Ballonfahren – Aerostatik - Virtuelle Schule

Oktober 2010
Mag. Markus Artner, BG & BRG Neunkirchen
Ballonfahren – Aerostatik
Szenario für den Einsatz mobiler Endgeräte in Museen
Grundlagen: Luft, Druck und Temperatur
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Um Heißluftballone und Luftschiffe verstehen zu können, musst du Einiges über Luft, Druck
Temperatur und Dichte wissen. Der Druck ist die Kraft, die pro 1m 2 wirkt.
Auf Meereshöhe wirkt ein mittlerer Luftdruck von 1,013 bar. Das entspricht etwa der
Gewichtskraft eines 10-Tonnen LKWs auf 1m 2 . Dieser Druck wird durch die Bewegung der
Luftteilchen verursacht.
Die Temperatur entsteht durch die Wärmebewegung, je schneller sich die Teilchen bewegen,
desto größer ist die Temperatur.
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Warme Luft steigt auch immer nach oben, kalte Luft bleibt am Boden: Asche steigt in der
warmen Luft über einem Feuer auf, bevor sie in einiger Entfernung wieder nach unten fällt.
In einem Zimmer verteilt sich die warme Luft, indem sie vom Heizkörper aufsteigt.
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König Hieron II beauftragte 250 v. Chr. Archimedes mit der Überprüfung der Echtheit einer
Goldkrone. Archimedes löste das Problem, indem er die Krone in Wasser eintauchte. Aus dem
überlaufenden Wasser konnte der die Dichte der Krone berechnen. Der Sage nach lief er
danach nackt durch Syrakus und schrie "Heureka, ich hab's".
Es dauerte aber fast 2000 Jahre, bis die Brüder Montgolfier und andere Pioniere diese
Entdeckung für Heißluftballone nutzen konnten.

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Eine sehr berühmte Frau in den Reihen der Ballonfahrer war Elise Garnerin (Ende 18. Jhdt.).
Die "Venus im Ballon" wagte auch Fallschirmsprünge aus 1000 Meter Höhe und beeindruckte
damit sogar König Wilhelm III.
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Die Brüder Montgolfier entdeckten, dass Fallschirme, wenn sie mit warmer Luft gefüllt
waren, nach oben stiegen. Sie dachten, es wäre der Rauch des Feuers, der das Aufsteigen
verursachte und suchten nach einem Brennstoff, welcher möglichst viel Rauch erzeugen kann.
1782 war die erste "aerostatische Maschine" fertig gestellt. Im Freien stieg sie etwa 20
Meter hoch.
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Eine öffentliche Aufführung des Experiments fand 1783 statt. Ein qualmendes Feuer wurde
unter der Öffnung entfacht. Der etwa 10 m große Ballon schoss in die Höhe und landete etwa
2 km vom Startort entfernt. Leider war man damals nicht in der Lage, die Flughöhe zu
messen.
Für die Wissenschaft war es lange das "Feuergas" aus Stroh und Wolle, welches für den
Auftrieb verantwortlich war. Dass es aber das archimedische Prinzip war, stellte sich erst
später heraus.
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Wilhelmine Reichard war die erste deutsche Frau, die mit einem Ballon 1811 aufstieg. 1820
wohnte in Prag sogar der österreichische Kaiser einer ihrer Fahrten bei. Damit erlangte sie
große Berühmtheit.

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Experiment
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Die Wärmebewegung der Luftteilchen kannst du mit dem Modellexperiment zur Gaskinetik"
im Raum "Konzepte und Konsequenzen" durchführen.
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Eine Teebeutelrakete kannst du dir selbst bauen:
Schneide von einem Teebeutel das Ende mit der Klammer ab, entferne die Teeblätter und
stelle ihn wie eine Röhre auf (verwende dazu am besten einen Teller). Achte darauf, dass die
Röhre nicht umfällt. Zünde anschließend den Teebeutel oben an. Beobachte was geschieht.
Auf der nächsten Seite gibt es das Video dazu:
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Video Teebeutel

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Warme Luft und Auftrieb
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Wird Luft oder ein anderes Medium von einem Gegenstand wie z.B. einem Luftballon
verdrängt, wirkt auf den Luftballon eine Kraft nach oben. Der physikalische Grund ist
derselbe wie bei einem Wasserball, auf den, wenn er unter Wasser gehalten wird, eine Kraft
nach oben wirkt. Diese Kraft nennt man den Auftrieb.
Die Auftriebskraft ist genauso groß wie die Gewichtskraft der verdrängten Wasser- oder
Luftmenge.
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Wenn sich Teilchen schneller bewegen, dehnt sich ein Medium wie Luft aus, weil die
Teilchen mehr Platz benötigen. Darum hat warme Luft eine kleinere Dichte als kalte.
1m³ warme Luft wiegt weniger als 1m³ kalte Luft. Deshalb ist die Auftriebskraft
größer als die Gewichtskraft und die warme Luft steigt nach oben.
Ein Luftballon mit warmer Luft steigt nach oben, wenn seine Auftriebskraft größer
ist als die Gewichtskraft des Ballons und der warmen Luft.
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Der Teebeutel wirkt wie ein Rauchfang. Die bei der Verbrennung erzeugte Hitze erwärmt die
Luft im Inneren des Teebeutels. Da warme Luft nach oben steigt, hebt der nun abgebrannte
Teebeutel ab und schwebt mit dem Luftstrom nach oben.
Beschleunigend wirkt auch, dass die noch zusammenhängende Asche des abgebrannten
Teebeutels deutlich leichter geworden ist als der ursprüngliche Teebeutel. Nach Abkühlung
sinkt der restliche Teil langsam wieder ab.

