Waarom spreken we bij ballonvaren over vàren en niet over vliegen?
En hoe komt het dat een luchtballon opstijgt zonder enige vorm van aandrijving?
door onze piloot Gert-Jan Masselink
Om deze vragen te kunnen beantwoorden moeten we terug naar het jaar 250 voor Christus, namelijk de tijd waarin de grootste wiskundige aller tijden Archimedes leefde. Toen Archimedes een keer in bad zat vroeg hij zich af hoe het kwam dat hij in het bad lichter was dan ernaast? Archimedes ontdekte dat de opwaartse kracht op een object (hijzelf) in een gas of in een vloeistof even groot is als het gewicht van het verplaatste gas of vloeistof....
Archimedes in bad krijgt een goed idee
In begrijpelijk Nederlands...
Wanneer je een opgeblazen bal in het zwembad onder water houdt dan voel je onmiskenbaar de opwaartse kracht. De bal wil immers naar boven en het kost zelfs veel spierkracht om de bal onder water te houden. Hoe groter deze bal is, hoe groter de opwaartse kracht. Stel je nou eens voor dat de bal niet een ronde vorm, maar de vorm van een kubus heeft, dit maakt het voorbeeld iets gemakkelijker. We halen nu de 'kubusbal' uit het water en zetten deze op de kant. Hier staat een precies dezelfde kubus, kubus 2 genaamd. Kubus 2 wordt nu gevuld met het water uit het zwembad. Je kunt je voorstellen dat de kubus met alleen maar lucht erin veel lichter is dan de kubus gevuld met zwembadwater. Plaatsen we nu de beide kubussen terug in het zwembad dan verliest kubus 2 zijn opwaartse kracht omdat hij even zwaar is als de verplaatste vloeistof, als het water om hem heen.
Welnu, de opwaartse kracht van de met lucht gevulde kubus is dus even groot als het gewicht van het verplaatste zwembadwater. Dit verschil in gewicht tussen kubus 1 en het zwembadwater is groot, waarmee de opwaartse kracht ook groot is. Maar bij kubus 2 is het verplaatste water even zwaar als het gewicht van kubus 2, dat is namelijk de 'hap' water die 'verplaatst' is in het zwembad, en daarom zal kubus 2 geen opwaartse kracht meer ervaren. Omdat het gewicht van de met lucht gevulde kubus veel lichter is dan de met water gevulde kubus is de opwaartse kracht hiervan dus groter. Vervangen we de lucht van kubus 1 nu bijvoorbeeld door hout, dan is het verschil in gewicht ten opzichte van het zwembadwater alweer wat minder (de dichtheid van hout is hoger dan van lucht, maar niet zo hoog als dat van water) en is de opwaartse kracht ook minder. Vervangen we het hout nu voor lood (de dichtheid van lood is groter dan die van water) en we plaatsen de kubus terug in het zwembadwater, dan is er zelfs sprake van een neerwaartse kracht, met andere woorden de kubus zinkt.
Een boot vaart op het water, omdat het gewicht van de boot lager is dan het gewicht van het verplaatste water (de 'hap' water die even weg is omdat het plaats moet maken voor de boot)
Nu een luchtballon
Koude lucht is zwaarder dan warme lucht. Hete lucht stijgt dus op. Kijk 's winters maar eens boven je verwarming, of op een warme zomerdag vlak boven het asfalt op de snelweg.
Volgens de wet van Archimedes maakt het bij opwaartse- en neerwaartse kracht niet uit of je van vloeistof (water) of gas (buitenlucht) gebruik maakt. Welnu, wanneer het totale gewicht van een heteluchtballon inclusief mand, passagiers en gasflessen door opwarming lichter wordt dan de koude omgevingslucht, dan stijgt deze op. Het moment van opstijgen is wanneer het totale gewicht door opwarming van de ballon onder het gewicht van de omgevingslucht 'kruipt'. Als een ballon 'level hangt', dus niet stijgt of daalt, is het totale gewicht ervan even groot als het totale gewicht van de verplaatste buitenlucht. Wanneer de luchtballon verder verwarmd wordt wordt haar totaalgewicht lichter dan de omgevingslucht en zal ze stijgen. Door afkoeling wordt de luchtballon weer zwaarder (met al zijn passagiers en materiaal) dan de omgevingslucht en zal ze dalen. Nu begrijp je waarschijnlijk ook waarom een luchtballon zo groot is? Om het totale gewicht van de passagiers en het materiaal te compenseren.
Concluderend kun je zeggen dat een luchtballon geen aandrijving nodig heeft, maar ópstijgt door zijn gewicht lichter te maken dan het gewicht van de koude omgevingslucht. We noemen ballonvaren dan ook 'lichter-dan-lucht-vliegen'.
Hoewel de omgevingslucht, waar de luchtballon zich in bevindt, voor het menselijk oog niet zichtbaar is is het principe precies hetzelfde als bij het varen van een boot in een vloeistof (water). Het verschil is dat dit water voor het menselijk oog wèl zichtbaar is. We varen dus met een luchtballon op de koudere omgevingslucht. Een vliegtuig echter vliegt vanwege de luchtstroming over zijn vleugelprofiel. Dit zorgt voor een drukverschil ('lift') op de bovenkant van de vleugel, en is daarmee een volstrekt ander principe.
Over de vraag hoe het nou komt dat een luchtballon bij hèèt weer aanzienlijk minder gewicht mee kan nemen dan bij kòud weer gaat ons volgende artikel.