Você verá algumas vistas inspiradoras se voar em um balão de ar. Se você realmente precisa chegar a algum lugar, um balão de ar quente é um veículo bastante impraticável. Você não pode realmente dirigi-lo, e ele só viaja tão rápido quanto o vento sopra. Mas se você quiser simplesmente aproveitar a experiência de voar, não há nada igual. Muitas pessoas descrevem voar em um balão de ar quente como um dos mais serenos, atividades divertidas que eles já experimentaram.
Os balões de ar quente também são uma aplicação engenhosa dos princípios científicos básicos. Neste artigo, vamos ver o que faz esses balões subirem no ar, e também descobriremos como o design do balão permite que o piloto controle a altitude e a velocidade vertical. Você ficará surpreso com a bela simplicidade dessas primeiras máquinas voadoras.
Os balões de ar quente são baseados em um princípio científico muito básico:o ar mais quente sobe no ar mais frio. Essencialmente, o ar quente é mais leve que o ar frio, porque tem menos massa por unidade de volume. Um pé cúbico de ar pesa cerca de 28 gramas (cerca de uma onça). Se você aquecer o ar em 100 graus F, pesa cerca de 7 gramas a menos. Portanto, cada pé cúbico de ar contido em um balão de ar quente pode levantar cerca de 7 gramas. Isso não é muito, e é por isso que os balões de ar quente são tão grandes - para levantar 1, 000 libras, você precisa de cerca de 65, 000 pés cúbicos de ar quente.
Na próxima seção, veremos os diferentes componentes dos balões de ar quente para descobrir como eles aquecem o ar.
Conteúdo
Um balão de ar quente tem três partes essenciais:o queimador, que aquece o ar; o envelope do balão, que segura o ar; e a cesta, que transporta os passageiros. Para manter o balão subindo, você precisa de uma maneira de reaquecer o ar. Balões de ar quente fazem isso com um queimador posicionado sob um aberto envelope de balão . Conforme o ar no balão esfria, o piloto pode reaquecê-lo acendendo o queimador.
Balões de ar quente modernos aquecem o ar queimando propano , a mesma substância comumente usada em churrasqueiras para cozinhar ao ar livre. O propano é armazenado na forma líquida comprimida, em cilindros leves posicionados na cesta do balão. A mangueira de entrada desce até o fundo do cilindro, para que possa retirar o líquido.
Como o propano é altamente comprimido nos cilindros, ele flui rapidamente através das mangueiras para a serpentina de aquecimento. A bobina de aquecimento é simplesmente um pedaço de tubo de aço disposto em uma bobina ao redor do queimador. Quando o balonista liga o queimador, o propano flui na forma líquida e é inflamado por um luz piloto . Enquanto a chama queima, ele aquece o metal na tubulação ao redor. Quando a tubulação fica quente, ele aquece o propano que flui através dele. Isso muda o propano de líquido para gás, antes de ser aceso. Este gás proporciona uma chama mais potente e um consumo de combustível mais eficiente.
Na maioria dos balões de ar quente modernos, o envelope é feito de náilon comprido gores , reforçado com tecido costurado. Os gores, que se estendem desde a base do envelope até o coroa , são formados por uma série de menores painéis . O nylon funciona muito bem em balões porque é leve, mas também é bastante robusto e tem uma alta temperatura de fusão. o saia , o náilon na base do envelope, é revestido com material resistente ao fogo especial, para evitar que a chama acenda o balão.
A cesta segura os passageiros, tanques de propano e equipamentos de navegação. O ar quente não escapará do orifício na parte inferior do envelope porque a flutuabilidade o mantém se movendo para cima. Se o piloto disparar continuamente os jatos de combustível, o balão continuará subindo. Existe um limite superior de altitude, Contudo, já que, eventualmente, o ar se torna tão rarefeito que a força de empuxo é muito fraca para levantar o balão. A força de empuxo é igual ao peso do ar deslocado pelo balão, portanto, um envelope de balão maior geralmente terá um limite de altitude superior mais alto do que um balão menor.
