gibt eine alte Sage, die erklärt, wie Archimedes den Auftrieb entdeckte. Einiges davon ist definitiv wahr, aber es gibt einige, die erfunden sein könnten. Ich lasse Sie der Richter sein.
Archimedes lebte in Syrakus, einer Provinz des heutigen Italiens. Der damalige König von Syrakus war ein Mann namens König Hiero II.
König Hiero II hatte die Schaffung einer goldenen Krone in Auftrag gegeben, die im Tempel von Syrakus aufgestellt werden sollte. Diese Krone sollte die Form eines Lorbeerkranzes haben. König Hiero II stellte einem örtlichen Goldschmied einen Klumpen Gold für die Herstellung der Krone zur Verfügung.
Als der König die Krone erhielt, war er von ihrer Handwerkskunst und Schönheit beeindruckt. Es gab jedoch einige, die behaupteten, dass der Goldschmied etwas Silber im Design verwendet hatte, um die Krone leicht genug zu machen.
Archimedes wurde hinzugezogen, um die Wahrheit herauszufinden. Der König wollte nicht, dass Archimedes die Krone in irgendeiner Weise beschädigte, also musste Archimedes kreativ werden.
Die Geschichte besagt, dass Archimedes, als er in seine Wanne stieg, um über das Problem nachzudenken, beobachtete, wie Wasser über den Rand der Wanne schwappte, als er sich hineinließ. In einem Moment hatte er seine Antwort!
Archimedes war so aufgeregt, dass er den ganzen Weg nackt nach Hause rannte! Die Straßen von Syrakus füllten sich mit seinen Rufen „Heureka! Heureka!“.
Der Test war einfach: Archimedes legte die Krone und einen Goldklumpen, der mit dem ersten identisch war, in eine Wanne mit Wasser. Wenn sie das gleiche Volumen hätten, würden sie unabhängig von der Form die gleiche Menge Wasser verdrängen.
Wenn Silber hinzugefügt worden wäre, wäre das Volumen anders und die Krone würde Wasser verdrängen.
Der unehrliche Goldschmied wurde entlarvt und das Gesetz des Auftriebs entdeckt!
Auftrieb und Ballons
Wie gilt also das Prinzip von Archimedes für Heißluftballons?
Das erste, woran man sich erinnern sollte, ist, dass ein Fluid eine Flüssigkeit oder ein Gas ist. In allen obigen Beispielen wurden Flüssigkeiten verwendet, aber die gleichen Gesetze gelten für Gase, da sie auch Flüssigkeiten sind.
Die Luft um uns herum gilt als Gas, und es ist der Aggregatzustand, den Heißluftballons verwenden, um aufzusteigen!
Wie der Name schon sagt, fliegen Heißluftballons aufgrund heißer Luft. Wenn sich die Luft im Inneren des Ballons (oder der Hülle) erwärmt, wird sie weniger dicht als die Luft außerhalb der Hülle. Dadurch steigt der Ballon auf.
Der Ballon gegen die Bälle
Erinnern Sie sich an unser Beispiel mit dem Tennisball und dem LED-Ball? Ein Heißluftballon ist so ähnlich.
Bevor die Luft in der Hülle erhitzt wird, ist sie genauso dicht wie die Luft außerhalb der Hülle. Dies ist wie die LED-Kugel. Die Größe des Ballons ist genau die gleiche wie bei einem fliegenden Ballon, aber das Gewicht der Luft im Inneren des Ballons ist größer als die Luft, die er verdrängt.
Wenn die Luft im Ballon erhitzt wird, wird das Gas im Inneren weniger dicht. Mit anderen Worten, das Gas wiegt weniger, obwohl die Größe der Hülle gleich bleibt.
Wenn dies geschieht, hebt sich der Ballon, weil er weniger wiegt als die Luft, die er verdrängt. Dies bedeutet, dass die Aufwärtskraft auf den Ballon gleich und dann größer als das Gewicht des Ballons ist.
Löchriger Auftrieb!
Ein Heißluftballon hat zwei Löcher: eines unten und eines oben. Das Loch an der Unterseite, oft Hals genannt, lässt die heiße Luft in den Ballon. Das Loch an der Spitze oder das Fallschirmventil lässt beim Öffnen heiße Luft aus dem Ballon entweichen.
