Ballonnen die stijgen: Archimedes in de lucht

Een educatief simulatiespel. Voorspel hoeveel ballonnen, hoeveel lading, hoeveel warmte of hoeveel helium er nodig is om op te stijgen. Vul of verwarm dan de ballon en kijk of hij loskomt van de grond.

Wet van ArchimedesOpwaartse kracht in lucht

BALLONNEN DIE STIJGEN

Feestballonnen

Klaar
Zet JavaScript aan om de ballonnen te vullen. De uitleg en het uitgewerkte voorbeeld blijven leesbaar.
HefkrachtGewichtHelium of hete luchtGrond
Hefkracht van het gasF = (ρ_air − ρ_in)·g·V

Tijd

0.00 s

t

Gasvolume

— m³

V

Dichtheid van het gas

— kg/m³

ρ_in

Hefkracht

— N

F = (ρ_air − ρ_in)·g·V

Te dragen gewicht

— N

W = m·g

Voorspel voordat je start

Typ je voorspelling om de ballon klaar te zetten. Start blijft uit tot er een antwoord is.

Voorspel wat er nodig is om op te stijgen.

Missiescore—

Het aantal ballonnen moet het kleinste zijn dat vliegt. Een lading, een temperatuur of een volume moet opstijgen met hoogstens 2 % over. Elk levert 100 punten op. Goed bij de eerste run levert 50 extra op. Een run telt zodra hij begint.

✓ Goed antwoord① In één keer

Zo speel je Ballonnen die stijgen

  1. Kies een vlucht en lees op de kaart het volume, de dichtheden en de massa's.
  2. Lucht duwt omhoog met het gewicht van de lucht die de ballon verplaatst, ρ_air·g·V; het gas binnen weegt ρ_in·g·V. De hefkracht is het verschil.
  3. De ballon stijgt op als de hefkracht het gewicht van al de rest bereikt: rubber, mand, lading. Typ je voorspelling en druk op Start.
  4. Kijk naar de balken: de ballon komt los van de grond op het moment dat de blauwe balk de grijze inhaalt.

Waarom stijgt een ballon op?

De wet van Archimedes geldt ook in lucht. Onder een ballon drukt de lucht iets harder dan erboven, en het verschil is een kracht omhoog, even groot als het gewicht van de lucht die de ballon verplaatst, ρ_air·g·V. Een kubieke meter lucht bij de grond heeft maar zo'n 1,2 kg massa, dus het gas binnen moet veel lichter zijn dan lucht om iets te laten stijgen. Helium, met 0,18 kg/m³, laat ongeveer 1 kg hefkracht per kubieke meter over. Hete lucht werkt omdat lucht uitzet als je hem verwarmt: bij gelijke druk daalt zijn dichtheid als zijn temperatuur in kelvin stijgt, en ρ·T blijft gelijk, zodat lucht van 100 °C ongeveer een vijfde lichter is dan lucht van 20 °C. In beide gevallen is de hefkracht (ρ_air − ρ_in)·g·V, en die moet de omhulling, de mand en de lading dragen. Daarom zijn heteluchtballonnen enorm, en daarom dragen ze minder in de bergen of op warme dagen, waar de buitenlucht ijler is.

Een gericht leermodel

Lucht heeft 1,2 kg/m³ bij de grond bij 20 °C, en 1,0 kg/m³ op de hoogvlakte; helium heeft 0,18 kg/m³. Feestballonnen en de heliumomhulling vullen zich 2 s lang gelijkmatig. De brander van de heteluchtballon verwarmt zijn lucht 2 s lang gelijkmatig, van de buitendichtheid tot de opgegeven dichtheid, of van 20 °C tot jouw temperatuur, met ρ·T gelijk in kelvin. De ballon stijgt op precies wanneer (ρ_air − ρ_in)·V de massa bereikt die hij draagt (binnen 0,05 % stijgt hij nog op); dan stopt het vullen of verwarmen en wordt hij 1,5 s lang stijgend getekend. De grootte van de omhulling en de verandering van de lucht met de hoogte zijn weggelaten, en niets is op schaal. Het aantal ballonnen moet het kleinste zijn dat vliegt; een lading, een temperatuur of een volume moet opstijgen met hoogstens 2 % over. g = 9,8 m/s². Speelt in echte tijd.

Bij het wisselen van taal blijven je vlucht, voorspelling, pogingen en voortgang behouden.