A maioria dos balões de ar quente usa uma cesta de vime para o compartimento de passageiros. O vime funciona muito bem porque é resistente, flexível e relativamente leve. A flexibilidade ajuda na aterrissagem do balão:em uma cesta feita de material mais rígido, os passageiros sentiriam o impacto da força de impacto. O material de vime flexiona um pouco, absorvendo parte da energia.
Para explodir o queimador, o piloto abre a válvula de propano. Pilotar um balão exige habilidade, mas os controles são realmente muito simples. Para levantar o balão, o piloto move um controle que abre a válvula de propano. Esta alavanca funciona como os botões de uma churrasqueira a gás ou fogão:conforme você gira, o fluxo de gás aumenta, então a chama aumenta de tamanho. O piloto pode aumentar a velocidade vertical explodindo uma chama maior para aquecer o ar mais rapidamente.
Adicionalmente, muitos balões de ar quente têm um controle que abre uma segunda válvula de propano. Essa válvula envia propano por meio de uma mangueira que desvia das serpentinas de aquecimento. Isso permite que o piloto queime o propano líquido, em vez de propano na forma de gás. A queima de propano líquido produz um produto menos eficiente, chama mais fraca, mas é muito mais silencioso do que queimar gás. Os pilotos costumam usar esta segunda válvula em fazendas de gado, para não assustar os animais.
A válvula de paraquedas, de dentro do balão. Um cordão de Kevlar sai da válvula na parte superior do balão, até a cesta, através do centro do envelope. Os balões de ar quente também têm um cabo para abrir o válvula de paraquedas no topo do envelope. Quando o piloto puxa o cabo conectado, algum ar quente pode escapar do envelope, diminuindo a temperatura do ar interno. Isso faz com que o balão diminua sua subida. Se o piloto mantiver a válvula aberta por tempo suficiente, o balão vai afundar.
Essencialmente, esses são os únicos controles - o calor para fazer o balão subir e a ventilação para fazê-lo afundar. Isso levanta uma questão interessante:se os pilotos só podem mover balões de ar quente para cima e para baixo, como eles levam o balão de um lugar para outro? Acontece que os pilotos podem manobrar horizontalmente, mudando sua posição vertical, porque o vento sopra em diferentes direções em diferentes altitudes. Para se mover em uma direção específica, um piloto sobe e desce até o nível apropriado, e cavalga com o vento. Uma vez que a velocidade do vento geralmente aumenta à medida que você sobe na atmosfera, os pilotos também podem controlar a velocidade horizontal alterando a altitude.
Claro, mesmo o piloto mais experiente não tem controle total sobre a trajetória de vôo do balão. Usualmente, as condições do vento dão ao piloto poucas opções. Consequentemente, você realmente não pode pilotar um balão de ar quente ao longo de um curso exato. E é muito raro você conseguir pilotar o balão de volta ao ponto de partida. Então, ao contrário de pilotar um avião, a pilotagem de balões de ar quente é amplamente improvisada, momento a momento. Por esta razão, alguns membros da tripulação de um balão de ar quente precisam permanecer no solo, seguir o balão de carro para ver onde ele pousa. Então, eles podem estar lá para recolher os passageiros e equipamentos.
Muito do trabalho no balão de ar quente vem no início e no final do vôo, quando a tripulação infla e esvazia o balão. Para o espectador, este é um show muito mais espetacular do que o vôo real de balão.
Assim que a tripulação encontrar um ponto de lançamento adequado, eles prendem o sistema de queimador à cesta. Em seguida, eles colocam o envelope do balão e começam a colocá-lo no chão.
Assim que o envelope estiver pronto, a tripulação começa a inflá-lo, usando um poderoso leque na base do envelope.
Quando há ar suficiente no balão, a tripulação explode a chama do queimador na boca do envelope. Isso aquece o ar, aumentar a pressão até que o balão infle totalmente e comece a se levantar do chão.
