Prinsip Archimedes balon udara

Prinsip Archimedes Pada Balon Udara

A.           Sejarah Balon Udara

Pada tahun 1709 di Lisbon, Bartolomeu de Gusmo berhasil membuat balon yang dapat bergerak naik di dalam suatu ruangan setelah udara di dalam balon dipanaskan. Dia juga membuat balon Passarola yang berhasil terbang dari Benteng Saint George sejauh sekitar satu kilometer. Kemudian tahun 1766, Joseph Black berkeyakinan bahwa balon yang diisi dengan hidrogen akan mampu naik di udara.

Balon udara panas adalah teknologi penerbangan pertama oleh manusia, ditemukan oleh Montgolfier bersaudara di Annonay, Perancis pada 1783. Peristiwa kebakaran pada suatu malam di benteng Gibraltar membuat Joseph berpikir akan kemungkinan pembakaran dari bara api dapat mengangkat sebuah benda. Dia percaya bahwa ada asap gas khusus yang menyebabkan hal itu terjadi. Dia menyebutnya gas tersebut adalah "Mongolfier gas".

Lewat hipotesis itu, dia membangun ruang kotak berukuran 1 x 1 x 1,3 m dari kayu yang tipis. Lalu, sisi atasnya ditutup dengan kain ringan. Di bagian bawah kotak, dia menyulut beberapa kertas. Ternyata, hasil pembakaran itu mengangkat balon perlahan. Hasil percobaan itu membuat mereka semakin bersemangat. Dua bersaudara itu mengumumkan pembuatan proyek besar. Yakni, balon udara raksasa yang menampung beberapa orang. Balon itu berbentuk kain kabung dengan tiga lapisan tipis di dalamnya. Balon tersebut mampu menampung 790 m¸ udara dengan berat 225 kg.

Akhirnya, mereka demonstrasi pada 4 Juni 1783 di Paris. Uji coba itu dilakukan dengan disaksikan para pejabat khusus. Percobaan sukses. Balon udara mereka mampu terbang di ketinggian 1.600-2.000 m dari permukaan tanah serta mampu menempuh jarak 2 km dalam 10 menit. Penerbangan pertama dengan manusia diadakan pada 21 November 1783, di Paris oleh Pilatre de Rozier dan Marquis d'Arlandes.

B.            Tipe Balon Udara

Ada dua tipe balon udara, yaitu:

 1. Balon Udara yang diisi dengan udara panas.

 

Bagian-bagian balon udara:

Balon udara secara garis besarnya mempunyai tiga bagian utama yaitu envelope, burner, dan basket.

a.       Envelope bentuknya berupa kantong berupa balon tempat udara dipanaskan. Envelope ini biasanya terbuat dari bahan nilon dan diperkuat dengan panel-panel yang di anyam. Karena nilon ini tidak tahan api, maka bagian bawah envelope di lapisi dengan bahan anti api (skirt) seperti PVC.

b.      Burner merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan udara di dalam Envelope. Burner di letakan di atas kepala penumpang dekat ke mulut envelope.

c.       Basket atau keranjang merupakan tempat penumpang. Basket dibuat dari bahan yang ringan dan lentur.

1.      Balon Udara yang diisi dengan gas yang ringan.

Gas yang biasanya digunakan adalah gas hidrogen dan gas helium. Gas hidrogen ringan namun mudah terbakar. Sedangkan gas helium tidak mudah terbakar namun sangat mahal.

A.           Prinsip Kerja Balon Udara

Prinsip kerja pada balon yang diisi dengan udara panas dan balon yang diisi dengan gas ringan pada dasarnya sama, yaitu dengan membuat udara dalam balon lebih ringan atau memiliki massa jenis yang lebih kecil dari udara luar sekitar balon sehingga balon udara dapat naik (terbang). Sesuai dengan prinsip Archimedes:

“Gaya apung yang bekerja pada benda yang dimasukkan dalam fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkannya”

Udara merupakan fluida. Dimana benda yang dapat terapung pada fluida, jika massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis fluida tersebut. Agar balon udara dapat terbang, di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan temperatur sekitar 100^oC. Udara panas ini akan terperangkap di dalam envelope. Karena udara panas ini massa per unit volumenya lebih sedikit membuatnya lebih ringan sehingga balon udara pun akan bergerak naik di dorong oleh udara yang bertekanan lebih kuat.

Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner . Udara yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun. Untuk mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve) sehingga udara di dalam envelope lebih cepat dingin. Pada balon yang berisi gas ringan, terdapat kantung-kantung pasir yang diikatkan ditepian keranjang. Ketika balon udara ingin terbang tinggi, maka kantung-kantung pasir tersebut dibuang di udara, namun ketika balon udara ingin diturunkan maka gas pada balon udara dibuang.