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Die Formel für die Gewichtskraft lautet F = mg
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Auftrieb: F A = m Luft g = V Luft ρ Luft g
Gewicht: F G = m Luft(warm) g = V Luft ρ Luft(warm) g
ρ Luft =1,3 kg/m 3 bei 25°C, ρ Luft = 388,6/T (50% rel. LF), also für 100°C: ρ Luft = 1,04
F = F A – F G = 13 - 10,4 = 2,6 N pro m 3
Ein Heißluftballon mit einem Volumen von 4000 m³ (20 m Durchmesser) könnte damit eine Masse von
etwa 1040 kg heben.

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Riesen der Lüfte
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In Heißluftballons wird die Luft im Ballon erhitzt, wodurch der Ballon aufsteigt. Die heiße
Luft im Ballon besitzt eine geringere Dichte als die umgebende kühle Luft. Kühlt die heiße
Luft im Inneren mit der Zeit ab, wird auch der Auftrieb geringer. Aus diesem Grund erhitzt
der Ballonfahrer die Luft immer wieder mit einem Gasbrenner.
Heißluftballone besitzen einen vom Korb aus steuerbaren Deckel, um für das Sinken warme
Luft ausströmen zu lassen (der Auftrieb wird kleiner).
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Ferdinand Graf von Zeppelin erhielt er am 13. August 1898 ein Patent für ein „Lenkbares
Luftfahrzeug“. Der Gasraum war gefüllt mit Wasserstoffgas und aufgeteilt in mehrere
zylindrische Zellen.

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Zeppelin besaßen Höhen- und Seitenruder, Propeller für den Vortrieb und fest mit dem
Gerippe verbundene Gondeln für die Passagiere.
Der größte Zeppelin war das deutsche Luftschiff “Hindenburg“, es trug ein Gasvolumen von
über 200.000 m³.
Moderne Zeppeline verwenden anstatt des entzündlichen Wasserstoffs das nicht brennbare
Edelgas Helium, dessen Dichte etwa doppelt so groß ist wie Wasserstoff.
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Leichter als Luft
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In der Ausstellung "Verkehr" im obersten Stockwerk befinden sich im Schaukasten Modelle
der bekanntesten Zeppeline. Luft besitzt ein sehr geringes Gewicht und obwohl diese
Giganten eine Masse von hunderten Tonnen besaßen, waren sie wirklich "leichter als Luft".
An der Rückseite des Schaukastens findest du einen Querschnitt durch die Hülle des
Zeppelins.
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Einer dieser Zeppeline wurde leider durch ein Unglück beim Landemanöver zerstört. Das
Unglück beendete den Personenverkehr durch Luftschiffe.
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Im Schaukasten findest du die ersten fahrbereiten Ballone. Neben der Heißluft gab es auch
noch andere Möglichkeiten, Ballone aufsteigen zu lassen.

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Diese beiden Ballonkörbe unterscheiden sich in einigen Punkten. Finde heraus, in welchen.
Wurde bei allen beiden Heißluft verwendet?

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Quiz:
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1 m³ heiße Luft wiegt
a) mehr als 1m 3 kalte Luft
b) weniger als 1m 3 kalte Luft
c) gleich viel wie 1m 3 kalte Luft
d) Luft hat kein Gewicht
Seite 2:
Wenn Luft in einem Ballon erwärmt wird...
a) sind Luftteilchen schneller
b) dehnen sich die Luftteilchen aus
c) steigt das Volumen des Ballons
d) sind Luftteilchen langsamer
Seite 3:
Welche (irrtümliche) Begründung fanden die Montgolfiers für das Aufsteigen des Ballons?
a) Das Prinzip von Archimedes
b) Qualmenden Rauch
c) Die Anziehungskraft des Mondes
d) Das Verbrennungsprodukt CO 2
Seite 4:
Womit war das Luftschiff „Hindenburg“ gefüllt, um in Luft Auftrieb zu bekommen?
a) Helium
b) warme Luft
c) Sauerstoff
d) Wasserstoff
Seite 5:
Ein Heißluftballon steigt nach oben wenn der...
a) Auftrieb 0 ist
b) Auftrieb > als sein Gewicht ist
c) Auftrieb < als sein Gewicht ist
d) Ballon mit Luft gefüllt ist

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6. Wie lang war der größte Zeppelin?
a) etwa 165 m
b) etwa 205 m
c) etwa 225 m
d) etwa 245 m
7. Wozu benötigte ein Zeppelin dieses Bauteil?
a) Zum Lenken
b) Zum Steigen
c) Zum Sinken
d) Um Überdruck auszugleichen
8. Unter welchem Namen war das Luftschiff LZ129 bekannt?
a) Graf Zeppelin
b) Graf Zeppelin II
c) Hindenburg
d) Deutschland
9. Ein Luftschiff kann im Gegensatz zu einem Heißluftballon
a) steigen und sinken
b) leicht transportiert werden
c) große Höhen erreichen
d) mit einem Ruder gelenkt werden
10. 50° heiße Luft wiegt
a) 1290 Gramm
b) 1087 Gramm
c) 590 Gramm
d) 170 Gramm