Os membros da equipe de solo seguram a cesta até que a equipe de lançamento esteja a bordo. A cesta do balão também é fixada ao veículo da equipe de solo até o último minuto, para que o balão não voe antes de estar pronto para o lançamento. Quando tudo estiver pronto, a equipe de solo solta o balão e o piloto dispara uma chama constante do queimador. À medida que o ar esquenta, o balão sai do chão.
Surpreendentemente, todo esse processo leva apenas 10 ou 15 minutos. O processo de pouso, combinado com esvaziar e reembalar o envelope do balão, demora um pouco mais.
Quando o piloto estiver pronto para pousar, ele discute os possíveis locais de pouso com a equipe de solo (por meio de um rádio a bordo). Eles precisam encontrar um amplo espaço aberto, onde não há linhas de energia e muito espaço para colocar o balão. Assim que o balão estiver no ar, o piloto está constantemente procurando por locais de pouso adequados, no caso de haver uma emergência.
O pouso do balão pode ser um pouco difícil, mas um piloto experiente irá esbarrar no solo para parar o balão gradualmente, minimizando o impacto. Se a equipe de terra chegou ao local de pouso, eles vão segurar a cesta assim que pousar. Se o balão não estiver em uma boa posição, a tripulação o puxa ao longo do solo para um local melhor.
A equipe de solo prepara uma lona de solo, para proteger o balão do desgaste. Em seguida, o piloto abre a válvula do paraquedas totalmente, para que o ar possa escapar pela parte superior do balão. A equipe de solo agarra uma corda presa ao topo do balão, e puxa o envelope para a lona.
Assim que o envelope do balão estiver no chão, a tripulação começa a empurrar o ar para fora. Quando o balão é achatado, a tripulação o embala em um saco de coisas. Todo esse processo é muito parecido com empacotar um saco de dormir gigante.
Agradecimentos especiaisAgradecimentos especiais a CargoLifter por nos ajudar com este artigo.
O piloto libera um pibala cheio de hélio para veja para que lado o vento está soprando. Antes do lançamento, os pilotos irão ligar para um serviço de meteorologia para saber mais sobre o clima e as condições do vento em uma área. Pilotos cautelosos só voam quando o tempo está próximo do ideal - quando o céu está claro e as condições do vento são normais. Tempestades são extremamente perigosas para balões de ar quente, por causa do perigo de um raio. Até a chuva é um problema, porque diminui a visibilidade e danifica o material do balão (é claro, não é muito divertido voar por aí com tempo chuvoso). E embora você precise de uma boa corrente de vento para ter um bom vôo, ventos muito fortes podem facilmente destruir o balão.
Os pilotos também ligam para o serviço de meteorologia para ter uma ideia aproximada de como o balão irá viajar, e como eles devem manobrar quando estiverem no ar. Adicionalmente, um piloto pode enviar um Piball (abreviação de balão piloto). Um piball é apenas um balão cheio de hélio que o piloto libera para ver a direção exata do vento em um possível local de lançamento. Se parecer que o vento levaria o balão para um espaço aéreo proibido, a tripulação precisa encontrar um novo local de lançamento.
O piloto carrega vários instrumentos a bordo do balão. No ar, o piloto usará um a bordo altímetro , variômetro e suas próprias observações para encontrar a altitude certa. Alcançar a altitude certa é bastante complicado porque há um atraso de pelo menos 30 segundos entre explodir os queimadores e o balão realmente levantar. Os pilotos de balão precisam operar os controles apropriados um pouco antes de quererem subir, e desligue-os um pouco antes que parem de subir. Pilotos inexperientes costumam ultrapassar, subindo muito alto antes de nivelar. A operação controlada vem apenas com muitas horas de experiência em balonismo.
Agora que vimos como um balão de ar quente voa pelo ar, vamos dar uma olhada nas forças que tornam isso possível. Acontece que Os balões de ar quente são uma demonstração notável de algumas das forças mais fundamentais da Terra.
