BEVEZETŐ

MITŐL REPÜL A BALLON?

 

BALLONMODELL ÉPÍTÉSE

REPTETÉS

 

 BEVEZETŐ

 

  1709-ben még 41 év távlatában volt a mindent megváltoztató ipari forradalom, James Watt születéséig is 27 évet kellett még várakozni. Épphogy mozgásba lendült a zseniális Newcomen gépe, de már ismert volt a differenciál és integrál számítás. Hatalmas tudós elmék (Newton, Leibniz, Boyle, Bernoulli stb..) formálják a jövőt. Még csak a fejekben és elszigetelt szellemi műhelyekben gyűlik, fortyog az a mérhetetlen erő ami később kitörve megteremti a minket is körülvevő technológiai világot. Javában tombolt a Spanyol Örökösödési Háború, és a feudális nagyurak elképzelni sem tudták, hogy a világ másként is kinézhet.

 

Gusmano bemutatja aerosztátját.

 

 Mi is olyan érdekes 1709-ben? 1709. augusztus 8-án V. Károly és Anna Mária portugál királyi pár előtt Bartolomeo Lourenco atya aki a Gusmao nevet vette fel, bemutatót tartott. Egy meleg levegővel „töltött” ballont mutatott be, amit „aerosztát”-nak nevezett el. Ez volt az első ember által épített szerkezet, amely a levegőbe emelkedett, ott utat tett meg, majd leszállt. Mindezt a Wright testvérek géprepülése előtt 194 évvel! Gusmano teljesen tisztában volt azzal, hogy a ballon miért marad a levegőben. Ismerte a légkör (aero-tenger), a légnyomás és a sűrűség összefüggéseit, tehát fizikai ismeretekkel megalapozottan készítette el a hőlégballont.

 

 Sajnos Gusmano nem kapott további támogatást, és találmánya, kísérletei nem fejlődhettek tovább. Nagy hatással volt több emberre, amit mi sem bizonyít jobban minthogy 1710-ben már megjelent Gottfried Zedler tollából a repülő vándor című kiadvány amely a hőlégballon felhasználási lehetőségeit taglalja. Sokan, sokféle tervvel álltak elő az új szerkezet jövőjét illetően, de mint ez lenni szokott a hirtelen, át nem gondolt ötletek sehova sem vezettek.

 

A Montgolfier testvérpár.

 

  1783. június 5-én megtört a jég!  Annonay francia városka főterén Joseph és Étienne Montgolfier testvérpár elengedték ballonjukat ami a magasba emelkedett a jelenlévő tömeg ünneplése közepette. A ballon papírbélésű volt és Montgolfier-ék „füsttel” töltötték fel. Még nedves rongyot és szalmát is égettek, hogy több füst keletkezzen. Ez rávilágít arra is, hogy Montgolfieréknek fogalmuk nem volt arról, hogy a ballon mitől emelkedett fel. Ők a

füstre gondoltak, sőt megszületett a „Montgolfier-gáz” teljesen igazolhatatlan elképzelése is. Mekkora segítség lett volna ha a Mongolfier testvérek a  tőke és technikai háttér mellett rendelkezett volna Gusmano tudományos felkészültségével is.

 

  Ebben a történetben van még egy jeles dátum 1783. november 21-én 1 óra 54 perckor a boulogne-i erdőben a La Muette királyi vadászkastély kertjében elvágták a ballon tartóköteleit és a történelemben először két ember a magasba emelkedett az aerosztatikus géppel, kb. 25 percet töltöttek a levegőben majd leszálltak. A nagy álom beteljesült, az ember megjárta a levegőóceánt.

 

  A hőlégballon az egyik olyan ritka gép, amely tudomásom szerint soha nem szolgált háborúban, nem segédkezett a pusztításban, mindig sport és hobbi célokat szolgált. A ma hőlégballonjait már nem szalmával fűtik, a palackos gáz vette át ezt a szerepet. Néhány kisebb változtatáson kívül a ma hőlégballonjai működésükben nem sokban különböznek Gusmano ballonjától. Vizsgáljuk meg, hogy mitől repül a hőlégballon?

 

Ballonok melegítése egy japán versenyen.

MITŐL REPÜL A BALLOM?

  A hőlégballon végül is egy nagy zárt zsák amit meleg levegővel töltünk fel. A gázoknak, így a levegőnek is, megvan az a hasznos tulajdonsága, hogy a hőmérséklet emelkedésével csökken a sűrűségük.

