Kas ir karstā gaisa balons: definīcija, darbības princips un fizika
Gaisa balons ir gaisa kuģa veids. To paceļ, sasildot gaisu balona iekšpusē, parasti ar uguni. Karsts gaiss sver mazāk nekā tāds pats auksta gaisa tilpums (tas ir mazāk blīvs), un tas nozīmē, ka karsts gaiss paceļas vai peld, ja ap to ir auksts gaiss, līdzīgi kā gaisa burbulis ūdens katlā. Jo lielāka ir starpība starp karsto un auksto, jo lielāka ir blīvuma atšķirība un jo spēcīgāk balons pacelsies augšup. Tas nozīmē, ka baloni var nest lielāku svaru aukstā dienā vai ja gaiss balona iekšpusē ir ļoti karsts. Augstā temperatūrā gaisa molekulas pārvietojas ātrāk. Tas izraisa molekulu izkliedēšanos, tāpēc karsts gaiss ir mazāk blīvs nekā vēsāks gaiss.
Darbības princips un fizika
Balona pacelšanās pamatā ir Archimēda princips: uz karsto gaisu iekšpusē darbojas pacelšanas spēks, kas vienāds ar apkārtējā gaisa svaru, ko izspiež balona tilpums. Ja šis pacelšanas spēks pārsniedz kopējo balona svaru (iepakojums, degviela, grozs, pasažieri), balons paceļas.
Vienkāršā formā to var izteikt kā: F = (ρ_ārā − ρ_iekšā) × V × g, kur ρ ir gaisa blīvums, V ir balona tilpums un g gravitācijas paātrinājums. Gaisa blīvums savukārt ir atkarīgs no temperatūras un spiediena (ideālā gāzes likums). Tāpēc pie nemainīga spiediena iekšējā temperatūras palielināšana samazina gaisa blīvumu un rada lielāku pacelšanas spēku.
Galvenās sastāvdaļas
- Somijs (envelope) — auduma apvalks, kas satur karsto gaisu. Parasti izgatavots no ugunsdroša, viegla un izturīga materiāla.
- Deglis (burner) — siltuma avots, kas ar atklātu liesmu silda iekšējo gaisu. Degvielai bieži izmanto propānu.
- Groziņš (basket) — pasažieru un aprīkojuma vieta, parasti no pīta salmiem vai viegla metāla karkasa.
- Vārsti un atveres — ļauj kontrolēt gaisa izplūdi no somija, lai pazeminātu vai stabilizētu augstumu.
Vadība un lidojuma kontrole
Balona pilots kontrolē augstumu, regulējot siltuma daudzumu iekšpusē ar degļa palīdzību vai atverot vārstus, lai ļautu karstajam gaisam izplūst. Horizontāla virzība notiek ar vēju — dažādos augstumos vēji var pūst dažādos virzienos, tādēļ pieredzējis pilots maina augstumu, lai atrastu vēju virzienu, kas ved vēlamajā virzienā.
Drošība un laika apstākļi
Balonu lidojumi ir jūtīgi pret laika apstākļiem: stiprs vējš, lietus, negaisa vai zema mākoņu bāze padara lidojumu bīstamu vai neiespējamu. Pirms lidojuma jāveic rūpīga meteoroloģiskā prognoze un tehniskā pārbaude. Pilotiem nepieciešama apmācība un sertifikācija, savukārt balona aprīkojumam regulāra apkope.
Karstgaisa baloni parasti izmanto tūrisma braucieniem, sporta sacensībām un reklāmai. Tie nevar lidot kontrolēti uz ilgiem attālumiem vai pret spēcīgu vēju, un pacelšanās spēja samazinās horizontālai temperatūrai un augstumam palielinoties, jo gaisa blīvums samazinās ar augstumu.
Vēsturiska piezīme
Pirmos veiksmīgos karstā gaisa balonu lidojumus veica Montgolfier brāļi 18. gadsimtā. Kopš tā laika tehnoloģija ir attīstījusies — uzlabots audums, drošāki degļi un stingrāka regulācija padara lidojumus drošākus un ērtākus.
Šīs pamatzināšanas par gaisa balonu darbības principu un fiziku palīdz saprast, kāpēc un kā balons paceļas, kā to kontrolē un kādi apstākļi nepieciešami drošai ekspluatācijai.
Gaisa balons lidojumā
Vēsture
Gaisa balons ir vecākais lidojošās tehnoloģijas veids, ar kuru var veiksmīgi pārvadāt cilvēkus. Senajā Ķīnā vissenāk tika izmantots karstais gaiss, lai liktu priekšmetiem lidot. Gaisā tika sūtītas papīra laternas, lai signalizētu.