Uma coisa incrível sobre viver na Terra é que estamos constantemente andando em um ambiente de alta pressão fluido - uma substância com massa e sem forma. O ar ao nosso redor é composto de vários elementos diferentes em um estado gasoso. Neste gás, os átomos e moléculas dos elementos voam livremente, esbarrando uns nos outros e em tudo o mais. À medida que essas partículas colidem contra um objeto, cada um deles empurra com uma pequena quantidade de energia. Porque existem tantas partículas no ar, esta energia se soma a um considerável pressão nível (ao nível do mar, cerca de 14,7 libras de pressão por polegada quadrada (psi), ou 1 kg por centímetro quadrado (kg / cm 2 !).
A força da pressão do ar depende de duas coisas:
Esses fatores são determinados por quantas partículas de ar existem em uma área e quão rápido elas se movem. Se houver mais partículas, ou se estiverem viajando mais rapidamente, haverá mais colisões, e, portanto, maior pressão. O aumento da velocidade da partícula também aumenta a força do impacto da partícula.
Na maioria das vezes, não notamos a pressão do ar porque há ar ao nosso redor. Todas as coisas sendo iguais, as partículas de ar se dispersarão uniformemente em uma área, de modo que haja uma densidade de ar igual em todos os pontos. Sem quaisquer outras forças em ação, isso se traduz na mesma pressão de ar em todos os pontos. Não somos empurrados por essa pressão porque as forças em todos os lados de nós se equilibram. Por exemplo, 14,7 psi é certamente o suficiente para derrubar uma cadeira, ou esmague-o do topo, mas porque o ar aplica aproximadamente a mesma pressão da direita, deixou, principal, inferior e todos os outros ângulos, toda força na cadeira é equilibrada por uma força igual indo na direção oposta. A cadeira não sente uma pressão substancialmente maior de nenhum ângulo específico.
Então, sem outras forças em ação, tudo estaria completamente equilibrado em uma massa de ar, com igual pressão de todos os lados. Mas na Terra, existem outras forças a serem consideradas, principalmente gravidade. Embora as partículas de ar sejam extremamente pequenas, eles têm massa, e então eles são puxados em direção à Terra. Em qualquer nível particular da atmosfera da Terra, essa atração é muito leve - as partículas de ar parecem se mover em linhas retas, sem cair visivelmente em direção ao solo. Então, a pressão é bastante equilibrada em pequena escala. Geral, Contudo, a gravidade puxa as partículas para baixo, o que causa um aumento gradual na pressão conforme você se move em direção à superfície da Terra.
Na próxima seção, vamos explorar como isso funciona.
Todas as partículas de ar na atmosfera são atraídas pela força da gravidade para baixo. Mas a pressão no ar cria uma força ascendente que trabalha na direção oposta à atração da gravidade. A densidade do ar aumenta para qualquer nível que equilibre a força da gravidade, porque neste ponto a gravidade não é forte o suficiente para puxar para baixo um número maior de partículas.
Este nível de pressão é mais alto na superfície da Terra porque o ar neste nível está suportando o peso de todo o ar acima dele - mais peso acima significa uma maior força gravitacional para baixo. Conforme você sobe pelos níveis da atmosfera, o ar tem menos massa de ar acima dele, e assim a pressão de equilíbrio diminui. É por isso que a pressão cai conforme você aumenta de altitude.
Essa diferença na pressão do ar causa uma força de empuxo ascendente no ar ao nosso redor. Essencialmente, a pressão do ar é maior abaixo das coisas do que acima das coisas, então o ar empurra para cima mais do que empurra para baixo. Mas essa força de empuxo é fraca em comparação com a força da gravidade - é tão forte quanto o peso do ar deslocado por um objeto. Obviamente, quase qualquer objeto sólido vai ser mais pesado do que o ar que desloca, então a força de empuxo não o move. A força de empuxo só pode mover coisas que são mais leves do que o ar ao seu redor.
