Het ziet er indrukwekkend uit, een opstijgende luchtballon: een gevaarte van zo´n 50 bij 30 meter vliegt, zonder dat er een motor in zit, zo tegen de zwaartekracht in omhoog. Wat zorgt ervoor dat zo’n groot ding de lucht in gaat? En hoe stuur je met een luchtballon?
Drijven op de atmosfeer
Figuur 1: een luchtballon van de binnenkant. Kijk hoe klein het mannetje is vergeleken met de luchtballon!
Dat een luchtballon opstijgt, heeft te maken met het verschil van de dichtheid van de lucht in de ballon en de dichtheid van de lucht eromheen (de atmosfeer). Met de dichtheid van een stof wordt het gewicht ervan per volume-eenheid bedoeld; het aantal kilogram stof per kubieke meter. Als de dichtheid van de lucht in de ballon lager is dan de dichtheid van de atmosfeer, zal de atmosfeer een kracht naar boven op de ballon uitoefenen. Deze kracht noemt men de opwaartse kracht. Deze kracht zorgt ervoor dat de ballon zal opstijgen.
De dichtheid van de atmosfeer neemt af naarmate je verder van de aarde af bent. Hierdoor zal de dichtheid van lucht in de luchtballon op een bepaalde hoogte even groot zal zijn als de dichtheid van atmosfeer. De luchtballon stopt dan met stijgen: hij ‘drijft’ als het ware op de zwaardere lucht onder hem, en de lichtere lucht zit boven hem. Dit is te vergelijken met een stuk hout dat je onder water duwt en dan loslaat:
Figuur 2: de dichtheid van het hout is lager dan die van water. Je zal dus kracht moeten zetten om hem op de bodem te houden (plaatje A). Zodra je stopt met duwen zal de opwaartse kracht van het water ervoor zorgen dat het hout naar boven gaat (plaatje B). Het hout zal op het wateroppervlak blijven drijven, en niet verder naar boven gaan, omdat de stof boven hem (de lucht) een lagere dichtheid heeft (plaatje C).
Gasballon en hete luchtballon
Maar hoe komt het dat de lucht in de ballon lichter is dan de atmosfeer? Lucht is een gas, net als het gas dat uit het gasfornuis komt. Gassen kun je niet zien, maar je kan ze wel voelen. Wapper maar eens hard met je handen. Dan voel je de lucht langs je vingers stromen. Gas bestaat uit losse, heen en weer bewegende moleculen. De dichtheid van een gas hangt van twee dingen af: het gewicht van de moleculen waaruit het gas bestaat en de temperatuur. Gas zet uit als de temperatuur van het gas hoger wordt. Hoe meer een gas uit zet, hoe minder kilogram moleculen per kubieke meter en dus hoe kleiner de dichtheid is.
Om de dichtheid van de lucht in de luchtballon te verlagen kan men dus lichter gas gebruiken of de lucht opwarmen. Dit laatste gebeurt er in een hete luchtballon: onder aan de ballon zit een gat waaronder een gasbrander hangt die de lucht in de ballon verwarmt. Hierdoor wordt de lucht in de luchtballon lichter en zal de ballon opstijgen.
Figuur 3: in een hete luchtballon wordt de lucht verwarmd met een gasbrander.
Bij een gasballon wordt de ballon gevuld met een ander soort gas dan de atmosfeer, wat bestaat uit lichtere moleculen en daardoor bij dezelfde temperatuur een lagere dichtheid heeft. Helium wordt hiervoor vaak gebruikt.
Figuur 4: een gasballon is dicht aan de onderkant.
Sturen
Dus je kunt zo’n grote ballon de lucht in krijgen, maar hoe stuur je dan? Jammer genoeg kun je vrijwel niet sturen. Je gaat gewoon dezelfde kant op als de wind, als een houtblok dat met de stroom van een rivier meedrijft. Het enige wat de bestuurder kan doen om van richting te veranderen, is hoger of lager gaan vliegen: de lucht in de atmosfeer waait niet op alle hoogtes dezelfde kant op. Maar ook al ken je de luchtstromen goed, de windrichtingen zullen beperkt zijn en dus zal het altijd een verrassing blijven waar je gaat landen.