Funcionamento de um balão de ar quente
Os balões de ar quente usam princípios simples de física para criar a sensação serena de voo natural. Aprenda neste tópico sobre a flutuabilidade e o controle de balões de ar quente.
Se você realmente precisa chegar a algum lugar, um balão de ar quente é um veículo bastante impraticável. Você não pode realmente orientá-lo, e só viaja tão rápido quanto o vento sopra. Mas se você simplesmente quer aproveitar a experiência de voar, não há nada como isso. Muitas pessoas descrevem voar em um balão de ar quente como uma das atividades mais serenas e agradáveis que já experimentaram.
Balões de ar quente também são uma aplicação engenhosa de princípios científicos básicos. Neste artigo, veremos o que faz esses balões se erguerem 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 aproximadamente 28 gramas. Se você aquecer esse ar em 100 graus F, ele pesa cerca de 7 gramas a menos. Portanto, cada metro 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.
Balões em ascensão
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 uma abertura envelope balão. Quando 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 de cozinha ao ar livre. O propano é armazenado em forma líquida comprimida, em cilindros leves posicionados no cesto do balão. A mangueira de admissão desce até o fundo do cilindro, para que possa extrair o líquido.
Como o propano é altamente comprimido nos cilindros, ele flui rapidamente através das mangueiras para a serpentina de aquecimento. A serpentina de aquecimento é simplesmente um pedaço de tubo de aço disposto em uma bobina ao redor do queimador. Quando o balonista inicia o queimador, o propano flui em forma líquida e é inflamado por um luz piloto. Quando a chama queima, ela aquece o metal na tubulação ao redor. Quando a tubulação fica quente, ela aquece o propano que flui através dela. Isso muda o propano de um líquido para um gás antes de ser inflamado. Este gás contribui para uma chama mais potente e um consumo de combustível mais eficiente.
Na maioria dos modernos balões de ar quente, o envelope é construído de nylon longo gore, reforçada com tecido costurado. Os gomos, que se estendem desde a base do envelope até o coroa, são compostos de um número menor de painéis. O nylon funciona muito bem em balões porque é leve, mas também é bastante resistente e tem uma alta temperatura de fusão. O nylon na base do envelope é revestido com material especial resistente ao fogo, para evitar que a chama incendeie o balão.
O ar quente não escapará do buraco na parte inferior do envelope porque a flutuação o mantém subindo. Se o piloto disparar continuamente os jatos de combustível, o balão continuará subindo. Há um limite de altitude superior, no entanto, uma vez que, eventualmente, o ar fica tão fino 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 superior de altitude superior a um balão menor.
A cesta contém os passageiros, tanques de propano e equipamentos de navegação.
A maioria dos balões de ar quente usa uma cesta de vime para o compartimento de passageiros. O vime funciona muito bem porque é robusto, flexível e relativamente leve. A flexibilidade ajuda com os pousos de balão: em uma cesta feita de material mais rígido, os passageiros sentiriam o peso da força de impacto. Material de vime flexiona um pouco, absorvendo parte da energia.
Pilotar um balão
Para explodir o queimador, o piloto abre a válvula de propano.
Pilotar um balão requer habilidade, mas os controles são realmente muito simples. Para levantar o balão, o piloto move um controle que abre a válvula de propano. Essa alavanca funciona exatamente como os botões de uma churrasqueira a gás ou fogão: conforme você gira, o fluxo de gás aumenta, de modo que a chama aumenta de tamanho. O piloto pode aumentar a velocidade vertical disparando uma chama maior para aquecer o ar mais rapidamente.
Além disso, muitos balões de ar quente têm um controle que abre uma segunda válvula de propano. Esta válvula envia propano através de uma mangueira que ultrapassa as bobinas de aquecimento. Isso permite que o piloto queime propano líquido, em vez de propano na forma de gás. O propano líquido ardente produz uma chama menos eficiente e mais fraca, mas é muito mais silencioso do que a queima de gás. Os pilotos costumam usar essa segunda válvula sobre as fazendas de gado, para evitar assustar os animais.
Balões de ar quente também tem um fio para abrir o válvula de pára-quedas no topo do envelope. Quando o piloto puxa o cabo conectado, algum ar quente pode escapar do envelope, diminuindo a temperatura interna do ar. Isso faz com que o balão diminua sua ascensão. Se o piloto mantiver a válvula aberta por tempo suficiente, o balão afundará.
A válvula de pára-quedas, do interior do balão. Um cordão de Kevlar vai da válvula no topo do balão, até a cesta, passando pelo centro do envelope.
Essencialmente, estes são os únicos controles - calor para fazer o balão subir e desabafar para fazê-lo afundar. Isso levanta uma questão interessante: se os pilotos só podem mover os balões de ar quente para cima e para baixo, como conseguem que o balão vá de um lugar para outro? Como se constata, 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 particular, um piloto sobe e desce ao nível apropriado, e monta com o vento. Como a velocidade do vento geralmente aumenta à medida que você sobe na atmosfera, os pilotos também podem controlar a velocidade horizontal alterando a altitude.
Para manobrar o balão horizontalmente, o piloto sobe ou desce em altitude, captando diferentes correntes de vento.
É claro que mesmo o piloto mais experiente não tem controle completo sobre a trajetória de voo do balão. Normalmente, as condições do vento dão ao piloto poucas opções. Conseqüentemente, você não pode realmente pilotar um balão de ar quente ao longo de um curso exato. E é muito raro você poder pilotar o balão de volta ao seu ponto de partida. Assim, ao contrário de pilotar um avião, a pilotagem por balão de ar quente é largamente improvisada, momento a momento. Por esta razão, alguns membros de uma tripulação de balão de ar quente tem que ficar no chão, seguindo o balão de carro para ver onde ele pousa. Então, eles podem estar lá para recolher os passageiros e equipamentos.
Lançamento e aterragem
Grande parte do trabalho em balão de ar quente ocorre no início e no final do voo, quando a tripulação insufla e esvazia o balão. Para o espectador, este é um show muito mais espetacular do que o voo de balão real.
Uma vez que a tripulação tenha encontrado um ponto de lançamento adequado, eles conectam o sistema de queimadores ao cesto. Em seguida, eles anexam o envelope do balão e começam a colocá-lo no chão.
Uma vez que o envelope é colocado para fora, a tripulação começa a inflá-lo, usando um poderoso ventilador na base do envelope.
Quando há ar suficiente no balão, a tripulação lança a chama do queimador na boca do envelope. Isso aquece o ar, aumentando a pressão até o balão inflar todo o caminho e começar a levantar do chão.
Os tripulantes da terra seguram a cesta até que a tripulação esteja a bordo. A cesta do balão também é anexada ao veículo da tripulação de solo até o último minuto, para que o balão não seja destruído antes de estar pronto para ser lançado. Quando tudo está definido, a equipe de terra libera o balão e o piloto dispara uma chama constante do queimador. Quando o ar esquenta, o balão levanta do chão.-
Surpreendentemente, todo esse processo leva apenas 10 ou 15 minutos. O processo de aterrissagem, combinado com desinflar e re-embalar o envelope do balão, demora um pouco mais.
Quando o piloto está pronto para pousar, ele ou ela discute possíveis locais de pouso com a equipe de terra (via rádio onboard). Eles precisam encontrar um espaço amplo e aberto, onde não haja linhas de energia e muito espaço para colocar o balão. Assim que o balão estiver no ar, o piloto estará constantemente à procura de locais de pouso adequados, caso haja uma emergência.
O pouso do balão pode ser um pouco áspero, mas um piloto experiente vai bater no chão para parar o balão gradualmente, minimizando o impacto. Se a equipe de terra chegar ao local de pouso, ela segurará a cesta assim que aterrissar. Se o balão não estiver em uma boa posição, a tripulação o puxa pelo chão para um lugar melhor.
A equipe de terra fixa uma lona de terra para proteger o balão contra o desgaste. Em seguida, o piloto abre a válvula de pára-quedas todo o caminho, para que o ar possa escapar pela parte superior do balão. A equipe de terra pega uma corda presa ao topo do balão e puxa o envelope para a lona.
Quando o envelope do balão está no chão, a equipe começa a empurrar o ar para fora. Quando o balão é achatado, a tripulação o coloca em um saco de material. Todo esse processo é muito parecido com um saco de dormir gigante.
O piloto libera um piball cheio de hélio para ver o caminho que o vento está soprando.
Antes do lançamento, os pilotos vão chamar um serviço meteorológico para descobrir as condições climáticas e do vento em uma área. Pilotos cautelosos só voam quando o tempo está perto do ideal - quando o céu está limpo e as condições de vento são normais. As tempestades são extremamente perigosas para os balões de ar quente, devido ao perigo de um raio. Até mesmo a chuva é um problema, porque diminui a visibilidade e danifica o material do balão (é claro que não é muito divertido voar no tempo molhado). E enquanto você precisa 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 meteorológico para ter uma ideia aproximada de como o balão viajará e como devem manobrar quando estiverem no ar. Além disso, 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 potencial local de lançamento. Se parece que o vento levaria o balão para o espaço aéreo proibido, a tripulação precisa encontrar um novo ponto de lançamento.
No ar, o piloto usará uma aeronave a bordo altímetro, variômetro e suas próprias observações para encontrar a altitude certa.Alcançar a altitude certa é bastante complicado, porque há pelo menos um atraso de 30 segundos entre o disparo dos queimadores e o levantamento do balão. Os pilotos de balão precisam operar os controles apropriados um pouco antes de quererem subir e desligá-los um pouco antes de querer parar de subir. Pilotos inexperientes geralmente passam por cima, subindo muito alto antes de se nivelarem. A operação controlada vem apenas com muitas horas de experiência em balões.
O piloto carrega vários instrumentos a bordo do balão.
Agora que vimos como um balão de ar quente voa pelo ar, vamos ver as forças que tornam isso possível. Acontece que os balões de ar quente são uma demonstração notável de algumas das forças mais fundamentais da Terra.
Ar: Um fluido de alta pressão
Uma coisa incrível sobre viver na Terra é que estamos constantemente andando em 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. Nesse gás, os átomos e moléculas dos elementos voam livremente, esbarrando uns nos outros e em tudo mais. Quando essas partículas colidem contra um objeto, cada uma delas empurra com uma pequena quantidade de energia. Porque há tantas partículas no ar, essa 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 / cm2!).
A força da pressão do ar depende de duas coisas:
A taxa de colisão de partículas - se mais partículas colidem em um período de tempo, então mais energia é transferida para um objeto.
A força do impacto - se as partículas batem com maior força, mais energia é transferida para um objeto.
Esses fatores são determinados por quantas partículas de ar existem em uma área e quão rápido elas estão se movendo. Se houver mais partículas, ou se elas estiverem viajando mais rapidamente, haverá mais colisões e, portanto, maior pressão. O aumento da velocidade das partículas também aumenta a força do impacto da partícula.
Na maioria das vezes, não percebemos a pressão do ar porque existe ar ao nosso redor. Todas as coisas sendo iguais, as partículas de ar se dispersarão uniformemente em uma área, de modo que haja densidade de ar igual em todos os pontos. Sem quaisquer outras forças no trabalho, isso se traduz na mesma pressão de ar em todos os pontos. Não somos empurrados por essa pressão porque as forças de todos os lados se equilibram. Por exemplo, 14,7 psi é certamente suficiente para derrubar uma cadeira ou esmagá-la de cima, mas como o ar aplica aproximadamente a mesma pressão da direita, esquerda, superior, inferior e todos os outros ângulos, toda força na cadeira é equilibrado por uma força igual indo na direção oposta. A cadeira não sente pressão substancialmente maior de qualquer ângulo particular.
Assim, sem outras forças no trabalho, tudo seria completamente equilibrado em uma massa de ar, com igual pressão de todos os lados. Mas na Terra, existem outras forças a serem consideradas, principalmente a gravidade. Enquanto as partículas de ar são extremamente pequenas, elas têm massa e, portanto, são puxadas para a Terra. Em qualquer nível particular da atmosfera da Terra, essa atração é muito pequena - 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. No geral, no entanto, a gravidade puxa as partículas para baixo, o que causa um aumento gradual da pressão à medida que você se move em direção à superfície da Terra.
Pressão do Ar + Gravidade = Flutuação
Todas as partículas de ar na atmosfera são atraídas pela força descendente da gravidade. Mas a pressão no ar cria uma força ascendente que funciona em oposição à força da gravidade. A densidade do ar aumenta para qualquer nível que equilibre a força da gravidade, porque neste momento a gravidade não é forte o suficiente para derrubar um número maior de partículas.
Este nível de pressão é mais alto à direita da superfície da Terra, porque o ar a este nível está suportando o peso de todo o ar acima dele - mais peso acima significa uma força gravitacional para baixo maior. À medida que você sobe pelos níveis da atmosfera, o ar tem menos massa de ar acima dela, e assim a pressão de equilíbrio diminui. É por isso que a pressão cai quando você sobe em altitude.
Essa diferença na pressão do ar causa uma força de flutuação 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 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, a maior parte de qualquer objeto sólido será mais pesado do que o ar que ele desloca, de modo que a força de flutuação não o move de forma alguma. A força de flutuação só pode mover coisas que são mais leves que o ar ao redor delas.
Para que a flutuabilidade empurre algo no ar, a coisa tem que ser mais leve do que um volume igual do ar ao seu redor. A coisa mais óbvia que é mais leve que o ar é nada. Um vácuo pode ter volume, mas não tem massa, e assim, parece, um balão com um vácuo no interior deve ser levantado pela flutuação do ar ao seu redor. Isso não funciona, no entanto, devido à força da pressão do ar ao redor. A pressão do ar não esmaga um balão inflado, porque o ar dentro do balão empurra com a mesma força que o ar externo empurra para dentro. O vácuo, por outro lado, não tem pressão para fora, já que não tem partículas. saltando contra qualquer coisa. Sem igual pressão equilibrando-se, a pressão do ar externo irá facilmente esmagar o balão. E qualquer recipiente forte o suficiente para aguentar a pressão do ar na superfície da Terra será muito pesado para ser levantado pela força de empuxo.
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, ele seria mais leve do que o ar que estava sendo deslocado, de modo que a força de empuxo levantaria o balão para cima. Mas, novamente, menos partículas de ar por volume significa pressão de ar mais baixa, de modo que a pressão do ar circundante apertaria o balão até que a densidade interna do ar fosse igual à densidade do ar do lado de fora.
Há menos partículas de ar por unidade de volume dentro do balão, mas como essas partículas estão se movendo mais rápido, a pressão interna e externa do ar são as mesmas.
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, mantendo a pressão do ar igual. Como vimos na última seção, a força da pressão do ar em um objeto depende da frequência com que as partículas do ar colidem com esse objeto, bem como da força de cada colisão. Vimos que podemos aumentar a pressão geral de duas maneiras:
Aumente o número de partículas de ar para que haja um maior número de impactos de partículas sobre uma determinada área de superfície.
Aumente a velocidade das partículas para que as partículas atinjam uma área com mais frequência e cada partícula colida com maior força.
Portanto, para diminuir a densidade do ar em um balão sem perder a pressão do ar, basta aumentar a velocidade das partículas de ar. Você pode fazer isso com muita facilidade aquecendo o ar. As partículas de ar absorvem a energia térmica e se tornam mais excitadas. Isso faz com que eles se movam mais rápido, o que significa que eles colidem com uma superfície com mais frequência e com maior força.
Por essa razão, o ar quente exerce uma pressão de ar maior por partícula do que o ar frio, de modo que você não precisa de tantas partículas de ar para construir o mesmo nível de pressão. Assim, um balão de ar quente sobe porque é preenchido com ar quente, menos denso e é cercado por ar mais frio e denso.
História de Balonismo
A ideia básica por trás de balões de ar quente existe há muito tempo. Archemedes, um dos maiores matemáticos da Grécia Antiga, descobriu a princípio da flutuabilidade mais de 2.000 anos atrás, e pode ter concebido máquinas voadoras levantadas pela força. No século XIII, o cientista inglês Roger Bacon e o filósofo alemão Albertus Magnus propuseram máquinas voadoras hipotéticas baseadas no princípio.
Mas nada saiu do chão 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, trabalhavam para a prestigiosa empresa de papel de sua família. Como um projeto paralelo, eles começaram a experimentar vasos de papel elevados pelo ar aquecido. Ao longo de alguns anos, eles desenvolveram um balão de ar quente muito similar em design aos usados hoje. Mas em vez de usar propano, eles acionaram seu modelo queimando palha, estrume e outros materiais em uma fogueira anexada.
As ovelhas, os patos e as galinhas tornaram-se os primeiros passageiros do balão em 19 de setembro de 1783, no primeiro vôo de demonstração do rei Luís XVI pelos Montgolfiers. Todos eles sobreviveram à viagem, dando ao rei alguma garantia de que os seres humanos poderiam respirar a atmosfera na elevação mais alta. Dois meses depois, o marquês François d'Arlandes, major da infantaria, e Pilatre de Rozier, professor de física, tornaram-se os primeiros seres humanos a voar.
Outros desenhos de balões de ar quente e voos ambiciosos se seguiram, mas em 1800, o balão de ar quente tinha sido em grande parte ofuscado por balões a gás. Um fator nesse declínio de popularidade foi a morte de Pilatre de Rozier em uma tentativa de fuga sobre o Canal da Mancha. O novo balão que ele construiu para o voo incluía um balão de hidrogênio menor, além do envelope do balão de ar quente. O fogo acendeu o hidrogênio no início do voo e todo o balão explodiu em chamas.
Mas a principal razão pela qual os balões de ar quente caíram de moda foi o novo balão de gás dirigível os projetos eram superiores de várias maneiras - principalmente, eles tinham tempos de voo mais longos e podiam ser dirigidos.
Outro tipo de balão popular foi o balão de fumaça. Estes balões foram levantados por um incêndio no chão e não tinham nenhuma fonte de calor anexada. Eles simplesmente subiram no ar e afundaram de volta no chão. Seu principal uso foi como uma atração em feiras itinerantes nos Estados Unidos no final de 1800 e início de 1900. O balonista colocava um paraquedas e se ligava a um balão de lona. Então, vários assistentes seguravam o balão sobre uma fogueira, deixando o ar mais quente e mais quente, aumentando assim a força para cima. Quando a força era grande o suficiente - e se o balão não tivesse pegado fogo - os assistentes soltariam e o balonista seria lançado no ar. Quando o balão atingisse seu ponto mais alto, o balonista se soltaria e cairia no chão.
Desde a década de 1960, os tradicionais balões de ar quente tiveram um renascimento, em parte devido a um homem chamado Ed Yost e sua empresa, Raven Industries. Yost e seus sócios fundaram a Raven Industries em 1956 para projetar e construir balões de ar quente para o Escritório de Pesquisa Naval (ONR) da Marinha dos Estados Unidos. O ONR queria os balões para o transporte de curto alcance de pequenas cargas. Yost e sua equipe adotaram o conceito básico do balão dos irmãos Montgolfier e o expandiram, adicionando o sistema de queimadores de propano, novos materiais de envelope, um novo sistema de inflação e muitos recursos de segurança importantes.
Eles também vieram com a forma de envelope moderna, estilo lâmpada. Yost primeiro projetou grandes balões esféricos.Esses balões funcionavam bem, mas tinham um padrão de inflação estranho: quando o ar era aquecido, o topo do balão se enchia, mas o fundo ficava insuflado. Para eficiência, Yost acabou de se livrar do tecido extra na parte inferior, desenvolvendo a 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 em balões. Ao longo dos anos, os designers continuaram a modificar os balões de ar quente, adicionando novos materiais e recursos de segurança, além de desenvolver formas criativas de envelopes. Alguns fabricantes também aumentaram o tamanho da cesta e a capacidade de carga, construindo balões que comportam até 20 passageiros!
Mas o design básico ainda é a versão modificada de Yost do conceito original dos irmãos Montgolfier. Esta notável tecnologia tem encantado as pessoas em todo o mundo. Passeios de balão são um negócio multimilionário, e as corridas de balões e outros eventos continuam atraindo multidões de espectadores e participantes. Até se tornou moda (entre bilionários) construir balões de alta tecnologia para viagens ao redor do mundo. Isso realmente diz muito sobre os balões de ar quente que eles ainda são tão populares, mesmo na era dos aviões a jato, helicópteros e ônibus espaciais.
Para mais informações sobre balões de ar quente e assuntos relacionados, confira os links na próxima página.
Soprando no vento
Então, como é andar num balão de ar quente? É uma experiência extraordinariamente serena e pacífica. Como o balão se move com o vento, você não sente nenhuma brisa. Sem os ventos que normalmente associamos a altas altitudes, a experiência de voar parece muito segura e calma - você simplesmente levanta do chão e se move com o ar na atmosfera.
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