Para que a flutuabilidade empurre algo no ar, a coisa tem que ser mais leve do que um volume igual de ar ao seu redor. A coisa mais óbvia que é mais leve que o ar não é nada. Um vácuo pode ter volume, mas não tem massa, e entao, ao que parece, um balão com vácuo dentro deve ser levantado pela flutuabilidade do ar ao seu redor. Isso não funciona, Contudo, por causa da força da pressão do ar circundante. A pressão do ar não esmaga um balão inflado, porque o ar dentro do balão empurra para fora com a mesma força que o ar externo empurra para dentro. Um vácuo, por outro lado, não tem nenhuma pressão externa, uma vez que não tem partículas quicando contra nada. Sem pressão igual equilibrando-o, a pressão do ar externo esmagará facilmente o balão. E qualquer recipiente forte o suficiente para suportar a pressão do ar na superfície da terra será muito pesado para ser levantado pela força de flutuação.
Outra opção seria encher o balão com ar menos denso que o ar circundante. Como o ar no balão tem menos massa por unidade de volume do que o ar na atmosfera, seria mais leve do que o ar que estava deslocando, então a força de empuxo levantaria o balão. Mas novamente, menos partículas de ar por volume significa menor pressão de ar, assim, a pressão do ar circundante comprimiria o balão até que a densidade do ar dentro fosse igual à densidade do ar externo.
Existem menos partículas de ar por unidade de volume dentro do balão, mas porque essas partículas estão se movendo mais rápido, a pressão do ar interna e externa são iguais. Tudo isso pressupõe que o ar no balão e o ar fora do balão existam exatamente nas mesmas condições. Se mudarmos as condições do ar dentro do balão, podemos diminuir a densidade, enquanto mantém a mesma pressão de ar. Como vimos na última seção, a força da pressão do ar em um objeto depende da frequência com que as partículas de ar colidem com aquele objeto, bem como a força de cada colisão. Vimos que podemos aumentar a pressão geral de duas maneiras:
Então, para diminuir a densidade do ar em um balão sem perder a pressão do ar, você simplesmente precisa aumentar a velocidade das partículas de ar. Você pode fazer isso facilmente aquecendo o ar. As partículas de ar absorvem a energia térmica e ficam mais excitadas. Isso os torna mais rápidos, o que significa que eles colidem com uma superfície com mais frequência, e com maior força.
Por esta razão, o ar quente exerce maior pressão de ar por partícula do que o ar frio, então você não precisa de tantas partículas de ar para atingir o mesmo nível de pressão. Então, um balão de ar quente sobe porque está cheio de água quente, ar menos denso e rodeado de mais frio, ar mais denso.
A ideia básica por trás dos balões de ar quente já existe há muito tempo. Archemedes, um dos maiores matemáticos da Grécia Antiga, descobri o princípio de flutuabilidade mais de 2, 000 anos atrás, e pode ter concebido máquinas voadoras levantadas pela força. No século 13, o cientista inglês Roger Bacon e o filósofo alemão Albertus Magnus propuseram máquinas voadoras hipotéticas com base no princípio.
Mas nada realmente decolou até o verão de 1783, quando os irmãos Montgolfier enviaram uma ovelha, um pato e uma galinha em um vôo de oito minutos sobre a França. Os dois irmãos, Joseph e Etienne, trabalhou para a prestigiosa empresa de papel de sua família. Como um projeto paralelo, eles começaram a fazer experiências com recipientes de papel elevados por ar aquecido. Ao longo de alguns anos, eles desenvolveram um balão de ar quente muito semelhante aos usados hoje. Mas em vez de usar propano, eles acionaram seu modelo queimando palha, esterco e outros materiais em uma fogueira anexa.
As ovelhas, pato e frango se tornaram os primeiros passageiros do balão em 19 de setembro, 1783, no primeiro vôo de demonstração dos Montgolfiers para o rei Luís XVI. Todos eles sobreviveram à viagem, dando ao rei alguma garantia de que os seres humanos poderiam respirar a atmosfera nas altitudes mais elevadas. Dois meses depois, o Marquês François d'Arlandes, um major na infantaria, e Pilatre de Rozier, um professor de física, tornou-se o primeiro ser humano a voar.