 

q =  p /( Rsp T)  [kg/m3]

 

ahol a

q: a gáz sűrűsége [kg/m3]

p: a gáz nyomása [Pa]

Rsp: specifikus gázállandó [J/(kg*K)] (levegőre Rsp=287,2 [J/(kg*K)])

T: a gáz hőmérséklete [Kelvin]

 

Ezek alapján a

T=298,15 [K] ( 25 °C) hőmérsékletű levegő p=101 325 [Pa] nyomáson q=1,18 [kg/m3]

és

T=353,15 [K] ( 80 °C) hőmérsékletű levegő p=101 325 [Pa] nyomáson q=0,99 [kg/m3]

 

A kisebb sűrűségű anyag minden esetben a keletkező felhajtóerő miatt felfelé törekszik. Ez a jelenség jól megfigyelhető, amikor a tábortűz által felmelegített levegő magával ragadja a pernyét, és magasba repíti. A hőlégballonok repülését biztosító fizikai elv tehát igen egyszerű. A gond csak az, hogy a meleg levegő által nyerhető felhajtóerő nagyon kismértékű, ráadásul azt a levegőnél sokkal nehezebb anyagokból készült ballonszerkezettel „csapdába is kell ejteni”. Végeredményben a ballonszerkezet és az abban lévő meleg levegő összes, átlagos sűrűségének kell kisebbnek lennie, mint a környező levegő sűrűsége.

 

 A hőlégballon működését tehát alapvetően négy tényező határozza meg: 1) a ballon és az ahhoz kapcsolódó szerkezetek összes tömege, 2) a ballon meleg levegővel feltölthető térfogata, 3) a ballonban lévő levegő hőmérséklete, 4) a külső, környező levegő hőmérséklete. A tényezőket az alábbi egyenlet foglalja össze egy egységes ballonképletté:

 

qlev = qballon + mballon/Vballon

 

ahol a

qlev: a külső levegő sűrűsége [kg/m3]

qballon: a ballonban felmelegített levegő sűrűsége [kg/m3]

mballon: a ballonszerkezet tömege [kg]

Vballon: a ballon feltölthető térfogata    [m3]

 

a fenti egyenlőség arra az esetre vonatkozik amikor a ballon lebeg.

 

qlev - qballon = mballon/Vballon

 

(qlev - qballon) * Vballon = mballon

 

tehát a ballonban lévő levegő hőmérsékletének, valamint a ballon feltölthető térfogatának növelésével növekszik a terhelhetőség. Az egyenletből az is látható, hogy a külső hőmérséklet növekedésével viszont csökken a ballon terhelhetősége. A ballonban lévő levegő hőmérsékletének határt szab a ballon anyaga, mivel túl magas hőmérséklet esetén a szerkezeti anyagok meglágyulnak, vagy a legrosszabb esetben ki is gyulladhat a ballon.

 

Hőlégballon a levegőben.

 

  A sok unalmas fejtegetés végén végezzünk el egy számítást. Tegyük fel, hogy rendelkezünk egy 60 literes zsákkal. A zsákot fel tudjuk tölteni 80 °C hőmérsékletű levegővel. Mennyi lehet a teljes szerkezet súlya, ha a külső hőmérséklet 30 °C, és a környező nyomás 101 000 [Pa].

 

Tlev= 303,15 [K] (30 °C)

Tballon= 353,15 [K] (80 °C)

p= 101 000 [Pa]

Vballom=0,06 [m3] (60 liter)

Rsp=287,2 [J/(kg*K)]

 

qlev= 1,16 [kg/m3]

qballon= 0,995 [kg/m3]

 

A ballonképletbe behelyettesítve

 

mballon= (qlev-qballon)*Vballon = (1,16-0,995)*0,06 = 0,0099 [kg] = 9,9 [gramm]

 

Ez bizony nem valami sok! Ha hőlégballon-modellt szeretnénk építeni a lehető legkönnyebb anyagokból a legegyszerűbb szerkezetet kell elkészíteni

 

BALLONMODELL ÉPÍTÉSE

Most már tudjuk, hogy egy nagyon könnyű szerkezetet kell építeni. A kidolgozott megoldás sajátossága, hogy egyszerűen elkészíthető és a SRY MODELL hagyományainak és elveinek megfelelően a lehető legegyszerűbben beszerezhető anyagokat, technológiákat használjuk fel.

 

Szükséges anyagok:

-60 literes szemetes-zsák

-1 db. A/4-es műszaki rajzlap

-ragasztó

-0,5 méteres kábeldarab

-vatta

-cérna

-denaturált szesz

-pipetta

-gázöngyújtók

 

 A szükséges zsák „szemetes bélelő zsák”, vagy „kukazsák” néven kerül forgalomba. Ezek nagyon vékony polietilén zsákok, általában feltekerve (rollniban) árulják, 25…60 literes űrtartalmú méretekben. Egy-egy csomag 15-20 db. zsákot tartalmaz. A zsák anyagának vastagsága 0,01…0,02 [mm] között van, színük kék, barna, zöld szokott lenni. Ragasztónak megfelel bármely olyan anyag ami egyszerre ragaszt papírt és műanyagot, pl. a Sulifix, vagy technokol rapid. A félméteres kábeldarab egy olyan kábelből kell, ami vékony, sodrott rézszálakból áll, ilyen pl. a riasztórendszerekhez használt több eres kábel. A vattával nem lehet gond, pipettát pedig bármelyik gyógyszertárban kaphatunk pár forintért.  A cérna vékony, de erős legyen.

