Physic hinter Himmelslaternen

15 Schritt:Schritt 1: Historische Einleitung Schritt 2: Die Idee der Arbeit: Schritt 3: Skizze 1: Bewegung der Luft im Inneren des Ballons Schritt 4: Der hydrostatische Druck Schritt 5: Auftrieb: Schritt 6: Maße: Schritt 7: Die Ergebnisse der Messungen mit einem Ballon von 40 Liter: Schritt 8: Heben des Ballons in Abhängigkeit von der Temperatur Schritt 9: Temperatur in Ballon Schritt 10: Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position des Ballons Schritt 11: Die Ergebnisse der Messungen mit einem Ballon von 270 Litern. Schritt 12: Maße: Schritt 13: Messung der Beschleunigung: Schritt 14: Messungen 2 # Schritt 15: DISKUSSION:

Physic hinter Himmelslaternen

Hallo an alle,
in diesem instructable Ich werde das Prinzip der Flug Heißluftballon (als Himmelslaternen bekannt) zu erklären. Ich hatte Heißluftballons für Schulprojekt, so, ich dachte, dass sie interessiert sein könnten, um andere Menschen zu sehen, wie Heißluftballons Werke und übersetze ich es von meiner Sprache.
Über Tutorial für Heißluft-Ballons, es ist voll instructable.com davon, so, nur die Suche ein wenig. :)
Sorry für mögliche Grammatikfehler in Beratung, Englisch ist nicht meine Muttersprache.
Wenn Sie Fragen oder Ideen für einige neue Projekte, direkt unterhalb fragen oder schicken Sie mir PM.
So, hier gehen wir! : D
Wenn Sie es mögen, fühlen Sie sich frei zu wählen Schritt 1: Historische Einleitung




Was sind Heißluftballons?
Wie Sie vielleicht schon es herausgefunden, ist Heißluftballon in Grund nur einige Big-Bag, in dem Sie aufgeheizte Luft, die durch eine Feuerquelle erzeugt wird, gesetzt, so dass er fliegen kann.
Heißluftballons wurden im 2. Weltkrieg von Japan verwendet, sie zu bombardieren Amerika Prinzip war, dass sie Luftströme Fang für die Navigation, und dann, wenn sie erhalten, um Platz zielen, werden sie gerade heruntergefahren die Flamme. Es ist überraschend, dass sie manchmal so etwas getroffen, aber sie aufgehört, weil sie nicht wissen, ob es funktioniert oder nicht. Über Himmelslaternen, wurden sie in der Regel aus Reispapier und Bambus-Rahmen, wurde ganze Ballon durch Bambuspapier in Wachs getaucht angetrieben. Das Prinzip ist, dass Feuer erwärmen die Luft in den Ballon, der Lift schafft, und heben Sie dann größer ist als Ballon Gewicht dann zu steigen beginnt. Erste große Heißluftballon, wurde von den Brüdern Joseph Etienne & Montolfier gemacht. Der Ballon wurde aus Papier und angetrieben mit brennenden Strohdach, Volumen von 800 m ^ 3. Es erreichte Höchststand von 2000 m und landete paar Kilometer entfernt. Heute Heißluftballons sind im Sport verwendet werden, sind Himmelslaternen für einige besondere Anlässe wie Geburtstagsfeiern, Silvesterfeiern verwendet, etc.Step 2: Die Idee der Arbeit:


• Durch eine Reihe von Versuchen und Messungen beabsichtige ich, die optimale Gestaltung des Ballons (Ballonvolumen, die notwendige Kraft und die Verbrennung von Brennstoff, das Gewicht der gesamten Struktur) zu bestimmen

• Ich möchte untersuchen, wie tut Temperaturänderungen in der Ballon mit der Zeit, je nach: verschiedene Stromquellen Geschwindigkeit von Ballon und Beschleunigung.

Die wichtigsten Fragen sind:

1. dem Kraftstoff die beste, um den Ballon zu treiben?
2. Ist es besser, einen größeren oder kleineren Ballon benutzen?

Hypothese:


1. Wasserstoff, weil es leicht ist und keinen Kohlenstoff, der gesamte Gas schwerer machen könnte.

2. größer, weil die Oberfläche des Ballons liegt auf einem Platz, und das Volumen an Dritte, so dass das Verhältnis der Luft in den kleineren und größeren Ballon gelagert ist anders.