Pirmo gaisa balonu, kas pārvadāja cilvēku, izgatavoja brāļi Montgolfjē. Viņi 1783. gada 19. septembrī demonstrēja savu izgudrojumu karalim Luijam XVI un karalienei Marijai Antuanetei Francijas galmā Parīzē. Pasažieri bija aita, pīle un gailis. Viņi lidoja 480 metrus. Pirmais lidojums ar cilvēku notika 1783. gada 15. oktobrī. Ar to lidoja Žaks Etjēns Montgolfjē (Jacques-Etienne Montgolfier). Balonu pie zemes piestiprināja ar virvi. Pirmais brīvais lidojums bez piestiprinājuma pie zemes notika dažas nedēļas vēlāk, 1783. gada 21. novembrī. Tajā atradās marķīzs Fransuā d'Arlandes un Pilatrs de Rozjē.
Gaisa balons 1783. gadā
Kā tas darbojas
Gaiss sastāv no molekulām. Kad gaiss ir auksts, šīs molekulas ir tuvāk viena otrai. Kad gaiss ir karsts, tās attālinās viena no otras. Tāpēc tajā pašā telpā karstā gaisā ir mazāk molekulu. Tāpēc karstais gaiss ir vieglāks par auksto gaisu. Tas liek tam pacelties un nest balonu augšup, kad gaiss balona iekšpusē tiek sakarsēts. Gaisu balonā silda ar degli, kas izmanto uguns starus, lai gaiss būtu karsts. Uguns tiek kurināta ar propānu.
Uzkarsēto gaisu balona iekšpusē notur tā audums. To sauc par "apvalku". Tas parasti ir izgatavots no neilona.
Pasažieri un pilots stāv grozā, kas ar virvēm ir piestiprināts pie gaisa balona. Grozs parasti ir izgatavots no pīnēm. Groziem var būt dažādi izmēri. Tajos var būt vietas līdz pat 36 cilvēkiem. Tas ir atkarīgs no gaisa balona lieluma, lai pārvadātu tik lielu svaru.
Festivāli
Gaisa balonu festivāls ir gaisa šovs. Tajā gaisa balonu ražotāji demonstrē un kopā lido ar gaisa baloniem. Šajos pasākumos tie lido no rīta un vakarā, ja apstākļi to atļauj. Cilvēki var izbaudīt lidojumu ar gaisa balonu, ja viņi par to samaksā. Ir daudz aktivitāšu. Dažkārt baloni tiek izgaismoti nakts debesīs.
Šajos svētkos cilvēki var redzēt dažādu formu balonus. Parasti tie ir apaļi, bet tiem var būt arī formas.
Gaisa balonu festivāls
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir gaisa balons?
A: Gaisa balons ir lidaparāta veids, kas tiek pacelts, sasildot gaisu balona iekšpusē.
J: Kā gaisa balons noturas gaisā?
A: Karstā gaisa balons gaisā turas, sildot gaisu balona iekšpusē. Karstais gaiss ir mazāk blīvs nekā apkārt esošais aukstais gaiss, tāpēc tas paceļas un paceļ gaisa balonu.
J: Kāda ir saistība starp gaisa temperatūru balona iekšpusē un tā spēju nest svaru?
A: Jo karstāks gaiss ir balona iekšpusē, jo lielāku svaru tas var nest. Un otrādi, ja diena ir auksta, balons var nest mazāku svaru.
J: Kāpēc karsts gaiss ir mazāk blīvs nekā auksts?
A: Karsts gaiss ir mazāk blīvs nekā auksts, jo augstākā temperatūrā gaisa molekulas kustas ātrāk, tāpēc tās izkliedējas un aizņem vairāk vietas. Tāpēc karstais gaiss ir mazāk blīvs.
J: Kā gaisa sasilšana balona iekšpusē izraisa gaisa pacelšanos?
A: Gaisa sasilšana balona iekšpusē izraisa gaisa izplešanos un tā blīvums kļūst mazāks nekā apkārt esošajam vēsākajam gaisam. Šī blīvuma atšķirība izraisa balona pacelšanos un peldēšanu.
J: Kas notiek ar balona spēju pacelties, palielinoties temperatūras starpībai starp karsto un auksto gaisu?
A: Palielinoties temperatūras starpībai starp karsto un auksto gaisu, palielinās arī balona spēja pacelties. Tas ir tāpēc, ka, jo lielāka ir blīvuma starpība, jo spēcīgāk balons vilksies augšup.
J: Vai karstā vai aukstā dienā gaisa balons var nest lielāku svaru?
A: Karstā gaisa balons var nest lielāku svaru aukstā dienā, jo gaiss balona iekšpusē ir relatīvi karstāks par apkārtējo gaisu, kā rezultātā blīvuma starpība un peldspēja ir lielāka.