 

A modellhez a Kelly 2000 rt. (1117 Budapest, Budafoki út 64) 60 literes (55x68 cm) „szemetes bélelő zsák”-ját használjuk fel. Ez kék színű és 0,01 mm falvastagságú. Természetesen bármilyen más gyártmányú, de hasonló jellegű zsák megfelel.

 

Válasszunk le a rollniról egy zsákot, majd vágjuk le a zárt végét, hogy mindkét vége nyitott legyen. Ezt követően nyissuk szét, és az összetapadt részeket válasszuk el egymástól. A zsák levágott végét szedjük össze egy csomóba és kössük meg. A kötés erős legyen, jól zárja el a zsák végét. A csomó utáni kilógó részeket ollóval vágjuk le, majd fordítsuk ki a zsákot. Ezzel elérjük, hogy a zsák szép kupolához hasonló formát vegyen fel amikor feltöltjük meleg levegővel. Akinek van kedve most díszítheti, feliratozhatja a majdani ballon felületét alkoholos filccel. Ezt úgy a legkönnyebb kivitelezni, ha a ballonba egy kemény fedelű könyvet teszünk és arra ráfeszítjük az anyagot, így kényelmesen rajzolhatunk rá. 

 

 

 

A következő munkafázis az abroncs elkészítése lesz. Ehhez vegyük elő az A/4 méretű műszaki rajzlapot, és a hosszabbik oldalából szabjunk le két 24 mm széles csíkot. A végektől 20 mm-re húzzunk egy-egy vonalat, majd hajtsuk hosszában félbe a papírcsíkokat. Az így kapott „V” alakú profilos papírlécekből, egymásba csúsztatva, és ragasztva őket készítsünk egy abroncsot.

 

 

Az abroncs ragasztásánál ügyeljünk arra, hogy az egyes papírlécek átfedése 20 mm legyen (ezért kellett bejelölni a végeiket). A ragasztásnál ügyeljünk arra, hogy a papírlécek szétnyithatóak legyenek, az oldalak ne ragadjanak össze. . Így kapunk egy kb. 17…18 cm átmérőjű „papírkarikát”. Az abroncsba ezt követően beleragasztjuk a ballont. A ballon anyagát, annak az aljánál elfelezzük és az abroncs két átellenes pontjába beleragasztjuk, olyan 1 cm-es szakaszon. Ezt követően úrra elfelezzük a kilógó ballon anyagot és a szabad abroncsívek felénél ugyanúgy beragasztjuk. Ismét megismételjük a kilógó ballon anyag és szabad abroncsrész felezését, ragasztását. Ezzel szép egyenletesen elosztjuk (nyolcadoljuk) a ballon anyagot az abroncs kerületén. Végül a kilógó ballon anyag részeket belegyömöszöljük az üresen maradt abroncsszakaszokba, és beragasztjuk őket.

 

 

 

A ragasztásoknál ügyeljünk arra, hogy ne használjunk túl sok ragasztót, és a az abroncs belső felületét mindkét oldalon kenjük be, rakjuk bele a ballon anyagot és jó nyomjuk össze az abroncs két felét. A ragasztást ne kapkodjuk el, hagyjunk elég időt az előző ragasztások megkötésének.

 

Amikor minden ragasztás kikeményedett az abroncsot azon a két helyen ahol a papírlécek illeszkednek átlyukasztjuk, ide kerül majd rögzítésre a gondola. A kábeldarabról eltávolítjuk a műanyag külső szigetelést és a vékony réz szálakat elválasztjuk egymástól. Vegyünk ki egy kis vattát a csomagból és gyúrjuk kb. 1 cm átmérőjű gömbbé. A vattalabdacsot kössük rá a vékony réz szálra. Ezt oly módon csináljuk, mintha a réz szál a labdacs szimmetriavonalán menne át. Ezt követően a rész szál két végét erősítsük az abroncson lévő lyukakhoz, ügyelve, hogy a labdacs az abroncs közepére essen.

 

 

 

 

Ezzel a hőlégballonmodell elkészült. A ballon súlya kb. 8 gramm. A számítási példában láttuk, hogy a ballon csak akkor repképes, ha súlya 9,9 gramm alatt marad. Ezt a célt elértük, már csak a gyakorlatban kell igazolni, hogy a ballon tényleg tud repülni.

