Ballonløft: Arkimedes i luften

Et pædagogisk simulationsspil. Forudsig, hvor mange balloner, hvor meget last, hvor meget varme eller hvor meget helium der skal til for at lette. Fyld eller varm så ballonen op, og se, om den forlader jorden.

Arkimedes' lovOpdrift i luft

BALLONLØFT

Festballoner

Klar
Slå JavaScript til for at fylde ballonerne. Vejledningen og det gennemregnede eksempel kan stadig læses.
LøftekraftTyngdeHelium eller varm luftJorden
Gassens løftekraftF = (ρ_air − ρ_in)·g·V

Tid

0.00 s

t

Gassens rumfang

— m³

V

Gassens densitet

— kg/m³

ρ_in

Løftekraft

— N

F = (ρ_air − ρ_in)·g·V

Tyngde, der skal bæres

— N

W = m·g

Forudsig, før du starter

Skriv din forudsigelse for at gøre ballonen klar. Start er slået fra, indtil der er et svar.

Forudsig, hvad der skal til for at lette.

Missionspoint—

Antallet af balloner skal være det mindste, der flyver. En last, en temperatur eller et rumfang skal lette og må højst have 2 % til overs. Hver giver 100 point. Rigtigt ved første kørsel giver 50 ekstra. En kørsel tæller, så snart den starter.

✓ Rigtigt svar① I første forsøg

Sådan spiller du Ballonløft

  1. Vælg en tur, og læs rumfanget, densiteterne og masserne på kortet.
  2. Luft skubber opad med tyngden af den luft, ballonen fortrænger, ρ_air·g·V; gassen indeni vejer ρ_in·g·V. Løftekraften er forskellen.
  3. Ballonen letter, når løftekraften når tyngden af alt det andet: gummi, kurv, last. Skriv din forudsigelse, og tryk på Start.
  4. Se på søjlerne: ballonen forlader jorden i det øjeblik, den blå søjle indhenter den grå.

Hvorfor stiger en ballon?

Arkimedes' lov gælder også i luft. Luften trykker lidt hårdere under en ballon end over den, og forskellen er en kraft opad, der er lige så stor som tyngden af den luft, ballonen fortrænger, ρ_air·g·V. En kubikmeter luft ved jorden har en masse på kun omkring 1,2 kg, så gassen indeni skal være meget lettere end luft, for at noget kan stige. Helium, med 0,18 kg/m³, giver omkring 1 kg løftekraft per kubikmeter. Varm luft virker, fordi luft udvider sig, når den varmes op: ved samme tryk falder densiteten, når temperaturen i kelvin stiger, og ρ·T forbliver den samme, så luft på 100 °C er omkring en femtedel lettere end luft på 20 °C. I begge tilfælde er løftekraften (ρ_air − ρ_in)·g·V, og den skal bære hylsteret, kurven og lasten. Derfor er varmluftballoner enorme, og derfor bærer de mindre i bjergene eller på varme dage, hvor udeluften er tyndere.

En afgrænset læringsmodel

Luft har 1,2 kg/m³ ved jorden ved 20 °C og 1,0 kg/m³ på højsletten; helium har 0,18 kg/m³. Festballonerne og heliumhylsteret fyldes jævnt i 2 s. Varmluftballonens brænder varmer dens luft jævnt i 2 s, fra densiteten udenfor ned til den angivne, eller fra 20 °C op til din temperatur, med ρ·T holdt den samme i kelvin. Ballonen letter præcis, når (ρ_air − ρ_in)·V når den masse, den bærer (inden for 0,05 % letter den stadig); så stopper fyldningen eller opvarmningen, og den vises stigende i 1,5 s. Hylsterets størrelse og luftens ændring med højden er udeladt, og intet er i målestok. Antallet af balloner skal være det mindste, der flyver; en last, en temperatur eller et rumfang skal lette og må højst have 2 % til overs. g = 9,8 m/s². Spilles i realtid.

Når du skifter sprog, bevares turen, forudsigelsen, forsøgene og forløbet.