Und jetzt können beweisen, dass!
Schritt 3: Skizze 1: Bewegung der Luft im Inneren des Ballons

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Theorie:

• Laternen fliegen auf dem Prinzip der Aufzug in der Luft. Durch die Erwärmung der Luft in der Laterne, erhalten Luft wärmer aus der Umgebung, die ist, warum es eine geringere Dichte hat, erstellt es einen Aufzug, der, wenn es größer als das Gewicht wird Laternen, Laterne hob in die Luft.

Skizze 1 zeigt Luftbewegung im Inneren des Ballons, ich glaube, dass alles ziemlich gut dargestellt. :)
Schritt 4: Der hydrostatische Druck


Druck (P) ist als das Verhältnis der Kraft (F) und der Oberfläche (A) definiert, um welche die Kraft wirkt im rechten Winkel. Wir können die Formel schreiben: p = F / A

Auszug hydrostatischen Druck:

p_hs = F / A = (m ∙ g) / A = (ρ ∙ V ∙ g) / A = (ρ ∙ ∙ A ∙ h g) / A = ρ ∙ ∙ g h

p_hs = ρ ∙ ∙ g h

In einer Tiefe (h) stellen eine Ebene parallel zu der Oberfläche (A) der Flüssigkeit. Auf der Oberfläche einer Flüssigkeit Gewicht wirkenden Zylinderhöhe h. Zuerst bestimmt, wie viel von dem Volumen V haben die Zylinder:

V = A h

Die Masse des Zylinders Fluid aus der Dichte ausgedrückt werden (ρ = m / v)

m = V ρ so ist: m = A h ρ

und das Gewicht des Zylinders (G = mg) ist:

G = A h ρ g

Da Druck gleich dem Verhältnis des Gewichts der Flüssigkeit und der Oberfläche, auf dem sie arbeitet, ist der Ausdruck für den hydrostatischen Druck folgt:

p = ρ gh

Schritt 5: Auftrieb:

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• Auftrieb ist die Kraft, die auf allen Körpern in Flüssigkeiten (Flüssigkeiten und Gase), die in der Potentialfeldkraft gefunden werden (Gravitationsfeld beschleunigt System) durchdrungen wirkt, und es wird aufgrund der Differenz, die durch den hydrostatischen Druck wirkend gemacht geschieht an den oberen und unteren Teil.

Da in unserem Fall haben wir die Dichte der Luft aus dem Ballon und der Dichte des Gases in den Ballon, müssen wir für unsere Berechnung:

F_u = Δρ ∙ g ∙ V

wobei: Δρ = ρ_z - ρ_b => ist der Unterschied Dichte des Gases innerhalb und außerhalb des Ballons

Die allgemeine Zustandsgleichung des Gases:

p ∙ V = n R ∙ ∙ T

p ∙ V = m / M_r ∙ ∙ R T

p ∙ M_r = m / V R ∙ ∙ T

p ∙ Mr = ρ ∙ ∙ R T

Diese Gleichungen können wir Dichte des Gases, die folgt berechnen:

ρ = (p ∙ M_r) / (R ∙ T)

Die Molmasse der Luft:

• Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen, von denen die häufigste ist Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Argon (1%). Deshalb ist seine Molekulargewicht:

M_r (Luft) = 0,78 ∙ M_r (N_2) + 0,21 ∙ M_r (O_2) + 0,01 ∙ M_r (Ar)

M_r (Luft) = 0,78 (2 ∙ 14) + 0,21 ∙ (2 ∙ 16) + 0,01 ∙ (40)

M_r (Luft) = 29 g / mol


Im Text haben wir die folgenden physikalischen Werte und Konstanten verwendet:

F1- Kraft von up_ _____________ g- Gravitationskonstante

F2 - Kraft von unten ____________ ρ- Dichte

F3, F4- Seitenkräfte ______________ Fu- Auftriebskraft

p-preasure ____________________ p_a- Atmosphärendruck

F - Kraft ______________________ n- Anzahl der Mole

A, S Fläche _______________ R- allgemeine Gaskonstante

p_hs- hydrostatischen pressure_______ M_r- die Molmasse des Gases

m- gewichts _ ___________________ T - Temperatur in Kelvin

V- Lautstärke _____________________ p_b- Dichte der Luft im Inneren des Ballons

& Delta; P - Druckdifferenz innerhalb und außerhalb des Ballons

p_z - Luftdichte außerhalb des Ballons

Kraftstoff:

• Als Brennstoff ich Paraffinkerzen verwendet. Sie bestehen aus einem festen Brennstoff und Art von Sicherung in der Regel aus Baumwollstoff, das durch Paraffin, bei einer niedrigen Temperatur (typischerweise etwa 60 ° C) schmilzt, umgeben sind.

