Balon na ogrzane powietrze - Polski Serwis Naukowy

Montgolfier

Balon współczesny

SP-BZP, pierwszy balon Harcerskiego Klubu Balonowego (najstarszy istniejący polski balon n.o.p.)

Balon na ogrzane powietrze – rodzaj balonu, w którym siła nośna wynika z różnicy gęstości ogrzanego powietrza wewnątrz i chłodniejszego na zewnątrz balonu. Najprostszym typem takiego balonu była historyczna montgolfiera. Zgodnie z prawem Archimedesa siła nośna balonu jest równa:

Objętość jest miarą przestrzeni, którą zajmuje dane ciało w przestrzeni trójwymiarowej. W układzie SI jednostką objętości jest metr sześcienny, jednostka zbyt duża do wykorzystania w życiu codziennym. Z tego względu najpopularniejszą w Polsce jednostką objętości jest jeden litr (l) (1 l = 1 dm3 = 0,001 m³).

Równanie Clapeyrona, równanie stanu gazu doskonałego to równanie stanu opisujące związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego, a w sposób przybliżony opisujący gazy rzeczywiste. Sformułowane zostało w 1834 roku przez Benoîta Clapeyrona. Prawo to można wyrazić wzorem

$F = g V \left(\rho_{zewn}-\rho_{wewn}\right)$

gdzie:

V – objętość balonu (może być mniejsza, gdy balon nie jest całkowicie wypełniony)

ρ – gęstość gazu (np. powietrza)

g – przyspieszenie ziemskie

Siła ta jest równoważona przez wagę samego balonu oraz jego ładunku. Należy zwrócić uwagę na to, że siła nośna balonu zmienia się z wysokością, gdyż z wysokością zmienia się gęstość powietrza. Jeżeli weźmiemy pod uwagę temperaturę T na zewnątrz i wewnątrz balonu, to zgodnie z równaniem Clapeyrona dla tego samego ciśnienia (dla balonu otwartego – ten sam gaz wewnątrz i na zewnątrz):

Balon – statek powietrzny z grupy aerostatów (statków lżejszych od powietrza), bez napędu silnikowego. Składa się z obszernej powłoki wykonanej z nieprzepuszczalnej, lekkiej tkaniny nagumowanej lub tworzywa sztucznego, o dużej wytrzymałości i zawieszonej pod nią gondoli (kosza). Rozróżnia się:

Siła nośna – siła działająca na ciało poruszające się w ośrodku ciągłym, skierowana do góry i równoważąca siłę ciężkości. Najbardziej reprezentatywnym przykładem wykorzystania siły nośnej jest siła nośna skrzydła samolotu.

$\rho_{zewn}T_{zewn} = \rho_{wewn}T_{wewn}$

skąd: $F = g V \rho_{zewn} \left(1 -\frac{T_{zewn}}{T_{wewn}}\right)$

Widać, że nawet przy bardzo silnym ogrzaniu wnętrza balonu (ograniczeniem jest wytrzymałość powłoki – musi być cienka i lekka aby ograniczyć masę balonu), ograniczeniem będzie gęstość powietrza silnie obniżająca się wraz ze wzrostem wysokości. Pokonanie dużych wysokości wymaga stosowania bardzo dużych objętości balonu i raczej innych gazów niż powietrze – ze względów bezpieczeństwa zamiast najlżejszego gazu, czyli wodoru stosuje się hel. Często też balon na gorące powietrze może zawierać wewnątrz mniejszy napełniony helem, co oszczędza paliwo, zwiększa siłę nośną, oraz pozwala łatwo sterować wysokością lotu balonu.

Montgolfiera to prosty balon na ogrzane powietrze - pierwsze montgolfiery zostały zbudowane przez braci Montgolfier w 1792 roku. Były budowane z papieru, płótna lub jedwabiu. Powietrze w montgolfierze było ogrzewane przez płomienie ogniska, stąd ich udźwig był mały a zasięg krótki. Ponowny wzrost zainteresowania balonem na ogrzane powietrze nastąpił w latach 60. XX w. gdy do ogrzewania powietrza w balonie zastosowano umieszczone w balonie palniki zasilane propanem.

Wczesne projekty balonów

Napełnianie balonu rozgrzanym powietrzem

Wikimedia Commons ma galerię ilustracji związaną z tematem:
Balon na ogrzane powietrze

Linki zewnętrzne

X Krajowe Zawody Balonów Wolnych w Tarnowie w maju 1938 roku, film Przedwojennej Kroniki Filmowej PAT