Ballongfysikk

Det er to krefter som er viktige når det gjelder ballonger, nemlig oppdrift og gravitasjon. Nå er ikke strengt tatt oppdrift en kraft i seg selv, den sier bare at ting med forskjellig tetthet opplever ulik gravitasjon. Oppdrift er en viktig effekt, da den sørger for at båter flyter på vannet, at magmaen i jorda sirkulerer og at luft stiger og synker og gir oss vær og vind. Det var også denne som fikk Arkimedes til å løpe naken gjennom gatene etter Eureka-øyeblikket hans.

Gravitasjon sier at alle legemer trekkes mot hverandre, jo mer masse de har jo større er kraften. Det største vi har i nærheten av oss selv er jordkloden. Den trekker på oss alle, også på teddyene og ballongen.

Newtons 2. lov sier at forskjellen i krefter er det som får ting til å bevege seg. Tenk deg en kloss som ligger på et bord. Hvis jeg dytter like hardt på den som du dytter på den vil klossen ligge i ro. Hvis du dytter hardere enn meg vil klossen begynne å bevege seg mot deg.

Slik er det ballonger også. Hvis vekten av ballongen og utstyret er større enn oppdriften vil ballongen synke trist til bakken. Men hvis oppdriften er større vil ballongen stige mot himmelen.

Krefter måles i newton, som har forkortelsen N. Vekten vår, som skyldes jordklodens tiltrekning, er omtrent 10 ganger massen vår. Det vil si at jeg, som har massen 95 kg, har en omtrentlig vekt på 950 N.

Oppdrift og gravitasjon

Oppdrift og gravitasjon

 

 

Oppdriften regnes ut på følgende vis:

Oppdrift = Tetthetsforskjell * volum * 9,81 N, hvor tetthet måles i kilogram per kubikkmeter og volumet måles i kubikkmeter.

Luft har en tetthet på ca. 1,3 kg per kubikkmeter (det skulle man ikke tro). Dette på grunn av at luft består av tunge molekyler som nitrogen, karbondioksid, oksygen osv.

Helium, derimot, er det nest letteste molekylet vi har, og er bare 0,18 kg per kubikkmeter. Det er 7 ganger mindre enn luft, og er grunnen til at helium brukes i ballonger.

Vann har en tetthet på 1000 kg per kubikkmeter. Siden mennesker er laget av vann (stort sett), er det dermed lett å finne volumet vårt. Siden masse er lik volum ganger tetthet, eller m=V*t, er også volum lik massen delt på tettheten, eller V = m/t. Det vil si at kroppen min fyller 95/1000=0,095 kubikkmeter, eller 95 liter (det er 1000 liter i en kubikkmeter).

Tetthetsforskjellen på helium og luft er dermed 1,3-0,18=1,12  kg/kubikkmeter.

Hvis jeg var laget av helium, hadde jeg hatt en oppdrift på:

1,12*0,095*9,81=1,0438 N, eller nok til å løfte 0,1 kg. Ikke særlig mye, med andre ord. Det er derfor vi trenger en stor ballong.

Når vi fyller ballonger har de en omkrets på rundt 4 meter, som tilsvarer en radius på 4/3,14/2=0,6369 meter. Det tilsvarer et volum på 4*3,14*0,63^3/3=1,0469 kubikkmeter, eller rundt 1000 liter.

Oppdriften her blir da 1,12*1,05*9,81=11,5 N. Dette skulle holde til å løfte i overkant av ett kilo. Men hvis jeg skal være sikker på at teddyen kommer seg opp og frem, burde jeg minst ha dobbelt så mye løfteevne som vekten.

Det er en kraft til som er viktig for ballonger, og det er strekkraften til lateksen som ballongen er laget av. Når ballongen stiger utvider gassen seg helt til ballongen sprekker. Jo mer du fyller jo tidligere sprekker den, og jo lavere vil ballongen gå. En ballong fylt med 1000 liter vil stort sett gå rundt 25 km, så man får se det litt an.

Det er bare en ting til å huske på, og det er omregning fra gassflaske til volum i ballongen. Gassen i gassflasken er under trykk, vanligvis 150 bar. Siden trykket ute er ca. 1 bar, vil du av 1 liter i gassflasken få ca 150 liter i ballongen. Det betyr at du behøver en rundt 7-8 liter for å fylle en ballong sånn nogenlunde.