Karena balon udara hanya bisa naik dan turun (bergerak secara vertikal) tentu kita berpikir bagaimana cara balon udara berpindah dari satu lokasi ke lokasi lain (bergerak secara horizontal). Jawabanya hanya satu, pilot memanfaatkan hembusan angin untuk bergerak secara horizontal. Karena angin bertiup berbeda arahnya pada setiap ketinggian tertentu. Perbedaan arah tiupan angin inilah yang dimanfaatkan oleh pilot untuk mengendalikan balon udara dari satu lokasi ke lokasi yang diinginkan.

Semua partikel udara di atmosfer ditarik oleh gaya gravitasi ke bawah. Tapi tekanan di udara menciptakan gaya ke atas yang bekerja berlawanan dengan gravitasi. Kumpulan udara membangun keseimbangan gaya gravitasi, dimana pada titik ini gravitasi tidak cukup kuat untuk menarik ke bawah sejumlah besar partikel.

Tingkat tekanan ini adalah tertinggi pada permukaan bumi dimana udara pada tingkat ini dapat menahan beban diudara diatasnya, jika lebih berat berarti lebih besar gaya gravitasi ke bawah. Ketika Anda bergerak ke atas atmosfer lebih tinggi lagi , massa udara semakin kurang, dan sehingga menyeimbangkan tekanan berkurang. Inilah sebabnya mengapa terjadi penurunan tekanan udara semakin naiknya ketinggian.

Perbedaan tekanan udara menyebabkan gaya apung ke atas di udara di sekitar kita. Pada dasarnya, tekanan udara di bawah benda lebih besar daripada diatasnya, sehingga mendorong udara keatas lebih besar dibanding ke bawah. Tapi gaya apung ini adalah lemah dibandingkan dengan gaya gravitasi, hanya sekuat berat udara yang dipindahkan oleh suatu benda. Jelas, sebagian besar benda padat apa pun akan menjadi lebih berat daripada udara yang dipindahkan, sehingga gaya apung tidak bergerak sama sekali. Gaya apung hanya dapat memindahkan hal-hal yang lebih ringan daripada udara di sekitar mereka.

Untuk membuat benda mengapung di udara, maka harus lebih ringan daripada volume yang sama udara di sekitarnya, yaitu dengan mengisi balon dengan udara yang tidak terlalu padat daripada udara sekitarnya. Karena udara dalam balon memiliki kurang massa per unit volume daripada udara di atmosfer yang membuatnya lebih ringan sehingga gaya apung akan mengangkat balon ke atas. Tetapi sekali lagi, lebih sedikit partikel per volume udara artinya tekanan udara lebih rendah, sehingga tekanan udara sekitar akan menekan balon udara sampai kepadatan di dalamnya sama dengan kepadatan udara di luar.

Ada lebih sedikit partikel udara per satuan volume di dalam balon, tetapi karena partikel-partikel tersebut bergerak lebih cepat, dalam dan luar tekanan udara yang sama.

Dengan asumsi bahwa udara di balon dan udara di luar balon ada di bawah kondisi yang persis sama. Maka, jika kita mengubah kondisi udara di dalam balon, kita dapat mengurangi kepadatan, sekaligus menjaga tekanan udara yang sama. Kekuatan tekanan udara pada objek tergantung pada seberapa sering berbenturan dengan partikel-partikel udara objek, serta gaya masing-masing tabrakan. Kita melihat bahwa secara keseluruhan kita dapat meningkatkan tekanan dalam dua cara:

1.             Meningkatkan jumlah partikel udara sehingga ada sejumlah besar partikel berdampak atas luas permukaan tertentu.

2.             Meningkatkan kecepatan partikel sehingga partikel menghantam daerah lebih sering dan setiap partikel bertabrakan dengan kekuatan yang lebih besar.

Jadi, untuk menurunkan kerapatan udara dalam balon tanpa kehilangan tekanan udara, Anda hanya perlu meningkatkan kecepatan partikel udara. Anda dapat melakukannya dengan mudah dengan pemanasan udara. Partikel udara menyerap energi panas dan menjadi lebih bereaksi. Hal ini membuat mereka bergerak lebih cepat, yang berarti mereka bertabrakan dengan permukaan lebih sering, dan dengan kekuatan yang lebih besar.

Udara panas memberi tekanan udara yang lebih besar per partikel daripada udara dingin. Jadi naiknya balon udara ke atas adalah karena balon tersebut dipenuhi dengan panas, udara menjadi kurang padat dan dikelilingi oleh udara lebih
dingin namun lebih padat. Jadi intinya balon udara bisa terbang setinggi mungkin asalkan suhu di atmosphere tidak mengalami penurunan. karena balon udara terbang dengan menggunakan udara panas, untuk memberikan tekanan.

Gambar gaya pada Balon Udara

Gaya apung pada balon udara:

FB = W_He + W_beban

FB = (m_He + m_beban) . g

ρ_udara .V.g = (ρ_He.V+ m_beban) . g

ρ_udara .V = ρ_He.V+ m_beban

Jika Balon udara naik, maka :

ρ_udara .V > ρ_He.V+ m_beban

Jika Balon udara turun, maka :

ρ_udara .V < ρ_He.V+ m_beban