 

REPTETÉS

A ballon repülését megelőzően mindenképp ki kell, hogy térjek a biztonsági szempontokra! A ballon reptetése TŰZVESZÉLYES! A meleg levegővel megtöltött műanyag zsák könnyen tüzet fog, a lehulló égő ballon természetben, vagyontárgyakban tüzet okozhat. Az elővigyázatlan modellező magát is megégetheti. Mindig nagyon gondosan kezeljük a ballont.

 

 A ballon reptetésénél használt denaturált szesz MÉRGEZŐ! Ezért különös gonddal kezeljük, olvassuk el a flakonon lévő utasításokat, és azokat tartsuk be. (Akit többet akar megtudni a denaturált szeszről olvassa el a tárgykörről írt kéziratomat a www.sry.cjb.hu/eges.html helyen)

 

  A ballon kedvező körülmények esetén meglepően nagy magasságokat tud elérni, és nagy távolságokat tesz meg. Ez azzal jár, hogy könnyen fennakadhat fán, vagy magas épületek tetőszerkezetén. Mielőtt felmásznánk ballonunkért ezekre a helyek minden, esetben mérlegeljük, hogy ez nem BALESETVESZÉLYES-e! Nem éri meg sehonnan leesni egy ballon kedvéért sem!

 

A ballonrepítésre még otthon készüljünk fel. Vigyünk magunkkal több ballont, sok réz szálra kötött vatta labdacsot, 2-3 öngyújtót, kis, zárható edényben denaturált szeszt, ollót (vagy oldalcsípő fogót), zsineget, csipeszt, pipettát és egy bicskát.

 

  A reptetés helyszínéül egy nagy nyílt területet válasszunk, ahol nincsenek fák és épületek, egy közeli mező tökéletesen megfelel. Ballont csak szélcsendes időben lehet reptetni, valamint minél hűvösebb legyen, hogy a ballon könnyen emelkedjen. A ballon felső részét fogassuk meg egy csipesszel, hogy a ballon lazán lógjon. A csipeszt rögzíthetjük egy bokorhoz, vagy valami mesterséges traverzhez is. A vatta labdacsot a pipetta segítségével itassuk át denaturált szesszel. Ezt követően ez öngyújtót gyújtsuk meg és tartsuk a lángot a ballon alá.

  Vigyázzunk arra, hogy a denaturált szesszel átitatott vatta nehogy meggyulladjon! Az öngyújtólánggal „fújassuk fel” a ballont, vagyis a töltsük fel meleg levegővel. A töltődést jelezni fogja, hogy a ballon „dagadni” kezd és az anyag ráncai kisimulnak.

  Amikor a ballon már rendesen fel van töltve meleg levegővel, amit az is jelez, hogy oldalirányban fel akar emelkedni, eresszük el a csipeszről, és az öngyújtólánggal gyújtsuk be a szesszel átitatott labdacsot. A ballon ekkor emelkedni kezd. Kövessük a ballon mozgását, majd amikor leszállt visszavihetjük a kiindulási ponthoz. Ekkor láthatjuk, hogy a vatta labdacs teljesen elégett! Ezt cseréljük ki egy újra (ezért kell több labdacsot magukkal vinni) és elvégezhetünk egy újabb indítást.

 

 

Előfordulhat, hogy az öngyújtó lángja nem elégséges a ballon meleg levegővel való feltöltéséhez. Ezért a töltést otthon próbáljuk ki. Ha nem megfelelő a töltés folyamata, használhatunk erre a célra kis borszeszégőt, nagyobb lángú gyertyát. A jó töltési folyamat gyors, a ballon láthatóan „fúvódik” és szépen kifeszül. A töltés során a ballon anyaga átmelegszik és ettől nagyon gyúlékony lesz. Ezért a töltésnél használt lángot is az abroncs közepe felé kell közelíteni, ügyelve, hogy a vattalabdacs idő előtt ne gyulladjon be. Ez némi gyakorlatot kíván. A rosszul feltöltött ballon a csipeszről való elengedés után nem emelkedik, hanem süllyedni kezd. Ekkor óvatosan fogjuk meg a ballon tetejét és várjunk egy pár pillanatot, majd újra engedjük el. Az égő labdacs által termelt hő általában emelkedésbe viszi át a ballont.

 

 

A leírás szerint készített 60 literes ballon kb. 35…40 méter magasan repül a fák felett. Szinte teljes szélcsendben a ballon kb. 150 m távolságot tett meg, majd a facsoport túloldalán leszállt a mezőre. A külső hőmérséklet 15 °C volt, ezért a ballon nagyon intenzíven emelkedett.

 

 

SHOT BY

VISSZA  A FŐOLDALRA

A fotók saját készítésűek és tulajdonúak.

 

♣ SRY MODELL ♣ 2004 ♣ FINISHED - 2004.03.14. ♣ ALL RIGHTS RESERVED ♣ powered by MS WORD , WWW.ICONBAZAAR.COM , ♣