Um einen Heißluftballon in der Luft zu halten, muss die Luft in der Hülle gleichmäßig erwärmt werden. Dadurch bleibt der Umschlag schwimmfähig.
Wenn Sie einen Heißluftballon landen möchten, können Sie heiße Luft herauslassen. Wenn der Ballon immer weniger Auftrieb verliert, beginnt er zu fallen. Sie können sich auch dafür entscheiden, die Luft im Ballon einfach auf natürliche Weise abkühlen zu lassen, aber das bedeutet, dass Sie viel weniger Kontrolle über den Abstieg haben.
Auftrieb in der Praxis
Wie wendet man diese Prinzipien tatsächlich in einem Heißluftballon an?
Wir haben bereits einige der Teile eines Heißluftballons besprochen, aber hier ist ein kurzer Überblick, der Ihnen helfen wird, zu verstehen, wie man das Archimedes-Prinzip anwendet:
| Teil | Was es macht |
| Korb | Die Kiste am Boden eines Heißluftballons, die Fracht enthält. |
| Umschlag | Der „Ballon“, der mit Luft gefüllt wird. |
| Rock | Ein nicht brennbares Tuch am Boden des Umschlags um die Brenner. |
| Brenner | Die Einheit, die die Luft in der Hülle erwärmt. |
Die Brenner, die über dem Korb positioniert sind, verwenden flüssiges Propangas, um die Luft innerhalb der Hülle zu erhitzen. Die Flamme wird durch ein Ventil am Flüssigpropantank gesteuert.
Je mehr Propan dem Brenner zugeführt wird, desto stärker ist die Flamme. Je stärker die Flamme ist, desto weniger dicht wird die Luft in der Hülle. Wenn die Luft in der Hülle weniger dicht wird, steigt der gesamte Ballon auf.
Lenkung
Wir haben bereits besprochen, wie der Ballon aufsteigt, wenn man heiße Luft in die Hülle einlässt. Wir wissen auch, dass das Ablassen heißer Luft aus der Hülle oder das Abkühlen der Luft in der Hülle dazu führt, dass der Ballon fällt.
Mit diesem Verständnis können wir beginnen zu erkennen, wie uns das Auftriebsgesetz bis zu einem gewissen Grad beim Steuern helfen kann.
Im Gegensatz zu anderen Flugmaschinen haben Sie nicht viel Kontrolle darüber, wohin ein Heißluftballon fliegt. Es gibt jedoch einige Dinge, die Sie tun können, um einen Heißluftballon zu steuern.
Erfahrene Ballonfahrer werden geschickt darin, Windmuster in verschiedenen Höhen zu erkennen. Wenn Sie beispielsweise wissen, dass der Wind in 3000 Fuß Höhe nach Westen weht, können Sie Ihren Ballon auf 3000 Fuß anheben. nach Westen zu gehen.
Ebenso können Sie Ihre Höhe verringern, wenn Sie eine Luftströmung in eine andere Richtung einfangen möchten!
Sehr gute Ballonpiloten können sogar von Luftstrom zu Luftstrom springen und ihren Ballon „drehen“ lassen.
Das Verständnis des Auftriebs kann Ihnen daher helfen, Ihren Heißluftballon besser zu steuern!
Sicherheitsvorkehrungen
Da das Schießen einer Flamme in die Hülle potenziell gefährlich sein kann, gibt es einige Sicherheitsmaßnahmen.
Der Rock besteht aus einem anderen Material als der Rest des Umschlags. Es ist das Tuch direkt um die Brenner und besteht daher aus nicht brennbarem Tuch.
Ohne den Rock würde der Umschlag nicht die gesamte warme Luft aufnehmen, die zum Aufsteigen benötigt wird.
Bevor die Hülle warme Luft von den Brennern erhält, wird sie zuerst mit kalter Luft gefüllt. Dadurch wird die Hülle vom Boden abgehoben und in eine Form gebracht, die bereit ist, heiße Luft aufzunehmen.
Der Versuch, heiße Luft in einen Ballon zu bringen, bevor er mit kalter Luft gefüllt wird, würde wahrscheinlich die Hülle in Brand setzen.
Schwimmballons: Damals und heute
Das Prinzip des Auftriebs wurde lange vor der Erfindung des Heißluftballons entdeckt, aber nicht immer richtig angewendet.
Frühe Ballons
Die Erfinder des Heißluftballons, Joseph-Michel Montgolfier und Jacques-Étienne Montgolfier, glaubten, dass es der Rauch in ihren Heißluftballons war, der ihnen half, Auftrieb zu erreichen.
Sie verstanden noch nicht, wie sich Luft beim Erwärmen im Vergleich zum Abkühlen verhält. Tatsächlich hatten sie sehr wenig Verständnis dafür, wie sich Sauerstoffmoleküle überhaupt verhalten!
Aus diesem Grund verwendeten die Brüder Montgolfier nasses Stroh, um ihre Heißluftballons zu betanken, weil es mehr Rauch erzeugte. In Wirklichkeit hat dies nur die Leistung ihrer Ballons beeinträchtigt.
Gasballons wurden schnell beliebter als Heißluftballons. Diese Ballons verwendeten Gase, die leichter als Sauerstoff sind, wie Helium oder Wasserstoff, um zu fliegen.
Leichte heiße Luft, das Helium oder der Wasserstoff in einem Gasballon ist weniger dicht als die Luft außerhalb der Hülle. Dadurch steigt der Gasballon auf.
Der moderne Heißluftballon
In den nächsten über 100 Jahren gab es mehrere Entdeckungen und Erfindungen, die die Rückkehr der Heißluftballons immer näher rückten.
Mit der Entdeckung des Flüssigpropangasbrenners und beträchtlichen Anstrengungen von Ed Yost wurden Heißluftballons Mitte des 20. Jahrhunderts wieder populär.
Diese Ballons verwenden Flüssigpropanbrenner, um die Luft in der Hülle zu erhitzen. Wie bereits erwähnt, ist dies der Grund für den Auftrieb moderner Heißluftballons.
Dies bot zum ersten Mal seit über 100 Jahren eine sichere Möglichkeit für Heißluftballons zu fliegen!
Ohne die Erfindung des Brenners für flüssiges Propan und die Arbeit von Ed Yost wäre Gas der beste Weg für Ballons geblieben, um Auftrieb zu erreichen.
Heutzutage sind Heißluftballons viel beliebter als ihre Gegenstücke mit Gas.
Die Macht von Archimedes nutzen
Das Prinzip von Archimedes zum Fliegen zu verwenden, ist eine schöne Sache! Und das liegt nicht nur am Heißluftballon. Es ist viel größer als das.
Vielleicht haben Sie schon einmal jemanden über „das Gesetz der Schwerkraft trotzen“ sprechen hören. Vielleicht war es bei einem Basketballspiel oder vielleicht beim Hören des Soundtracks von „Wicked“.
Wo auch immer es war, es gibt eine vorherrschende Meinung, dass das Fliegen dem Gesetz der Schwerkraft trotzt, aber das ist einfach nicht wahr. Das ist nicht nur nicht wahr, sondern lenkt sogar von der wahren Schönheit des Fliegens ab.
Die Schönheit des Fliegens liegt nicht darin, sich den Naturgesetzen zu widersetzen, sondern sie zu nutzen!
Sie sehen, jedes Mal, wenn ein Heißluftballon in den Himmel steigt oder ein Flugzeug vom Boden abhebt, ist dies ein Beweis dafür, dass die Menschheit Meister der Elemente geworden ist. Es beweist, dass wir uns buchstäblich über die natürliche Ordnung der Dinge erhoben haben.
Als Archimedes den Auftrieb entdeckte, bewies er tatsächlich wieder einmal, dass es keine Grenzen für das gibt, was wir als Menschen erreichen können! Und die Macht nutzbar zu machen, die Archimedes entdeckt hat, tadelt diesen Punkt jedes Mal, wenn wir die Sicherheit der Erde verlassen.
Für viele ist Ballonfahren mehr als ein Zeitvertreib, es ist ein Lebensstil. Es lohnt sich aus so vielen Gründen. Die Gemeinschaft, die Ruhe über den Wolken und die Freude beim Abheben sind nur einige dieser Gründe.
Die Lehren aus dem Ballonfahren sind sicherlich ein Teil des Grundes. Und unter all den Lektionen, die Sie lernen müssen, ist dies definitiv eine, an die Sie sich erinnern sollten: Die Schönheit des Ballonfahrens entsteht, wenn man sich die Gesetze der Erde zunutze macht, nicht sie bricht.
