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