• Die Kapillarwirkung des Dochtes Wachs ist ein Flamm wo es verdampft und verbrennt in Gegenwart von Sauerstoff überführt. Die Kerze erlischt, wenn der Sauerstoffgehalt in der Luft unter etwa 16%.

Die Wahl eines Kraftstoff:

• Es wäre toll, wenn ich als eine Wärmequelle konnte Fackel Wasserstoff in Sauerstoff, weil brennenden Wasserstoff produziert nur Wasserdampf (kein Kohlendioxid), das eine gute Wahl für die Aufhebung des Ballons ist aufgrund seiner geringen Molekulargewicht (M_r (H20) = 18 g / mol). Wasserstoff könnte jedoch aus Sicherheitsgründen nicht verwendet werden.

• Wenn brennende Kerze (Paraffin) sie veröffentlicht ein bestimmtes Verhältnis von CO2 und H2O. Da mehr Wasserdampf in der Mischung von Luft in den Ballon leichter. CO2 ist nicht in einem Ballon wünschenswert, weil es die Luft massiveren, da es das Molgewicht größer als Luft (M_r (CO2) = 44 g / mol).

• ein Gemisch von Paraffinkohlenwasserstoffen mit der Kettenlänge von 20 Kohlenstoffatomen. Solche Moleküle haben in etwa 2H Atome an ein einzelnes Atom C, und durch die Verbrennung geben sie ungefähr die gleiche Anzahl von Molekülen von CO2 und H20. Später, einige der Messungen, als Wärmequelle verwendet wird, Heißluftgebläse. So bekomme ich die Sicherheit, Geschwindigkeit und Einfachheit in der Durchführung von Messungen.

Berechnung der Molmasse von Gas in den Ballon bei der Verwendung von Kerzen:

Kalte Luft von der Außenseite kommt, zu dem Punkt der Verbrennung, und es gibt Sauerstoff mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus dem Paraffin kombiniert. Stickstoff kommt der Ballon unverändert.

100 Moleküle der Luft (ca. 79% N2 und 21% O2), der in den Ballon eingegeben erstellt 107-Moleküle (79 Moleküle N2, 14 und 14 Moleküle der CO2-Moleküle H20) und dass wir Gleichung erhalten:

M_r (Ballon) = 1 / 1,07 (0,79 ∙ M_r (N_2) + 0,14 ∙ M_r (CO_2) + 0,14 ∙ M_r (H_2 O)

M_r (Gemisch im Ballon) = 28,8g / mol



Das Experiment:

Materialien:

Das Material für den Ballon Ich entschied mich leicht, fest genug und leicht zu beschaffen sein. Ich nahm eine Plastikmüllbeutel Volumen von 35 Litern. Rahmenstruktur und Träger Kerzen sind aus Balsa Planken (Holz von sehr niedriger Dichte) gefertigt. Als Brennstoff ich verschiedene Verbindungen und Mischungen (flüssigen und festen), aber am Ende habe ich beschlossen, eine gewöhnliche kleine Geburtstagskerzen zu verwenden, weil sie am leichtesten zu handhaben.


Eigenschaften der Kerzen:

Die Masse der Kerze: 1 Gramm
Höhe der Kerze: 5.4 cm

Brenngeschwindigkeit: 0,0010 g / s

Heizwert von Paraffin: 46 MJ / kg

Heizleistung einer Kerze: 46 W

Schritt 6: Maße:

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Bilder zeigen schematische Prinzip der Messung, Beschreibung sind in Bildern.

Digital-Multimeter ist Vernier LabQuest.

Mess Auftrieb des Ballons:

Auf den Ballon legte ich das Gewicht, es könne nicht fliegen und so konnte ich genaue Messungen durchzuführen. Kerzen auf dem Tisch für genauere Messungen getätigt.

Temperaturmessungen in dem Ballon:

Auf der Ballon gehängt wurde Gewicht Ballon würde wegfliegen. Die Sonde wurde über einer Flamme in der Mitte des Ballons angeordnet.

Messung der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Luftballons:

Für Ballon band ich nur fünf Kerzen und legte sie unter dem Geschwindigkeits-Messgerät. Ich maß die Bewegung des Ballons in den ersten 1,3 Meter von Beschaffung. Die Vorrichtung maß die Positionen Ballon in der Zeit, und die Geschwindigkeit und Beschleunigung I berechnen, wobei die Software mit dem Gerät (Logger pro) vorgesehen ist.

Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung:

Das Gerät besteht aus einem Ultraschallsender (Sensor) mit einer Messeinrichtung Vernier LabQuest- verbunden. Der Sensor arbeitet durch Übertragen von Ultraschallsignalen in einem relativ schmalen Strahl von dem Subjekt, das die Position misst. Die Signale werden von dem Zielobjekt reflektiert wird, und zurück zum Sensor. Die Messvorrichtung von der verstrichenen Zeit berechnen Abstand zu dem Objekt, und daraus die später leicht berechnen können die Geschwindigkeit und Beschleunigung des beobachteten Objekts.
Schritt 7: Die Ergebnisse der Messungen mit einem Ballon von 40 Liter:

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Grafik zeigt die gewachsenen Auftriebskraft in der Zeit vom Beginn der Erwärmung des Ballons. In den ersten 50 Sekunden wird der Anhebekraft zunimmt, wenn die Innenseite des Ballons ist beheizt. Wenn die Temperatur in einem Ballon stabilisiert (Heizen = Kühlen durch die Wände des Ballons) Kraft aufhört zu wachsen und bleibt konstant.
Schritt 8: Heben des Ballons in Abhängigkeit von der Temperatur

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Es ist erkennbar, dass die gemessenen Werte von Aufzugs weniger als theoretisch. , Dass als Folge des Verfahrens zur Messung der Temperatur in einem Ballon erläutert. Der Temperaturfühler wurde in der Mitte des oberen Teils des Ballons, wenn die Temperatur höher ist als der Durchschnitt gesetzt. In den unteren Teilen der Wände der der Ballon und die Temperatur niedriger ist als die gemessene und Lift kleiner ist.

Theoretische Berechnung von Aufzugs i berechnet wie folgt aus:

F_u = gV_b (ρ_z-ρ_b)

Wo sind ρ_z Dichte der Luft draußen und ρ_b Dichte des Gases im Inneren des Ballons:

ρ_b = (p_z Mr_b) / RT
Schritt 9: Temperatur in Ballon

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Die Temperatur in einem Ballon, wie erwartet, mit der Anzahl von Kerzen, die die Luft erwärmt, gezüchtet. Im zweiten Graphen sieht man, daß am Anfang der Temperatur in einem Ballon wächst schnell, und da sie die maximale nähert und damit langsamer wachsen (aufgrund des gleichzeitigen Kühl- im Raum).
Schritt 10: Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position des Ballons

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Schritt 11: Die Ergebnisse der Messungen mit einem Ballon von 270 Litern.

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Kleinere Ballons habe ziemlich wenig Auftrieb entwickelt (bis zu 0,07 N), so dass die Messung von einem so kleinen Kraft war problematisch. Digitaler Kraftmesser hat eine Auflösung von 0001 N, aber die letzte Ziffer in der Lese ist nicht sicher. Also beschloss ich, eine neue Reihe von Messungen mit einer größeren Ballonvolumen von ca. 270 Litern machen.

Aus diesem Ballon Ich habe nicht mit Kerzen als Zündquelle weil sie uns eine Menge, und sie nicht an derselben Rate jeder Rate zu brennen. Ich habe ein Gerät, das aus bläst heiße Luft. Es arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie Haartrockner, aber es entwickelt sich nur die Lufttemperatur bis zu 500 ° C und bis zu 480 Litern pro Minute eingeblasen. Mit diesen Änderungen erzielte ich einen Auftrieb größer als 1 N, die erheblich verbessert die Qualität der Messung hat. Dieses Mal gemessen ich die Kraft während des Aufwärmens der Ballon, aber zuerst muss ich aufgewärmt Ballon auf eine Temperatur von etwa 100 ° C, dann wende ich mich der Heizung, schalten Sie die Messung von Kraft und lassen den Ballon abkühlt.
Schritt 12: Maße:

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Und, nur zu sagen, negative Werte zu ignorieren, ist, dass wegen der Sensorposition, manchmal wurde der Ballon von dem Sensor gehen, manchmal bis zu dem Sensor.