Outros projetos de balões de ar quente e voos ambiciosos se seguiram, mas por volta de 1800, o balão de ar quente foi em grande parte ofuscado por balões de gás. Um fator neste declínio de popularidade foi a morte de Pilatre de Rozier em uma tentativa de vôo sobre o Canal da Mancha. O novo balão que ele construiu para o vôo incluía um balão menor de hidrogênio, além do envelope do balão de ar quente. O fogo acendeu o hidrogênio no início do vôo, e todo o balão explodiu em chamas.
Mas o principal motivo de os balões de ar quente terem saído de moda foi o novo balão de gás dirigível designs eram superiores em uma série de maneiras - principalmente, eles tinham tempos de vôo mais longos e podiam ser manobrados.
Outro tipo de balão popular era o balão de fumaça . Esses balões foram levantados por um incêndio no solo, e não tinha nenhuma fonte de calor anexada. Eles simplesmente dispararam no ar, e então afundou de volta no chão. Seu principal uso era como atração em feiras itinerantes nos Estados Unidos no final dos anos 1800 e no início dos anos 1900. O balonista colocava um pára-quedas e se prendia a um balão de lona. Então, vários assistentes seguravam o balão sobre uma fogueira, tornando o ar cada vez mais quente, e assim aumentando a força ascendente. Quando a força fosse grande o suficiente - e se o balão não tivesse pegado fogo - os assistentes soltavam e o balonista era lançado ao ar. Quando o balão atingiu seu ponto mais alto, o balonista se desprenderia e cairia de pára-quedas no chão.
Desde 1960, balões de ar quente tradicionais passaram por um renascimento, devido em parte a um homem chamado Ed Yost e sua empresa, Indústrias Raven. Yost e seus parceiros fundaram a Raven Industries em 1956 para projetar e construir balões de ar quente para o Escritório de Pesquisa Naval da Marinha dos Estados Unidos (ONR). O ONR queria os balões para o transporte de curta distância de pequenas cargas. Yost e sua equipe pegaram o conceito básico do balão dos irmãos Montgolfier e o expandiram, adicionar o sistema de queimador de propano, novo material de envelope, um novo sistema de inflação e muitos recursos de segurança importantes.
Eles também criaram o moderno, formato de envelope tipo lâmpada. Você primeiro projetou grande, balões esféricos. Esses balões funcionaram bem, mas tinha um padrão de inflação estranho:quando o ar era aquecido, a parte superior do balão se encheu, mas o fundo continuou subinflado. Para eficiência, Você acabou de se livrar do tecido extra na parte inferior, desenvolver a conhecida forma de balão "natural" que vemos hoje.
No início dos anos 1960, o ONR havia perdido o interesse em balões de ar quente, então Yost começou a vender seus balões como equipamento esportivo. Outras empresas logo surgiram, à medida que mais e mais pessoas se envolviam no balonismo. Ao longo dos anos, designers continuaram a modificar balões de ar quente, adicionar novos materiais e recursos de segurança, bem como desenvolver formas de envelope criativas. Alguns fabricantes também aumentaram o tamanho da cesta e a capacidade de carga, construindo balões com capacidade para até 20 passageiros!
Mas o design básico ainda é a versão modificada de Yost do conceito original dos irmãos Montgolfier. Esta tecnologia notável cativou pessoas em todo o mundo. Os passeios de balão são um negócio multimilionário, e as corridas de balão e outros eventos continuam a atrair multidões de espectadores e participantes. Está até na moda (entre os bilionários) construir balões de alta tecnologia para viagens ao redor do mundo. Diz muito sobre os balões de ar quente que ainda são tão populares, mesmo na era dos aviões a jato, helicópteros e ônibus espaciais.
Para obter mais informações sobre balões de ar quente e tópicos relacionados, confira os links a seguir.
Soprando no ventoEntão, como é andar de balão de ar quente? É um ambiente extremamente sereno, experiência pacífica. Como o balão se move com o vento, você não sente nenhuma brisa. Sem os ventos fortes que você normalmente associa a grandes altitudes, a experiência de voar parece muito segura e calmante - você simplesmente levanta do chão e se move com o ar na atmosfera.
Originalmente publicado:16 de fevereiro de 2001
