Hete Luchtballon

Taken en Lesideeën
Hoe werkt een heteluchtballon?
1. Inleiding
In deze opdracht moet je door middel van een audio-visuele producties proberen duidelijk te
maken aan je doelpubliek hoe een heteluchtballon werkt. Hieronder bieden we je alvast
basisinformatie aan.
2. Inhoud
1. Het gewicht van lucht
Lucht is een mengsel van gassen, en het gewicht van gassen is afhankelijk van de
temperatuur en luchtdruk. Daarom wordt het gewicht altijd gegeven bij een standaard
temperatuur (nul graden Celsius en één atmosfeer). Lucht bestaat voor ongeveer 80 procent
uit stikstof en ongeveer 20 procent zuurstof. Bij nul graden en één atmosfeer weegt een liter
lucht ongeveer 1,3 gram. Om even het verschil aan te geven: een liter water weegt 1 kilo
(1000 gram).
Stel je voor dat je een grote vierkante elastische ballon hebt van precies 1 kubieke meter.
Daarin zit precies 1.000 liter lucht, die dezelfde temperatuur heeft als de lucht aan de
buitenkant van de ballon. Het gewicht van die 1.000 liter lucht in de ballon is 1.300 gram.
Taken en Lesideeën
2. Warme lucht zet uit
De gassen in de lucht (stikstof en zuurstof) bestaan uit moleculen. De moleculen bewegen
voortdurend, en de snelheid waarmee ze bewegen is afhankelijk van (onder andere) de
temperatuur van het gasmengsel. Wanneer de temperatuur stijgt, gaan de moleculen sneller
bewegen. De moleculen botsen tegen elkaar, maar ook tegen alle voorwerpen die zich in de
omgeving bevinden. Een molecuul die met een lage snelheid tegen een voorwerp botst
oefent daarbij een kleine kracht uit op dat voorwerp, maar als een molecuul met een hogere
snelheid tegen datzelfde voorwerp botst, oefent het molecuul ook een grotere kracht uit op
dat voorwerp. Er komen ook voortdurend moleculen tegen de wanden van de ballon. Hoe
sneller de moleculen bewegen, hoe harder ze tegen de wanden van de ballon botsen, en hoe
meer kracht ze dus op die wanden van de ballon uitoefenen. Omdat de wanden van de ballon
elastisch zijn, zal de ballon door de toegenomen kracht van de lucht groter worden.
Je kunt dit ook zelf uitproberen:






