Wie hält man einen Heliumballon zwischen 1 und 5 Meter über dem Boden? (ohne es zu binden)

Wenn Sie einen "schlaffen" Ballon haben (einen ohne Elastizität, wie er für extreme Höhenarbeiten verwendet wird, wie der, den Felix Baumgartner für den höchsten freien Fall verwendet hat)

dann ist der Innendruck derselbe wie der Außendruck, und der Ballon findet aufgrund des Drucks keine Gleichgewichtsposition (das verdrängte Luftvolumen ändert sich mit der Höhe, und das Gewicht der verdrängten Luft bleibt unverändert). Wie Peter Green betonte, wenn solche Ballons in einer bestimmten Höhe einen "vollständig aufgeblasenen" Zustand erreichen, hören sie auf zu steigen (erreichen ein Gleichgewicht) - vorausgesetzt, sie platzen nicht aufgrund des sich aufbauenden Druckunterschieds. Für Wetterballons ermöglicht dies eine ausreichend feine Höhensteuerung; aber es ist bei weitem nicht die Reichweite von 1-5 m, nach der Sie fragen.

Auf der anderen Seite, wenn Sie einen vollkommen starren Behälter hätten, dann ist es denkbar, dass Sie eine Höhe sehen, bei der sich der „Ballon“ stabilisieren würde. Es ist erwähnenswert, wie klein der Druckgradient ist. Die Näherungsgleichung (unter Vernachlässigung bestimmter großräumiger Effekte) ist

Die Ableitung:

Daraus folgt, dass sich der Druck bei einer Höhenänderung von ca. 88 m um 1 % ändert; Wenn Sie über einen Bereich von 1 - 5 m stabilisieren möchten, benötigen Sie einen starren Ballon mit einer Masse, die auf 0,05 % genau ist. Aber natürlich gilt immer noch das ideale Gasgesetz, sodass eine Temperaturänderung von 1 ° C die Dichte um etwa 0,3 % ändert. Das bedeutet, dass die Temperatur auf etwa 0,1 ° C bekannt (und stabil) sein muss, bevor Sie überhaupt darüber nachdenken können ...

Aber warten Sie - es gibt noch mehr. Der Druck im Inneren eines gewöhnlichen (Spielzeug-) Ballons sinkt mit zunehmender Größe des Ballons : Das bedeutet, dass ein "echter" Ballon mit elastischen Wänden, der anfänglich zu leicht ist, nicht nur aufsteigt, sondern weiter steigt, da der Auftrieb tatsächlich zunimmt Der Ballon wird höher, da die elastische Haut weniger in der Lage ist, einen Druckunterschied auszuhalten, wenn der Ballon größer wird. Typischerweise ist das Ergebnis, dass der Ballon schließlich platzt – daher die Notwendigkeit eines „schlaffen“ Ballons für Arbeiten in großer Höhe.

Wenn Sie jetzt nur eine dünne Schnur an der Unterseite Ihres Ballons hängen haben und sie über den Boden schleift, dann wird das zusätzliche Gewicht der Schnur, die der Ballon trägt, dafür sorgen, dass er eine stabile Höhe findet – auch ohne dass er gebunden ist.

Schlussbemerkung: In Innenräumen gibt es normalerweise einen leichten Luftstrom, der die Bewegung eines „freien“ Ballons erheblich beeinflusst. Und "billige" Heliumballons haben eine erhebliche Leckage, was bedeutet, dass ein Ballon, der in einem Moment den richtigen Auftrieb hat, im nächsten Moment zu schwer ist. Ich habe einmal ein Experiment gemacht, bei dem ich einen Ballon aufgeblasen und eine Schachtel Streichhölzer darunter gehängt habe; Dann wartete ich, bis der Ballon mit der Streichholzschachtel landete, nahm ein Streichholz heraus und sah zu, wie es wieder davonschwebte. Es würde ungefähr 10 Minuten dauern, bis es "landet", und ich wiederholte den Zyklus. Das gab eine gute Möglichkeit, die Leckagerate für diesen speziellen Ballontyp in "Spielgewichten pro Stunde" abzuschätzen.

wenn wir unsere Diskussion auf Wetterballons wie diesen beschränken

und das ideale Gasgesetz annehmen, können wir das Problem stark vereinfachen. Der Ballon ist schlaff; es steht nicht unter Spannung, und der Druck und die Temperatur des Wasserstoffs oder Heliums sind dieselben wie die der Umgebungsluft.

