De heteluchtballon - Techniek Toernooi

De heteluchtballon
Groep 7 en 8
Team van 2, 3 of 4 kinderen
Opdracht
Maak een heteluchtballon met zoveel mogelijk
stijgkracht. Doel
Leren hoe een heteluchtballon werkt.
Ervaren dat lucht bij verwarming uitzet.
Ervaren dat warme lucht opstijgt.
Leren experimenteren en ervaren dat de omvang van de
ballon en het gewicht van het materiaal een grote, maar
tegengestelde invloed hebben op de stijgkracht.
De Wedstrijd
In Het Land van Ooit krijgt het leerlingenteam maximaal tien
minuten de tijd om warme lucht in de meegebrachte ballon
te blazen. Neem daarvoor een haarföhn mee.
Na tien minuten meet de jury met een veerbalans de
stijgkracht (=het draagvermogen) van de ballon.
Materiaal dat nodig is
Een gewone haarföhn met een vermogen van maximaal 2.000 watt
(meenemen naar de wedstrijd!);
Een gevoelige veerbalans;
Heel licht constructiemateriaal (denk daarbij aan bakpapier, dunne vuilniszakken, bloemistenfolie
of materiaal dat voor reddingsdekens wordt gebruikt);
Een (digitale) camera voor een fotoverslag van het ontwerp/bouwproces.
Wat mag wel en wat mag niet?
Alleen een gewone haarföhn met een vermogen van maximaal 2.000 watt mag worden gebruikt
om warme lucht in de ballon te blazen. Pas wel goed op: sommige materialen smelten heel
gemakkelijk.
De opgeblazen ballon moet – vanaf het punt waaraan de veerbalans wordt bevestigd – passen in
een (denkbeeldige) kubus van 2m x 2m x 2m.
Kant-en-klaar gekochte ontwerpen zijn niet toegestaan.
Waar zal de jury (nog meer) naar kijken?
De jury zal met behulp van een veerbalans de trekkracht van de ballon meten.
Hoe groot is het gehalte ‘eigen werk’ van de kinderen?
Voldoet alles aan de hierboven gestelde eisen?
Hoe origineel is het ontwerp en hoe fraai is het uitgevoerd?
De jury zal ook het fotoverslag van de voorbereidingen van de wedstrijd in de beschouwingen
betrekken. Neem het fotoverslag van de bouw van de ballon dus mee.
Wie wint?
De ene hoofdprijs is voor het team met de heteluchtballon die de grootste trekkracht levert. Het
team met de origineelste of fraaiste heteluchtballon wint de andere hoofdprijs.
Activiteiten
Beantwoord in de klas de volgende vragen, alvorens aan de slag te gaan:
Wie heeft er wel eens in een luchtballon gezeten?
Welke onderdelen kun je aanwijzen in een luchtballon?
Waarom stijgt de ballon op en hoe kom je weer naar beneden?
Welke onderdelen/materialen zouden jullie gebruiken bij het bouwen van een heteluchtballon?
Verbredingsinformatie
Waarom zet warme lucht uit?
Door een gewone ballon op te blazen, dicht te binden en dan een tijdje in de zon te leggen, kun je
demonstreren dat lucht bij verwarming uitzet: de ballon is groter geworden. Lucht bestaat uit heel
veel, heel kleine deeltjes die voortdurend bewegen: moleculen. De moleculen van warme lucht bewegen sneller. Een luchtmolecuul die met een lage snelheid tegen de ballonwand botst, oefent een
kleine kracht uit op die wand. Als hetzelfde luchtmolecuul er met een hogere snelheid tegenaan
botst, is die kracht groter. Hoe warmer de lucht, of te wel: hoe sneller de moleculen bewegen, hoe
harder ze tegen de wand van de ballon botsen en hoe meer kracht ze dus op die ballonwand
uitoefenen. Omdat de wand van de ballon elastisch is, zal de ballon door de toegenomen kracht
van de opgewarmde lucht in de ballon uitzetten.
Waarom stijgt warme lucht?
We hebben net gezien dat warme lucht uitzet, of te wel: meer plaats in beslag neemt dan in koude
toestand. Dat betekent dus dat een liter warme lucht minder weegt dan een liter koude. En die
lichtere lucht gaat dan drijven op de zwaardere.
Dat lucht bij verwarming opstijgt, kun je demonstreren door rook boven een hete verwarming in de
lucht te brengen. De rook zal met de warme lucht mee omhoog gaan. Je kunt hetzelfde principe
ook laten zien met gekleurd warm water dat je op de bodem van een bak met koud water uit een
flesje loslaat. Het warme water zal opstijgen en gaan drijven op het koude water. Doordat het
gekleurd is, is dat duidelijk zichtbaar.
Waarom stijgt een heteluchtballon als je ‘m vult met warme lucht?
De warme lucht in de ballon wil opstijgen en duwt de ballon omhoog. Tegelijkertijd trekt de
zwaartekracht de ballon omlaag. Nu is het een kwestie van welke kracht er wint: als de kracht
waarmee de warme lucht de ballon omhoog duwt groter is dan de zwaartekracht waarmee de
ballon naar beneden wordt getrokken dan gaat de ballon omhoog. Als de lucht in die stijgende
ballon afkoelt – en dat gebeurt natuurlijk vanzelf als je een tijdje stopt met verwarmen – zal de
ballon weer dalen.
Hoe groot is de stijgkracht van een heteluchtballon?
Dit hangt van verschillende factoren af: de temperatuur buiten de ballon, de temperatuur in de
ballon, de grootte van de ballon en de totale massa (het gewicht) van de ballon. Een rekenvoorbeeld:
Als een opgeblazen ronde ballon precies in een kubus van 2m x 2m x 2m past is de inhoud van die
ballon ongeveer 4 kubieke meter. Eén kubieke meter ‘koude’ lucht van 20oC weegt
1,204 kilogram. ‘Warme’ lucht van 60oC weegt slechts 1,067 kilogram. Het verschil hiertussen is
het drijfvermogen, zo’n 140 gram per kubieke meter. Een ballon van vier kubieke meter mag
zonder warme lucht dus niet zwaarder zijn dan 4 x 140 ≈ 550 gram om te kunnen vliegen.
Het materiaal waarvan de ballon is gemaakt moet dan minder wegen dan 550 gram.
De oppervlakte van zo’n ballon is ongeveer 12,5 vierkante meter. Dat betekent dat een stuk
ballonwand van 1 m x 1 m niet meer dan 40 gram mag wegen (40 g/m2). Dat is heel weinig,
normaal papier (80 g/m2) weegt al het dubbele.
Als je de lucht minder verwarmt zet deze ook minder uit. De ballon zal in dat geval van nóg lichter
materiaal gemaakt moeten worden om te willen stijgen.
Veel succes!
Februari 2007