|
|
|
De theorie van de heteluchtballon
Een ballon gevuld met hete lucht kan opstijgen, maar hoe werkt dat nou precies?
Het gewicht van lucht
Lucht is een mengsel van gassen, en het gewicht van gassen is afhankelijk van de temperatuur en luchtdruk. Daarom wordt het gewicht altijd gegeven bij een standaard temperatuur (nul graden Celsius en één atmosfeer). Lucht bestaat voor ongeveer 80 procent uit stikstof en ongeveer 20 procent zuurstof. Bij nul graden en één atmosfeer weegt een liter lucht ongeveer 1,3 gram. Om even het verschil aan te geven: een liter water weegt 1 kilo (1000 gram).
Stel je voor dat je een grote vierkante elastische ballon hebt van precies 1 kubieke meter. Daarin zit precies 1.000 liter lucht, die dezelfde temperatuur heeft als de lucht aan de buitenkant van de ballon. Het gewicht van die 1.000 liter lucht in de ballon is 1.300 gram.
Warme lucht zet uit
De gassen in de lucht (stikstof en zuurstof) bestaan uit moleculen. De moleculen bewegen voortdurend, en de snelheid waarmee ze bewegen is afhankelijk van (onder andere) de temperatuur van het gasmengsel. Wanneer de temperatuur stijgt, gaan de moleculen sneller bewegen. De moleculen botsen tegen elkaar, maar ook tegen alle voorwerpen die zich in de omgeving bevinden. Een molecuul die met een lage snelheid tegen een voorwerp botst oefent daarbij een kleine kracht uit op dat voorwerp, maar als een molecuul met een hogere snelheid tegen datzelfde voorwerp botst, oefent het molecuul ook een grotere kracht uit op dat voorwerp.
Er komen ook voortdurend moleculen tegen de wanden van de ballon. Hoe sneller de moleculen bewegen, hoe harder ze tegen de wanden van de ballon botsen, en hoe meer kracht ze dus op die wanden van de ballon uitoefenen. Omdat de wanden van de ballon elastisch zijn, zal de ballon door de toegenomen kracht van de lucht groter worden.
Je kunt dit ook zelf uitproberen:
- Vul een gewone feestballon met lucht en
bindt de ballon dicht.
- Meet nu met een centimeter de omtrek van de ballon en
onthoudt dit.
- Je kunt voor de zekerheid nog met een stift een lijn trekken
rond de ballon, zodat je zeker weet dat je later op dezelfde plaats nog een
keer kan meten.
- Daarna leg je de ballon in de felle zon buiten neer. Door de
invloed van het zonlicht wordt de lucht in de ballon warmer en zal de ballon
gaan uitzetten.
- Na verloop van tijd kun je de ballon nog een keer opmeten,
waarbij je zult ontdekken dat de ballon groter is geworden dan toen de
ballon nog koud was. Je kunt dat waarschijnlijk zelfs zien gebeuren, als je
de ballon in de gaten houdt tijdens het opwarmen.
- Het is in principe
mogelijk dat de ballon zo ver uitzet dat hij knapt!
|
Minder lucht is minder gewicht
Door het warmer worden van de lucht in de ballon zet de lucht uit. De omvang van de ballon was eerst 1000 liter, maar door verwarming komt hier bijvoorbeeld 10% bij. De zelfde lucht neemt dan dus 1.100 liter aan ruimte in. Het gewicht van die lucht is echter nog steeds 1.300 gram.
Je kunt dat ook anders bekijken.
In de ruimte die eerst 1.300 gram lucht bevatte zit nu minder gewicht, door de uitzetting is immers 10% van de lucht buiten de oorspronkelijke afmetingen van de ballon terecht gekomen. In plaats van 1.300 gram licht in 1.000 liter is er nu 1.300 gram in 1.100 liter. Per 1.000 liter omgerekend is dat dus 1.000/1.100 = 0,909 keer zo weinig, of 1.300 * 0,909 = 1.182 gram (ongeveer). Het gewicht is dus met ongeveer 118 gram gedaald!
Zware dingen vallen naar beneden, maar lichte dingen komen boven drijven
De zwaartekracht trekt aan alle voorwerpen. De lucht in de ballon weegt 1.300 gram en wordt dus door de zwaartekracht naar beneden, naar de aarde toe getrokken. Ook de lucht rondom de ballon wordt naar beneden getrokken. Zoals hiervoor al uitgelegd is de verwarmde lucht in de ballon lichter dan de koudere lucht die er omheen zit. De verwarmde lucht wordt daardoor naar boven geduwd, in verhouding tot de koude lucht. Nu is het een kwestie van vergelijken: als de kracht waarmee de warme lucht omhoog wordt geduwd groter is dan de zwaartekracht waarmee de ballon naar beneden wordt getrokken, dan kun je wel aanvoelen dat de lucht uiteindelijk omhoog wil.
Waar komt de opwaartse kracht vandaan?
Hoe komt het dat een ballon opstijgt, als hij lichter is dan de lucht waarin de ballon zich bevindt? Dat wordt verklaard door de Principe van Archimedes. Archimedes was een geleerde uit het begin van de jaartelling die ontdekte wat het principe is achter dit soort zaken. De opwaartse kracht van elk object is gelijk aan het gewicht van de stof (in dit geval lucht) waarvan dat object de plaats inneemt. Anders gezegd: de lucht die eerst op de plaats zat van de ballon woog 1.300 gram. De ballon met daarin de verwarmde lucht komt daarvoor in de plaats. Er is dus een opwaartse kracht van 1.300 gram als gevolg van de verplaatste lucht.
Het Principe van Archimedes verklaart ook waarom een voetbal op water blijft
drijven:
- Als je een plastic bal die gevuld is met 5 liter lucht onder water
houdt, dan wordt daardoor 5 liter water verplaatst.
- 5 Liter water weegt
5.000 gram.
- Volgens het Principe van Archimedes veroorzaakt dit een
opwaartse kracht van 5.000 gram.
- De bal en de lucht in de bal samen hebben
natuurlijk ook een gewicht, namelijk ongeveer 500 gram van de bal en 5 liter
lucht van elk 1,3 gram, samen 506,5 gram.
- Omdat 5.000 gram opwaartse kracht
aanzienlijk meer is dan het gewicht van de bal zal de bal opstijgen naar het
oppervlakte van het water.
|
Het gewicht van de ballon zelf
De ballon zelf heeft natuurlijk ook gewicht, hoe weinig ook. Dit gewicht van de ballon moet je optellen bij het gewicht van de lucht in de ballon. Als dit samen minder is dan de opwaartse kracht die ontstaat door de verplaatsing van lucht, dan zal de ballon opstijgen.
Kies: vorige pagina | volgende pagina
|