Angenommen, wir geben 2 Gramm Wasserstoff (oder 4 Gramm Helium) in den Ballon. Abhängig von der örtlichen Temperatur und dem atmosphärischen Druck nimmt dieses eingeführte Gas ein bestimmtes Volumen ein (dasselbe gilt für die angegebenen Gewichte der beiden Gase). Das Volumen beträgt fast 22 Liter, da das Molekulargewicht von Wasserstoff 2,00 und das Atomgewicht von Helium 4,0 beträgt.)

Jetzt der hinterhältige Teil. Dieses Volumen verdrängt ein gleiches Luftvolumen, und dieses Volumen hat eine Masse von etwa 29 Gramm , da die Luft die gleiche Temperatur und den gleichen Druck wie das Ballongas hat und das "Molekulargewicht" von Luft (eine Mischung aus hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff) liegt bei etwa 29,0

Wenn der Ballon aufsteigt und sich die Umgebungstemperatur und der Umgebungsdruck ändern, ändert sich das Volumen des Gases, aber der Nettoauftrieb pro Gramm Gas ändert sich nicht .

Ein bestimmter Ballon mit einer bestimmten Last und Masse an Traggas hat also entweder einen negativen Auftrieb und sinkt, bis der Boden einen Teil der Last aufnimmt, oder er hat einen positiven Auftrieb und steigt auf, bis der Ballon straff wird oder durch die Kälte bricht. ..

Ideale Gase (von denen reale Gase nur eine Annäherung sind) gehorchen der Beziehung$PV = const$(bei konstanter Temperatur). Dies wird nicht funktionieren, da der Druck mit zunehmender Höhe abnimmt. Wenn der Ballon aufsteigt, fällt der Druck außerhalb des Ballons und er dehnt sich aus, vergrößert sein Volumen und verringert die Dichte des Gases im Inneren.

In der realen Atmosphäre muss auch die Temperatur nicht berücksichtigt werden, aber ihre Wirkung sollte für Luft und Helium ungefähr gleich sein.

Es könnte Sie interessieren, einen Blick auf meine Antwort auf Warum steigen und fallen Heliumballons zu werfen? wo ich ein eng verwandtes Problem beantworte.

Die Änderung des Auftriebs mit dem Druck hängt davon ab, wie steif die Haut des Ballons ist. Ist die Haut sehr steif, dh das Ballonvolumen ändert sich nicht, wenn sich der Außendruck ändert, dann ist die Auftriebskraft proportional zum Außendruck:

Es wird einen Druck geben, bei dem der Auftrieb gleich der Ballonmasse ist, und im Prinzip wird der Ballon bei diesem Druck schweben. Das Problem ist, dass sich der Druck (wie andere in Kommentaren gesagt haben) nur sehr allmählich mit der Höhe ändert, sodass der Höhenbereich, über den der Ballon effektiv neutralen Auftrieb hat, ziemlich groß sein wird. Die Ballonbewegung wird von zufälligen Luftströmungen dominiert, und ich vermute, Sie haben keine Chance, ihn in einer ausgewählten Höhe zwischen einem und fünf Metern zum Schweben zu bringen.

Übrigens, wenn die Ballonhaut sehr flexibel ist, wird der Auftrieb weniger durch Druck beeinflusst und das Problem wird noch schwieriger. Im Grenzbereich eines vollständig flexiblen Kinns wird der Auftrieb vom Druck nicht beeinflusst und Sie haben keine Chance, den Ballon in einer ausgewählten Höhe zum Schweben zu bringen.

Wenn Sie drinnen sind, dann ...

