Ballongløft: Arkimedes i lufta

Et pedagogisk simuleringsspill. Forutsi hvor mange ballonger, hvor mye last, hvor mye varme eller hvor mye helium som trengs for å lette, og fyll eller varm så opp ballongen og se om den forlater bakken.

Arkimedes' lovOppdrift i luft

BALLONGLØFT

Festballonger

Klar
Slå på JavaScript for å fylle ballongene. Instruksjonene og det gjennomregnede eksemplet kan fortsatt leses.
LøftekraftTyngdeHelium eller varm luftBakken
Løftekraften fra gassenF = (ρ_air − ρ_in)·g·V

Tid

0.00 s

t

Gassvolum

— m³

V

Gassens tetthet

— kg/m³

ρ_in

Løftekraft

— N

F = (ρ_air − ρ_in)·g·V

Tyngde som skal bæres

— N

W = m·g

Forutsi før du starter

Skriv forutsigelsen din for å gjøre ballongen klar. Start er av til det finnes et svar.

Forutsi hva som skal til for å lette.

Oppdragspoeng—

Antallet ballonger må være det minste som flyr. En last, en temperatur eller et volum må lette og ha høyst 2 % til overs. Hver gir 100 poeng. Riktig på første kjøring gir 50 til. En kjøring teller så snart den starter.

✓ Riktig svar① På første forsøk

Slik spiller du Ballongløft

  1. Velg en ferd og les volumet, tetthetene og massene på kortet.
  2. Luft skyver oppover med tyngden av lufta ballongen fortrenger, ρ_air·g·V; gassen inni veier ρ_in·g·V. Løftekraften er forskjellen.
  3. Ballongen letter når løftekraften når tyngden av alt annet: gummi, kurv, last. Skriv forutsigelsen og trykk på Start.
  4. Se på søylene: ballongen forlater bakken i det øyeblikket den blå søylen tar igjen den grå.

Hvorfor stiger en ballong?

Arkimedes' lov gjelder også i luft. Lufta trykker litt hardere under en ballong enn over den, og forskjellen er en kraft oppover som er like stor som tyngden av lufta ballongen fortrenger, ρ_air·g·V. En kubikkmeter luft ved bakken har en masse på bare omtrent 1,2 kg, så gassen inni må være mye lettere enn luft for at noe skal stige. Helium, med 0,18 kg/m³, gir omtrent 1 kg løftekraft per kubikkmeter. Varm luft virker fordi luft utvider seg når den varmes: ved samme trykk synker tettheten når temperaturen i kelvin stiger, og ρ·T holder seg lik, så luft på 100 °C er omtrent en femtedel lettere enn luft på 20 °C. I begge tilfeller er løftekraften (ρ_air − ρ_in)·g·V, og den må bære hylsteret, kurven og lasten. Derfor er varmluftsballonger enorme, og derfor bærer de mindre på fjellet eller på varme dager, der uteluften er tynnere.

En avgrenset læringsmodell

Luft har 1,2 kg/m³ ved bakken ved 20 °C og 1,0 kg/m³ på høysletta; helium har 0,18 kg/m³. Festballongene og heliumhylsteret fylles jevnt i 2 s. Brenneren i varmluftsballongen varmer lufta jevnt i 2 s, fra tettheten ute ned til den oppgitte, eller fra 20 °C opp til temperaturen din, med ρ·T holdt likt i kelvin. Ballongen letter nøyaktig når (ρ_air − ρ_in)·V når massen den bærer (innenfor 0,05 % letter den fortsatt); da stopper fyllingen eller oppvarmingen, og den vises mens den stiger i 1,5 s. Størrelsen på hylsteret og hvordan lufta endrer seg med høyden er utelatt, og ingenting er i målestokk. Antallet ballonger må være det minste som flyr; en last, en temperatur eller et volum må lette og ha høyst 2 % til overs. g = 9,8 m/s². Spilles i sanntid.

Når du bytter språk, beholdes ferden, forutsigelsen, forsøkene og forløpet.