Čo spôsobuje, že teplovzdušný balón stúpa?

Už ste niekedy videli veľké farebné balóny vznášať sa nad oblakmi a zaujímalo vás, ako sa tam dostali? Ak áno, nie ste sami!

Teplovzdušné balóny môžu dosiahnuť let vďaka zákonu vztlaku, ktorý sa tiež nazýva Archimedov princíp. Archimedov princíp hovorí, že na objekt v tekutine (plyn alebo kvapalina) pôsobí nahor smerujúca sila, ktorá sa rovná tekutine vytlačenej objektom. Keďže horúci vzduch je ľahší ako normálny vzduch, balón sa vznáša.

Pre nezasvätených to môže byť trochu mätúce. Nižšie budeme diskutovať o všetkých výhodách a nevýhodách (a vzostupoch a pádoch) vztlaku!

Čo je vztlak?

Zjednodušene povedané, vztlak je sila pôsobiaca nahor na objekt v pokoji v tekutine. Najjednoduchší spôsob, ako o tom premýšľať, je predstaviť si tenisovú loptičku umiestnenú v bazéne.

Príklad 1

Keď tenisovú loptičku vložíte do vody, všimnete si, že trochu klesá. Tenisová loptička však nikdy nebude úplne ponorená do vody. Je to preto, že sila, ktorá tlačí na tenisovú loptičku smerom hore, vztlaková sila, je väčšia ako hmotnosť tenisovej loptičky.

Túto vztlakovú silu vytvára tekutina vytlačená tenisovou loptičkou. Pamätáte si, ako sa lopta trochu ponorí do vody? To vytláča vodu, kým sa sila vytlačenej vody nerovná sile, ktorú vyvíja tenisová loptička.

To môže byť veľa slov, ak ste vizuálny študent. Toto pomôže:

Príklad 2

Teraz si na chvíľu predstavte, že namiesto tenisovej loptičky ste do bazéna pustili loptičku z olova. Táto olovená loptička má presne rovnakú veľkosť ako tenisová loptička, ale samozrejme váži oveľa viac.

Ako si viete predstaviť, guľa LED by klesla priamo na dno bazéna. Prečo je toto?

Led loptička vytlačí toľko vody ako tenisová loptička, no váži oveľa viac. Z tohto dôvodu sa sila rozptýlenej vody smerom nahor nikdy nevyrovná sile smerom nadol vedenej gule.

To spôsobí, že sa led guľa potopí.

Nasledujúci diagram porovná, čo sa stane s predmetmi rovnakej veľkosti, ale rôznej hmotnosti vo vode. Toto presne napodobňuje to, o čom sme práve diskutovali s tenisovou loptičkou a loptičkou na vedenie.

Tento zákon vztlaku spôsobuje, že lode plávajú a teplovzdušné balóny lietajú. Keď nabudúce pôjdete na plavbu alebo skočíte do teplovzdušného balóna, môžete si tento zákon predstaviť v práci!

Kto objavil vztlak?

Všetci sme mali skvelé nápady, keď sme sedeli vo vani alebo v sprche. Na relaxe vo vode je niečo, čo rozprúdi mozgové šťavy!

No a presne toto sa stalo gréckemu matematikovi Archimedesovi.

Archimedes je jednou z najväčších myslí starého sveta. Je zodpovedný za mnohé objavy v matematike, fyzike, inžinierstve a astronómii! Je to tiež veľký vynálezca!

Zákon vztlaku bol jedným z jeho najväčších objavov a prichádza s veľkým príbehom!

Zlatá koruna

Existuje staroveký príbeh, ktorý vysvetľuje, ako Archimedes objavil vztlak. Niečo z toho je určite pravda, no niektoré môžu byť vymyslené. Nechám vás byť sudcom.

Archimedes žil v Syrakúzach, provincii dnešného Talianska. Kráľom Syrakúz bol vtedy muž menom kráľ Hiero II.