1. Dichten Sie alle Risse oder Öffnungen in der Decke und in den Wänden über dem Mittelpunkt ab. Dazu gehören die Lücken um Anschlussdosen und zwischen Trockenbauplatten. Dichtungsmasse und Klebeband sind hier deine Freunde.
2. Löschen Sie alle offenen Flammen und beseitigen Sie alle möglichen Funkenquellen. Auch nicht rauchen!
3. Lassen Sie eine Wasserstoffmenge frei, die der Hälfte des Raumvolumens entspricht (verwenden Sie mehr, wenn die Decke höher als 10 Meter ist). Wasserstoffgas ist farblos, so dass Sie dies nicht mit dem Auge erkennen können - holen Sie Ihren Notizblock und Bleistift heraus, um die Gesamtmenge des freigesetzten Gases im Auge zu behalten! Denken Sie daran, dass sich der Wasserstoff erheblich ausdehnt, wenn Sie ihn aus den Flaschen lösen, also gehen Sie langsam vor und übertreiben Sie es nicht, sonst ersticken Sie wahrscheinlich selbst.
4. Warten Sie eine Minute, bis der gesamte Wasserstoff aufsteigt und sich stabilisiert.
5. Lassen Sie den Heliumballon los. Es sollte aufhören zu steigen, wenn es auf die Grenzfläche zwischen Luft und Wasserstoff trifft, und geheimnisvoll 1-5 Meter über dem Boden schweben.

Wenn Sie Probleme mit Turbulenzen haben, die die Wasserstoff- und Luftschichten vermischen, versuchen Sie, den Atem anzuhalten und sich nicht mehr so ​​viel zu bewegen. Wenn immer noch zu viel Turbulenz vorhanden ist, evakuieren Sie die Luft in der unteren Hälfte des Raums und ersetzen Sie sie durch Schwefelhexafluorid.

Nein, das funktioniert nicht, es sei denn, Sie möchten eine Schnur binden. Der Grund dafür: Es gibt keinen Unterschied zwischen der Luftdichte zwischen 1 m und 5 m oder einem ähnlichen Bereich.

Wenn also die Nettodichte des Ballons geringer ist als die von Luft, würde er weiter steigen. In ähnlicher Weise würde es zu Boden sinken, wenn es mehr als die Dichte der Luft wäre.

Die beste Chance, die Sie haben, ist (praktisch höchst unwahrscheinlich), dass Sie sehr wenig Helium im Ballon haben, so dass die Nettodichte des Ballons einschließlich des Kunststoffs gleich der von Luft ist. (Ein mit Luft gefüllter Ballon hat aufgrund des zusätzlichen Kunststoffs eine höhere Dichte als Luft.) Er würde also einfach an Ort und Stelle schweben.

Theoretisch nimmt der Luftdruck mit der Höhe ab. Wenn Ihr Ballon also vollständig aufgeblasen und unelastisch ist und nicht platzt, schwebt er bis zu einer bestimmten Höhe und bleibt dort.

Das Problem ist, dass die Druckvariation über den Höhenbereich, mit dem Sie arbeiten, winzig ist. Auch der Luftdruck ist nicht konstant, sondern wetterabhängig.

Was können wir also dagegen tun?

1. Wir könnten unseren Ballon am Boden festbinden, aber das haben Sie in Ihrer Frage eindeutig ausgeschlossen.
2. Wir könnten unseren Ballon an ein Gewicht binden, das Gewicht liegt auf dem Boden, während der Ballon darüber schwebt. Ebenso könnten wir eine Kette mit dem Kettengewicht an unserem Ballon befestigen, sodass ein Teil davon auf dem Boden aufliegt. Mir ist nicht klar, ob Ihr "ohne Bindung" dies ausschließt oder nicht.
3. Wir können ein aktives Kontrollsystem aufbauen. Wir können ein Laser-Entfernungsmessgerät verwenden, um die Entfernung vom Boden zu messen. Basierend auf den Ergebnissen passen wir dann die Boyancy an. Luftschiffe tun dies normalerweise, indem sie einen "Ballon im Ballon" verwenden, in den Luft gepumpt wird, um den Auftrieb zu verringern.