Vul een gewone feestballon met lucht en bindt de ballon dicht.
Meet nu met een centimeter de omtrek van de ballon en onthoudt dit.
Je kunt voor de zekerheid nog met een stift een lijn trekken rond de ballon, zodat
je zeker weet dat je later op dezelfde plaats nog een keer kan meten.
Daarna leg je de ballon in de felle zon buiten neer. Door de invloed van het
zonlicht wordt de lucht in de ballon warmer en zal de ballon gaan uitzetten.
Na verloop van tijd kun je de ballon nog een keer opmeten, waarbij je zult
ontdekken dat de ballon groter is geworden dan toen de ballon nog koud was. Je
kunt dat waarschijnlijk zelfs zien gebeuren, als je de ballon in de gaten houdt
tijdens het opwarmen.
Het is in principe mogelijk dat de ballon zo ver uitzet dat hij knapt!
3. Minder lucht is minder gewicht
Door het warmer worden van de lucht in de ballon zet de lucht uit. De omvang van de ballon
was eerst 1000 liter, maar door verwarming komt hier bijvoorbeeld 10% bij. De zelfde lucht
neemt dan dus 1.100 liter aan ruimte in. Het gewicht van die lucht is echter nog steeds 1.300
gram.
Taken en Lesideeën
Je kunt dat ook anders bekijken. In de ruimte die eerst 1.300 gram lucht bevatte zit nu minder
gewicht, door de uitzetting is immers 10% van de lucht buiten de oorspronkelijke afmetingen
van de ballon terecht gekomen. In plaats van 1.300 gram licht in 1.000 liter is er nu 1.300
gram in 1.100 liter. Per 1.000 liter omgerekend is dat dus 1.000/1.100 = 0,909 keer zo weinig,
of 1.300 * 0,909 = 1.182 gram (ongeveer). Het gewicht is dus met ongeveer 118 gram
gedaald!
4. Zware dingen vallen naar beneden, maar lichte dingen komen boven drijven
De zwaartekracht trekt aan alle voorwerpen. De lucht in de ballon weegt 1.300 gram en wordt
dus door de zwaartekracht naar beneden, naar de aarde toe getrokken. Ook de lucht rondom
de ballon wordt naar beneden getrokken. Zoals hiervoor al uitgelegd is de verwarmde lucht in
de ballon lichter dan de koudere lucht die er omheen zit. De verwarmde lucht wordt daardoor
naar boven geduwd, in verhouding tot de koude lucht. Nu is het een kwestie van vergelijken:
als de kracht waarmee de warme lucht omhoog wordt geduwd groter is dan de zwaartekracht
waarmee de ballon naar beneden wordt getrokken, dan kun je wel aanvoelen dat de lucht
uiteindelijk omhoog wil.
5. Waar komt de opwaartse kracht vandaan?
Hoe komt het dat een ballon opstijgt, als hij lichter is dan de lucht waarin de ballon zich
bevindt? Dat wordt verklaard door de Principe van Archimedes. Archimedes was een
geleerde uit het begin van de jaartelling die ontdekte wat het principe is achter dit soort
zaken. De opwaartse kracht van elk object is gelijk aan het gewicht van de stof (in dit geval
lucht) waarvan dat object de plaats inneemt. Anders gezegd: de lucht die eerst op de plaats
zat van de ballon woog 1.300 gram. De ballon met daarin de verwarmde lucht komt daarvoor
in de plaats. Er is dus een opwaartse kracht van 1.300 gram als gevolg van de verplaatste
lucht.
Het Principe van Archimedes verklaart ook waarom een
voetbal op water blijft drijven: Als je een plastic bal die
gevuld is met 5 liter lucht onder water houdt, dan wordt
daardoor 5 liter water verplaatst.
 5 Liter water weegt 5.000 gram.
 Volgens het Principe van Archimedes
veroorzaakt dit een opwaartse kracht van 5.000
gram.
 De bal en de lucht in de bal samen hebben
natuurlijk ook een gewicht, namelijk ongeveer
500 gram van de bal en 5 liter lucht van elk 1,3
gram, samen 506,5 gram.
 Omdat 5.000 gram opwaartse kracht
aanzienlijk meer is dan het gewicht van de bal
zal de bal opstijgen naar het oppervlakte van
het water.
6. Het gewicht van de ballon zelf
De ballon zelf heeft natuurlijk ook gewicht, hoe weinig ook. Dit gewicht van de ballon moet je
optellen bij het gewicht van de lucht in de ballon. Als dit samen minder is dan de opwaartse
kracht die ontstaat door de verplaatsing van lucht, dan zal de ballon opstijgen.
Taken en Lesideeën
3. Mogelijke uitwerkingen




Demonstratie: toon de verschillende experimentjes (het verwarmen van de gewone
ballon, de voetbal die komt bovendrijven) en kader ze binnen de theoretische
beginsels over de luchtballon.
Animatie: maak een animatiefilmpje waarbij de werking van een luchtballon
verduidelijkt wordt
Talking head: verduidelijk het onderwerp al sprekend en vergezel dit filmpje van de
nodige slides waarop figuurtjes en berekeningen te zien zijn.
Interview: ga naar een ballonvaarder en laat hem in een interview de werking van
een luchtballon verduidelijken.
4. Tips


Kies de vorm die het meest geschikt is voor je doelpubliek
Contacteer een ballonvaardersorganisatie, vraag hen meer informatie en vraag hen
om beelden te mogen komen maken tijdens het opstijgen.