  Potrebujú deti rybársky lístok v Texase?

Kráľ Hiero II poveril vytvorením zlatej koruny, ktorá mala byť umiestnená v chráme v Syrakúzach. Táto koruna mala mať tvar vavrínového venca. Kráľ Hiero II poskytol kus zlata miestnemu zlatníkovi na vytvorenie koruny.

Keď kráľ dostal korunu, bol ohromený jej remeselným spracovaním a krásou. Našli sa však aj takí, ktorí tvrdili, že zlatník pri návrhu použil trochu striebra, aby bola koruna dostatočne ľahká.

Archimedes bol privedený, aby objavil pravdu. Kráľ nechcel, aby Archimedes korunu nejakým spôsobom poškodil, a tak musel byť Archimedes kreatívny.

Príbeh hovorí, že keď Archimedes vliezol do svojej vane, aby premýšľal o probléme, spozoroval, ako sa voda rozlieva cez okraj vane, keď sa spúšťal. O chvíľu mal odpoveď!

Archimedes bol taký vzrušený, že bežal celú cestu domov nahý! Ulice Syrakúz sa zaplnili jeho výkrikmi „Heuréka! Heuréka!“.

Test bol jednoduchý: Archimedes vložil korunu a hrudku zlata identickú s prvou do vane s vodou. Ak by mali rovnaký objem, vytlačili by rovnaké množstvo vody bez ohľadu na tvar.

Ak by sa pridalo striebro, objem by bol iný a koruna by vytlačila vodu.

Nepoctivý zlatník bol odhalený a zákon vztlaku bol objavený!

Vztlak a balóny

Ako teda platí Archimedov princíp pri teplovzdušných balónoch?

Prvá vec, ktorú si treba zapamätať, je, že tekutina je kvapalina alebo plyn. Všetky vyššie uvedené príklady používali kvapaliny, ale rovnaké zákony platia aj pre plyny, pretože sú to tiež kvapaliny.

Vzduch všade okolo nás sa počíta ako plyn a teplovzdušné balóny používajú na stúpanie práve stav hmoty!

Ako už názov napovedá, teplovzdušné balóny dosahujú letu vďaka horúcemu vzduchu. Keď sa vzduch vo vnútri balóna (alebo obalu) zahrieva, stáva sa menej hustým ako vzduch mimo obalu. To spôsobí, že balón stúpa.

Balón vs lopty

Pamätáte si náš príklad tenisovej loptičky a ledovej loptičky? Teplovzdušný balón je veľmi podobný.

Predtým, ako sa vzduch v obale zohreje, je rovnako hustý ako vzduch mimo obalu. Toto je ako led lopta. Veľkosť balóna je presne rovnaká ako balón, ktorý letí, ale hmotnosť vzduchu vo vnútri balóna je väčšia ako vzduch, ktorý vytláča.

Keď sa vzduch vo vnútri balónika zahrieva, plyn vo vnútri sa stáva menej hustým. Inými slovami, plyn váži menej, aj keď veľkosť obalu zostáva rovnaká.

Keď sa to stane, balón sa zdvihne, pretože váži menej ako vzduch, ktorý vytláča. To znamená, že sila na balónik smerom nahor je rovnaká a potom väčšia ako hmotnosť balónika.

Holey Vztlak!

Teplovzdušný balón má dva otvory: jeden dole a jeden hore. Otvor na dne, často nazývaný hrdlo, prepúšťa horúci vzduch do balóna. Otvor v hornej časti alebo padákový ventil prepúšťa horúci vzduch z balóna pri otvorení.

Aby sa teplovzdušný balón udržal vo vzduchu, vzduch v obale sa musí neustále ohrievať. To udrží obálku nadnášanú.

  Ako zistím, že môj snežný skúter potrebuje nové tlmiče?

Ak chcete pristáť s teplovzdušným balónom, môžete vypustiť horúci vzduch. Ako sa balón stáva menej a menej nadnášajúcim, začne padať. Môžete sa tiež rozhodnúť nechať vzduch v balóne prirodzene vychladnúť, ale to znamená, že máte oveľa menšiu kontrolu nad zostupom.

Vztlak v praxi

Ako teda tieto princípy v teplovzdušnom balóne vlastne uplatniť?

Už sme diskutovali o niektorých častiach teplovzdušného balóna, ale tu je rýchly prehľad, ktorý vám pomôže pochopiť, ako aplikovať Archimedov princíp:

Časť Čo to robí
Košík Krabica na dne teplovzdušného balóna, ktorá drží náklad.
Obálka „Balón“, ktorý sa naplní vzduchom.
Sukňa Nehorľavá látka v spodnej časti obálky
okolo horákov.
Horáky Jednotka, ktorá ohrieva vzduch vo vnútri obalu.

Horáky, ktoré sú umiestnené nad košom, využívajú tekutý propán na ohrev vzduchu vo vnútri obalu. Plameň je riadený ventilom na nádrži s kvapalným propánom.

Čím viac propánu sa privádza do horáka, tým silnejší je plameň. Čím silnejší je plameň, tým je vzduch vo vnútri obalu menej hustý. Keď je vzduch vo vnútri obalu menej hustý, celý balón stúpa.

Riadenie

Už sme diskutovali o tom, ako vpustenie horúceho vzduchu do obálky spôsobí, že balón stúpa. Vieme tiež, že vypustenie horúceho vzduchu z obálky alebo vychladnutie vzduchu v obálke spôsobí pád balóna.

S týmto porozumením môžeme začať vidieť, ako nám zákon vztlaku môže do určitej miery pomôcť pri riadení.

Na rozdiel od iných lietajúcich strojov nemáte veľkú kontrolu nad tým, kam teplovzdušný balón smeruje. Existuje však niekoľko vecí, ktoré môžete urobiť, aby ste mohli riadiť teplovzdušný balón.

Skúsení balonisti sa stávajú zručnými v rozpoznávaní vzorov vetra v rôznych nadmorských výškach. Napríklad, ak viete, že vietor fúka na západ vo výške 3000 stôp, môžete svoj balón zdvihnúť do výšky 3000 stôp. začať ísť na západ.

Podobne môžete znížiť svoju nadmorskú výšku, ak chcete zachytiť prúd vzduchu idúci iným smerom!

Veľmi dobrí piloti balónov môžu dokonca skákať z prúdu vzduchu na prúd vzduchu, čo spôsobuje, že sa ich balón „točí“.

Pochopenie vztlaku vám preto môže pomôcť lepšie pilotovať váš teplovzdušný balón!

Bezpečnostné opatrenia

Pretože vystrelenie plameňa do obálky môže byť potenciálne nebezpečné, existuje niekoľko bezpečnostných opatrení.

Sukňa je vyrobená z iného materiálu ako zvyšok obálky. Je to látka priamo okolo horákov, a preto je vyrobená z nehorľavej látky.

Bez sukne by obálka nezachytila ​​všetok teplý vzduch potrebný na stúpanie.

Predtým, ako obálka začne prijímať teplý vzduch z horákov, je najprv naplnená studeným vzduchom. Tým sa obálka dostane zo zeme do formy pripravenej na príjem horúceho vzduchu.

Pokus dostať horúci vzduch do balóna pred jeho naplnením studeným vzduchom by pravdepodobne zapálil obálku.

Plávajúce balóny: Vtedy a teraz

Princíp vztlaku bol objavený dávno predtým, ako bol vynájdený teplovzdušný balón, no nie vždy bol aplikovaný správne.

Skoré balóny

Vynálezcovia teplovzdušného balóna Joseph-Michel Montgolfier a Jacques-Étienne Montgolfier verili, že to bol dym v ich teplovzdušných balónoch, ktorý im pomohol dosiahnuť vztlak.

  Riešenie problémov s klimatizáciou karavanu: metódy, ktoré môžete vyskúšať ešte dnes

Ešte nerozumeli tomu, ako sa vzduch správa, keď sa zohrieva, a keď sa ochladí. V skutočnosti veľmi málo rozumeli tomu, ako sa molekuly kyslíka vôbec správajú!

Z tohto dôvodu bratia Montgolfierovci používali mokrú slamu ako palivo pre svoje teplovzdušné balóny, pretože vytvárala viac dymu. V skutočnosti to len poškodilo výkon ich balónov.

Plynové balóny sa rýchlo stali obľúbenejšími ako teplovzdušné balóny. Tieto balóny používali na dosiahnutie letu plyny ľahšie ako kyslík, ako je hélium alebo vodík.

Ľahký horúci vzduch, hélium alebo vodík vo vnútri plynového balóna sú menej husté ako vzduch mimo obalu. To spôsobí, že plynový balón stúpa.

Moderný teplovzdušný balón

V nasledujúcich 100+ rokoch došlo k niekoľkým objavom a vynálezom, ktoré približovali návrat teplovzdušných balónov čoraz bližšie.

S objavom horáka na kvapalný propán a značným úsilím zo strany Eda Yosta sa teplovzdušné balóny v polovici 20. storočia opäť stali populárnymi.

Tieto balóny používajú horáky na tekutý propán na ohrev vzduchu vo vnútri obalu. Ako už bolo uvedené, práve toto spôsobuje, že moderné teplovzdušné balóny sa vznášajú.

To poskytlo bezpečný spôsob pre let teplovzdušných balónov po prvýkrát za viac ako 100 rokov!

Bez vynálezu horáka na kvapalný propán a práce Eda Yosta by plyn zostal najlepším spôsobom, ako balóny dosiahnuť vztlak.

Dnes sú teplovzdušné balóny oveľa populárnejšie ako ich plynové náprotivky.

Využitie Archimedovej sily

Použiť Archimedov princíp na dosiahnutie letu je krásna vec! A nie je to len kvôli teplovzdušnému balónu. Je to oveľa väčšie.

Možno ste počuli niekoho hovoriť o „popieraní zákona gravitácie“. Možno to bolo na basketbalovom zápase alebo možno pri počúvaní soundtracku k skladbe „Wicked“.

Kdekoľvek to bolo, prevláda názor, že lietanie popiera zákon gravitácie, ale to jednoducho nie je pravda. Nielenže to nie je pravda, ale v skutočnosti to uberá na skutočnej kráse letu.

Krása lietania nepochádza z popierania prírodných zákonov, ale z ich využívania!

Vidíte, zakaždým, keď sa na oblohe vznesie teplovzdušný balón alebo vzlietne lietadlo zo zeme, je to dôkaz, že ľudstvo sa stalo pánom živlov. Dokazuje, že sme sa doslova povzniesli nad prirodzený poriadok vecí.

Keď Archimedes objavil vztlak, v skutočnosti opäť dokázal, že neexistuje žiadne obmedzenie toho, čo môžeme ako ľudia dosiahnuť! A využitie sily, ktorú objavil Archimedes, tento bod vyčíta zakaždým, keď opustíme bezpečnosť Zeme.

Let teplovzdušným balónom je pre mnohých viac ako zábava, je to životný štýl. Je to obohacujúce z mnohých dôvodov. Komunita, pokoj medzi oblakmi a nadšenie, ktoré cítite, keď vzlietnete, sú len niektoré z týchto dôvodov.

Poučenie z lietania balónom je určite súčasťou dôvodu. A spomedzi všetkých lekcií, ktoré sa treba naučiť, je určite jedno, ktoré si treba zapamätať: Krása balónového lietania sa rodí z využívania, nie porušovania, zemských zákonov.