Kombinieren ersten zwei Graphen zeigen wir die Abhängigkeit des Auftriebs auf dem Ballon über die Temperatur im Inneren des Gefäßes. Die Messdaten können mit der theoretischen vorhergesagt verglichen werden:

F_u = gV_b (ρ_z-ρ_b)

In der Grafik sehen wir eine solide Vereinbarung der Messdaten mit dem theoretischen einiger 90 ° C nach, dass experimentelle Daten beginnen unterscheiden sich erheblich von den vorhergesagten Werten. Mögliche Gründe für dieses Verhalten sind wie folgt:
Bei hohen Temperaturen wird das Volumen des Ballons erhebt sich über den "normalen", da er mehr Schläge. Es ist möglich, dass zum Zeitpunkt der Messungen gibt es eine Strömung von Luft aus dem Ballon nach außen, die als zusätzliche reaktive Antriebs handeln. Es sollte zusätzliche Messungen mit konstanter Wärmequelle die es ermöglicht, die Temperatur in einem Ballon behält konstante nach Belieben für eine lange Zeit und es ändert sich die Heizleistung kann nach Wunsch eingestellt werden.
Schritt 13: Messung der Beschleunigung:

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Ballonvolumen von 270 Litern ich aufgewärmt mit Gewehr für Heißluft auf eine Temperatur von 100 ° C und dann ließ ich ihn es hob an den Geschwindigkeitssensor, die ich an der Decke des Klassenzimmers montiert.
Schritt 14: Messungen 2 #

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Wir sehen, dass die Daten eine große gird zu Parabel, was bedeutet, dass die Bewegung des Ballons fast ebenso beschleunigt werden. Aus dem Diagramm wir die Auswahl der Beschleunigungsbewegung des Ballons:

a = 0701 m / s2 (Beschleunigung ist ein Doppelkoeffizienten x ^ 2)

Die schwarze Linie (in Geschwindigkeitskurve) zeigt das arithmetische Mittel und es ist offensichtlich, dass der Ballon bewegt sich ebenfalls beschleunigt. Der Vergleich mit der Leitung ist sehr gut. Koeffizient von X hat die Bedeutung von Beschleunigung des Ballons und Ballonbeschleunigung gemäß dem Diagramm:
a = 0,696 m / s2, wie erwartet, der gleiche Wert wie im graph st

Die schwarze Linie (Beschleunigungs Graph) zeigt den Verlauf der Beschleunigung. Dies sind die Ergebnisse der Messung der bis zu 1,2 m in der Höhe, so dass der Luftwiderstand nicht einen größeren Einfluss auf die Beschleunigung, aber kann gesehen werden, dass eine Beschleunigung noch langsam ab, da wir erwarteten, um die Luft, die Geschwindigkeit erhöht Resist .
Schritt 15: DISKUSSION:


Daten und Messungen, die ich erhielt, waren sehr ähnlich, meine Erwartungen.
Ich nahm an, dass der Ballon hat eine bestimmte Laufzeit beim Aufstehen. Mit zunehmender Geschwindigkeit und damit den Luftwiderstand, der Beschleunigung des Ballons abnimmt. Zunächst I angenommen, dass die unterschiedliche Zusammensetzung des Gases innerhalb und außerhalb des Ballons sollte Auftrieb beeinflussen, aber es stellte sich heraus, dass die molare Masse von Luft und Gas in den Ballon in etwa gleich, so dass die Zusammensetzung des Gases in den Ballon hat keinen signifikanten Wirkung. Spürbare Auswirkungen gegeben wäre nur, wenn wir Wasserstoff als Kraftstoff oder einem leichten Kohlenwasserstoff (zB Methan) verwenden. Da haben wir Messungen für die spätere Verwendung mit einem größeren Ballongebläse Heißluft im Ballon, hatten wir nur Luft, die keine andere chemische Eigenschaften als die Außenluft hatte. Die Differenz der theoretischen und experimentellen Daten der Auftriebs durch das Verfahren zur Messung der Temperatur in dem Ballon verursacht. Die mittlere Temperatur ist sicher geringer als Modell, weil die Kante, um abzukühlen, und unsere Sonde wurde in der Mitte des Ballons an der Spitze, wo es bereits heiß aufsteigenden Strömung angeordnet ist.
Über Aerodynamik, wäre die beste Form, wie Wassertropfen, es ist, weil, wenn durch die Luft fällt das Wasser bilden das beste aerodynamische Form.
- So haben wir bewiesen, unsere Hypothese, die ich schon erwähnt, am Anfang,
Und für das Ende der Präsentation, ist hier Videos, die ich aufgezeichnet mit Kamera auf großen Heißluftballon montiert. Die Qualität der Videos ist nicht etwas Besonderes (Kamera von ebay für 10 €), hatte Ballon etwa 1800 Liter, Masse der Kamera war 50 g:

und noch mehr: