Laporan Fisika Teknik Balon Udara Panas
PENGERTIAN
Balon ialah sebuah kantung fleksibel yang umumnya berisikan gas mirip helium, hidrogen, nitrogen monoksida dan udara. Beberapa jenis balon benar-benar murni dipakai sebagai elemen dekorasi, sedangkan jenis lainnya dipakai untuk tujuan-tujuan tertentu. Balon-balon pertama dibuat dari materi mirip membran yang berasal dari hewan (animal bladder). Balon-balon modern dibuat dari materi semacam karet, lateks, chloroprene dan nilon. Balon modern ditemukan oleh Michael Faraday pada tahun 1800-an, akan tetapi produksi massal balon belum terjadi hingga final tahun 1930-an.
Balon udara panas yaitu sebuah balon yang mempunyai massa jenis udara yang berbeda dengan udara disekitarnya, Dilakukan dengan cara dipanaskan dengan api sehingga udara akan mengalir dan balon akan naik ke atas. Balon udara panas ini biasanya dipakai oleh militer untuk melaksanakan pengintaian ke tempat lawan, seiring dengan perkembangan waktu Balon Udara Panas ini dipakai sebagai keperluan wisata.
PRINSIP KERJA BALON UDARA
1. Cara kerja balon udara
Cara balon udara bekerja prinsipnya sangat sederhana yaitu dengan cara memanaskan udara di dalam balon semoga lebih panas dari udara di luarnya. Karena kita tahu udara yang lebih panas akan lebih ringan lantaran masa jenis udara yang ada didalam balon lebih ringan dari udara di luar.
2. Cara Balon Udara Terbang
Seperti yang telah disebutkan di atas balon udara terbang dengan memanfaatkan Perbedaan berat udara dengan jalan memanaskannya. Untuk terbang udara di dalam envelope di panaskan dengan burner dengan temperature sekitar 100 derajat Celcius. Udara panas ini akan terperangkap di dalam envelope. Karena udara panas ini masa 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 menciptakan balon bergerak turun. Untuk mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve) sehingga udara di dalam envelope lebih cepat dingin. Karena balon udara hanya sanggup 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. Sebagai ilustrasi pada ketinggian 300 meter balon udara akan bergerak dari timur kebarat. Angin yang bertiup kebarat di perkirakan pada ketinggian 400 meter. Untuk itu pilot menaikan balon udara hingga ketinggian tersebut dan balon udara pun memanfaatkan tiupan angin untuk menuju kebarat. Sederhana bukan? Tapi hal ini hanya sanggup dipraktekan oleh pilot yang berpengalaman semoga balon udara tidak nyasar.
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. Sebagai ilustrasi pada ketinggian 300 meter balon udara akan bergerak dari timur kebarat. Angin yang bertiup kebarat di perkirakan pada ketinggian 400 meter. Untuk itu pilot menaikan balon udara hingga ketinggian tersebut dan balon udara pun memanfaatkan tiupan angin untuk menuju kebarat. Sederhana bukan? Tapi hal ini hanya sanggup dipraktekan oleh pilot yang berpengalaman semoga balon udara tidak nyasar.
KOMPONEN-KOMPONEN PADA BALON UDARA PANA
Balon udara secara garis besarnya mempunyai tiga penggalan utama yaitu envelope, burner, dan basket.
a) Envelope berisi udara/gas ringan (seperti Gas Hidrogen) yang berfungsi mengangkat Balon Udara dari landasannya bentuknya berupa kantong berupa balon tempat udara dipanaskan. Envelope ini biasanya terbuat dari materi nilon dan diperkuat dengan panel-panel yang di anyam. Karena nilon ini tidak tahan api, maka penggalan bawah envelope di lapisi dengan materi anti api (skirt).
b) Burner merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan udara di dalam Envelope. Burner di letakan di atas kepala penumpang erat ke verbal envelope. Burner ini mengatur tekanan dalam kantung udara semoga balon sanggup terbang dengan ketinggian yang diharapkan.
Balon udara panas sedang inflated dengan pembakar burners sebelum diluncurkan
c) Basket atau kabin penumpang, terletak di bawah kantung udara merupakan tempat awak mengendalikan balon udara atau penumpang yang menikmati penerbangan balon udara.Basket dibuat dari materi yang ringan dan lentur.
TEORI-TEORI FISIKA YANG TERDAPAT PADA BALON UDARA
Teori fisika yang terdapat pada balon udara panas ini diantaranya tentang 1) Hukum Archimedes, 2) Hukum III Newton, 3) Teori Kinetik Gas. Dari beberapa tori di atas berikut ini penjelasannya.
a) Hukum Archimedes
Balon udara naik atau turun bergotong-royong mengikuti aturan Archimedes. Hukum Archimedes menyampaikan bahwa “Benda di dalam zat cair akan mengurangi berat sebesar berat zat cair yang dipindahkan”. Hukum archimedes ini berlaku untuk semua fluida. Persamaan rumusnya ialah :
Fa = ρƒ . Vbƒ . g
keterangan
Fa = gaya angkat ke atas pada benda / gaya apung (N)
ρƒ = massa jenis udara (kg/m3)
Vbƒ = volume udara yang terdesak (m3)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)
Fa = gaya angkat ke atas pada benda / gaya apung (N)
ρƒ = massa jenis udara (kg/m3)
Vbƒ = volume udara yang terdesak (m3)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)
Aplikasi aturan archimedes ini dipakai balon udara untuk naik dan turun. Persisnya begini: gaya apung yang diterima oleh suatu benda yang melayang di suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkannya.
1. Saat ingin menaikkan balon udara
Fa > berat total balon
Fa > berat total balon
Dengan persamaan Fa = ρƒ . Vbƒ . g, maka yang sanggup dirubah ialah Vbƒ karna massa jenis udara ( ρƒ ) dan percepatan gravitasi (g) adalah konstan. Merubah Vbƒ dengan cara mengisi balon sehingga berat udara yang dipindahkan lebih berat dari berat balon. Untuk mencapai hal tersebut, prinsip kimia mengajarkan kita perihal mengisi balon dengan gas yang massa molekulnya lebih kecil dari massa rata-rata di udara atau dengan gas panas. Tidak semua gas memenuhi persyaratan itu, apalagi jikalau ada pertimbangan harga dan keselamatan. Beberapa di antaranya ialah gas Hidrogen (H2) dan Helium (He). Sehingga saat gaya apung (Fa) sudah lebih berat daripada berat total balon (berat balon dan muatan) sehingga balon mulai bergerak naik.
2. Saat ingin menurunkan balon udara
Fa < berat total balon
Fa < berat total balon
Dengan persamaan Fa = ρƒ . Vbƒ . g, maka yang sanggup dirubah ialah Vbƒ lantaran massa jenis udara ( ρƒ ) dan percepatan gravitasi (g) adalah konstan. Untuk menurunkan balon dengan cara mengurangi volume udara yang ada pada balon, sehingga saat gaya apung (Fa) lebih kecil daripada berat balon, dan berat balon bergerak turun.
b) Hukum III Newton
Newton menyampaikan bahwa kenyataan dalam kehidupan sehari-hari ketika sebuah benda memperlihatkan gaya kepada benda lain maka benda kedua tersebut membalas dengan memperlihatkan gaya kepada benda pertama, di mana gaya yang diberikan sama besar tetapi berlawanan arah. Kaprikornus gaya yang bekerja pada sebuah benda merupakan hasil interaksi dengan benda lain.
Apabila sebuah benda memperlihatkan gaya kepada benda lain, maka benda kedua memperlihatkan gaya kepada benda yang pertama. Kedua gaya tersebut mempunyai besar yang sama tetapi berlawanan arah. Secara matematis Hukum III Newton sanggup ditulis sebagai berikut :
F A ke B = – F B ke A
F A ke B ialah gaya yang diberikan oleh benda A kepada benda B, sedangkan F B ke A ialah gaya yang yang diberikan benda B kepada benda A. Misalnya ketika anda menendang sebuah batu, maka gaya yang anda berikan ialah F A ke B, dan gaya ini bekerja pada batu. Gaya yang diberikan oleh watu kepada kaki anda ialah – F B ke A. Tanda negatif memperlihatkan bahwa arah gaya reaksi tersebut berlawanan dengan gaya agresi yang anda berikan. Jika anda menggambar tanda panah yang melambangkan interaksi kedua gaya ini, maka gaya F A ke B digambar pada batu, sedangkan gaya yang diberikan watu kepada kaki anda, – F B ke A, digambarkan pada kaki anda. Persamaan Hukum III Newton di atas juga sanggup kita tulis sebagai berikut :
Faksi = -Freaksi
Hukum Newton ini dikenal dengan aturan aksi-reaksi. Ada agresi maka ada reaksi, yang besarnya sama dan berlawanan arah. Kadang-kadang kedua gaya tersebut disebut pasangan aksi-reaksi. Ingat bahwa kedua gaya tersebut (gaya aksi-gaya reaksi) bekerja pada benda yang berbeda. Berbeda dengan Hukum I Newton dan Hukum II Newton yang menjelaskan gaya yang bekerja pada benda yang sama.
Gaya agresi dan reaksi ialah gaya kontak yang terjadi ketika kedua benda bersentuhan. Walaupun demikian, Hukum III Newton juga berlaku untuk gaya tak sentuh, mirip gaya gravitasi. Ketika kita menjatuhkan batu, misalnya, antara bumi dan watu saling dipercepat satu dengan lain. watu bergerak menuju ke permukaan bumi, bumi juga bergerak menuju batu. Gaya total yang bekerja pada bumi dan watu besarnya sama. Karena massa bumi sangat besar maka percepatan yang dialami bumi sangat kecil. Walaupun secara makroskopis tidak tampak, tetapi bumi juga bergerak menuju watu atau benda yang jatuh jawaban gravitasi. Bumi menarik batu, watu juga membalas gaya tarik bumi, di mana besar gaya tersebut sama namun arahnya berlawanan.
Hukum III Newton berlaku pada Balon Udara yang bergerak
Faksi = -Freaksi
Hukum III Newton juga berlaku pada balon udara yang bergerak. Yang dimaksudkan di sini bukan balon udara yang bergerak lantaran ditiup angin, tapi lantaran di dorong oleh udara yang ada di dalam balon. Dapat dilakukan percobaan berikut. Ambil sebuah balon biasa dan tiuplah balon hingga balon mengembung. Jangan lupa jepit verbal balon dengan jari semoga udara tidak keluar. Lepas jepitan tangan pada verbal balon. Apa yang terjadi? Balon tersebut bergerak, jikalau posisi balon tegak, di mana verbal balon berada di bawah, maka balon akan meluncur ke atas. Balon bergerak ke atas lantaran balon memperlihatkan gaya agresi dengan mendorong udara ke bawah (udara keluar lewat verbal balon). Udara yang keluar lewat verbal balon memperlihatkan gaya reaksi dengan mendorong balon ke atas, sehingga balon bergerak ke atas. Apabila posisi balon dibalik, di mana verbal balon berada di atas, maka balon akan bergerak ke bawah. Besar gaya agresi dan reaksi sama, hanya berlawanan arah. Balon mendorong udara ke bawah, udara mendorong balon ke atas. Atau sebaliknya balon mendorong udara ke atas, udara mendorong balon ke bawah. Semakin banyak udara yang ditiupkan ke dalam balon, maka balon bergerak makin cepat ketika verbal balon tersebut dibuka. Hal ini disebabkan lantaran balon mendorong lebih banyak udara keluar, sehingga udara yang didorong tersebut memperlihatkan reaksi dengan mendorong balon. Semakin banyak udara yang ada di dalam balon, semakin usang dan jauh balon bergerak; semakin sedikit udara dalam balon, semakin pelan balon bergerak. Kaprikornus besar gaya agresi sama dengan besar gaya reaksi, hanya arahnya berlawanan.
c) Teori Kinetik Gas
Teori kinetik molekular gas menjelaskan bahwa gas memberi tekanan ketika molekul-molekulnya menumbuk dinding wadah. Semakin besar jumlah molekul gas per satuan volume, semakin besar molekul yang menumbuk dinding wadah, dan balasannya semakin tinggi tekanan gas. Asumsi teori ini ialah sebagai berikut.
1. Gas terdiri atas molekul-molekul yang bergerak random.
2. Tidak terdapat tarikan maupun tolakan antar molekul gas.
3. Tumbukan antar molekul ialah tumbukan elastik sempurna, yakni tidak ada energi kinetik yang hilang.
4. Bila dibandingkan dengan volume yang ditempati gas, volume real molekul gas sanggup diabaikan.
Berdasarkan asumsi-asumsi ini diturunkan persamaan berikut untuk sistem yang terdiri atas n molekul dengan massa m.
PV = nmu2/3
u2 ialah kecepatan kuadrat rata-rata. Jelas terlihat bentuk persamaan diatas identik dengan aturan Boyle. Memang, bila u2 bernilai tetap pada suhu tetap, persamaan di atas ialah variasi dari aturan Boyle.
Mengindikasikan kecepatan molekul gas merupakan fungsi dari PV. Karena nilai PV untuk sejumlah tertentu gas tetap, mungkin bahwa kecepatan molekul gas berafiliasi dengan massa gas, yakni massa molekulnya. Untuk 1 mol gas, persamaan berikut sanggup diturunkan.
PVm = NAmu2/3
Vm ialah volume molar dan NA ialah tetapan Avogadro. Dengan memasukkan PVm=RT di persamaan diatas, persamaan berikut didapatkan.
NAmu2 = (3/2)RT
PVm = NAmu2/3
Suku kiri persamaan berafiliasi dengan energi kinetik molekul gas. Dari persamaan ini, akar kuadrat rata-rata gas √u2 sanggup diperoleh.
√u2= √(3RT/NAm) = √ (3RT/M)
Dari persamaan gas ideal, maka sanggup disimpulkan:
1. Makin tinggi temperatur gas ideal makin besar pula kecepatan partikelnya.
3. Temperatur merupakan ukuran rata-rata dari energi kinetik tiap partikel gas.
4. Persamaan gas ideal (P V = nRT) berdimensi energi/usaha .
5. Energi dalam gas ideal merupakan jumlah energi kinetik seluruh partikelnya.
Sekarang kita andaikan sebuah balon udara yang mempunyai volume 2.250 meter kubik. Balon tersebut kira-kira akan memindahkan udara yang massanya sekitar 2.650 kilogram (pada tekanan 1 atm dan suhu 25 derajat Celsius). Kita sanggup menghitungnya dengan memakai persamaan gas ideal. dan memakai massa molekul relatif rata-rata udara yang dianggap 80 persen Nitrogen (N2) dan 20 persen Oksigen (O2). Dengan memakai rumus :
pV = nRT
Maka jikalau balon udara diisi dengan udara yang suhu dan tekanannya sama (25 derajat Celsius dan 1 atm), balon tidak akan naik lantaran sekarang berat udara yang dipindahkan sama dengan berat udara dalam balon. Seandainya kita panaskan udara dalam balon hingga sekitar 100 derajat Celcius, maka massa udara dalam balon dengan volume 2.250 meter kubik itu sekarang menjadi sekitar 2.100 kilogram alias lebih ringan dari massa udara yang dipindahkan.
Andaikan massa balon dan muatannya (termasuk berat awal) sekitar 500 kilogram, maka kita masih mempunyai selisih massa sebesar 50 kilogram atau selisih berat 50 kg.g (g = tetapan gravitasi bumi). Dengan selisih ini maka balon akan sanggup terbang. Bagaimana untuk suhu atmosfer, massa balon dan muatan, serta suhu gas panas dalam balon yang berbeda? Kita sanggup bermain-main dengan aneka macam angka pada tiga besaran di atas. Namun, yang niscaya ada hal lain yang harus diperhatikan, yaitu tekanan atmosfer yang bergantung pada altitude. Semakin tinggi dari permukaan air laut, semakin rendah tekanan atmosfer, penurunannya secara eksponensial. Hal ini akan memengaruhi nilai berat udara yang dipindahkan.
PERCOBAAN BALON UDARA
1. Alat dan Bahan :
· Plastik
· Kawat
· Spiritus
· Kain
· Korek api
· Gunting
· Cutter
· Perekat plastik
· Bambu
2. Langkah Kerja
1. Menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan
2. Mengecek alat dan materi sebelum digunakan, usahakan semua alat dan materi dalam keadaan baik.
3. Mengukur Volume plastik yang akan digunakan.
4. Membuat penggalan bawah balon udara dengan merekatkan bambu yang telah dibuat sesuai dengan bibir plastik
5. Kemudian memotong kawat secukupnya dan membentuk kawat mirip tanda plus(x).
6. Mengaitkan kawat di penggalan bawah balon.
7. Di penggalan tengah kawat diikatkan kain secukupnya yang telah dicelupkan spiritus.
8. Sebelum diterbangkan, balon dipanasi terlebih dahulu sekitar 10 – 30 detik semoga massa jenis udara didalam balon lebih kecil dari pada yang di luar balon.
9. Setelah massa jenis udara didalam balon lebih kecil dari pada yang di luar balon, menyulut kain dengan api semoga balon tetap terbang dan mendapat pemanas.
10. Mengamati dan menganalisa balon udara yang telah berhasil terbang.
11. Merapikan alat dan materi sesudah digunakan.
3. Gambar Percobaan
4. Analisa Project
a) Hukum Archimedes
Bunyi aturan Archimedes ialah “gaya apung yang diterima oleh suatu benda yang melayang di suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkannya.” .
Untuk menandakan berlakunya aturan Archimedes pada perancangan balon udara sederhana ialah sebagai berikut :
Diketahui : ρƒ = 1,43 kg/
r = 0.39 m
t = 1.2 m
g = 9.8 m/
Ditanya : Fa ?
Jawab :
Fa = ρƒ . Vbƒ . g
= (ρƒ) ( . . t ) ( g )
= (1,43 kg/ ) ( . . 1.2 m) (9.8 m/ )
= 8,032 N
b) Teori Kinetik Gas
Teori kinetik gas dipakai dalan pengaplikasian perancangan balon udara sederhana yang sanggup menandakan massa udara yang dipindahkan sebelum dan sesudah dipanaskan berbeda.
Diketahui : = 3.10-3 kg
V = 0.573
= 300 K
= 305 K
P V = n R T
n R = n R , lantaran n =
maka, R = R
karena R suatu konstanta maka sanggup dicoret,
sehingga, . 300 K = . 305 K
=
0.008 kg
Jadi telah terbukti jikalau massa udara yang dipindahkan lebih kecil sesudah dipanaskan.
5. Study kasus
Pada 2 buah balon udara yang masing-masing mempunyai massa, udara, luas lingkaran/alas,volume balon,tinggi maksimum dan waku yang berbeda untuk sanggup naik ke atas pada ketinggian tertentu, dimana:
v Perbandingan Gaya Angkat Keatas
Ø Balon I :
Diketahui: Massa : 7,4 gram
Suhu : 305 K
Waktu : 24,22 sec
Massa Jenis udara : 1,3 kg/m3
Fa1 = ρƒ . Vbƒ . g
=
=
= 1,3.0,25.10 = 3,25 N
Jadi, sanggup kita simpulkan bahwa balon ke-1 untuk mencapai ketinggian 5,5 meter dibutuhkan waktu 24,22 sec.
Ø Balon II :
Diketahui: Massa : 4,2 gram
Suhu : 307 K
Waktu : 29,03 sec
Massa jenis udara : 1,3 kg/m3
Fa2 = ρƒ . Vbƒ . g
=
= 1,3.
= 1,3.0,66.10 = 8,58 N
Jadi, sanggup kita simpulkan bahwa balon ke-1 untuk mencapai ketinggian 5,5 meter dibutuhkan waktu 29,03 sec.
v Perbandingan Massa maksimal penumpang
m3)
m=massa materi (kg)
v=volume (m3)
Ø Balon I
m = udara- balon )V balon
= (1,3 – 0,03)0.25
= 0,32 kg
Ø Balon II
m = udara- balon )V balon
= (1,3 – 0,02)0.66
= 0,84 kg
Jadi, dari hasil diatas sanggup disimpulkan bahwa semakin besar volume balon maka semakin besar pula penumpang/muatan yang sanggup diangkut.
| Variabel Percobaan | Massa (gram) | Suhu (Ko) | Massa jenis udara (kg/m3) | Waktu (s) | Gaya angkat ke atas (N) |
| Ke - 1 | 7,4 | 305 | 1,3 | 24,22 | 3,25 |
| Ke – 2 | 4,2 | 307 | 1,3 | 29,03 | 8,58 |
a. Tabel perhitunganng Gaya angkat ke atas (Fa)
Jadi dari table diatas kita sanggup menyimpulkan bahwa balon akan terbang ke atas jikalau masa balon lebih kecil dari pada gaya angkat ke atas atau sering dituliskan Fa > w.
| Variabel Percobaan | udara | balon | V balon | Massa max |
| Ke – 1 | 1,3 | 0,03 | 0,25 | 0,32 |
| Ke - 2 | 1,3 | 0,02 | 0,66 | 0,84 |
b. Table menghitung berat maksimal penumpang
Jadi dari table diatas kita sanggup menyimpulkan bahwa semakin besar volume maka balon udara akan sanggup mengangkut penumpang dengan jumlah yang banyak disbanding dengan balon yang bervolume kecil.
KESIMPULAN
Dalam pembuatan balon udara panas dibutuhkan teori-teori fisika yaitu Hukum Archimedes, Hukum Newton III, dan Teori Kinetik Gas.
Pada balon udara secara garis besar mempunyai 3 penggalan utama, yaitu envelope, burner, dan basket (kabin penumpang).
Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh bahwa yang mempengaruhi balon udara sanggup naik ialah massa, volume, dan suhu.
Semakin tinggi suhu yang dipanaskan pada balon maka akan semakin rendah pula tekanan udara yang ada pada balon udara dibanding dengan udara sekitar. Semakin besar volume balon maka akan semakin usang pula waktu yang dibutuhkan untuk terbang.
Balon sanggup naik dikarenakan Fa > w. Jika Fa < w maka balon tidak akan tetap pada posisi diam, hal ini dikarenakan beban yang lebih besar sehingga gaya angkatnya sulit untuk mengangkat balon udara semoga sanggup terbang. Balon udara sanggup terbang lantaran terdapat gaya agresi reaksi atau sering ditulis Faksi = Freaksi
DAFTAR PUSTAKA
Kanginan,Marthen.2006.Fisika Sekolah Menengan Atas kelas XI Semester 2.Jakarta:Penerbit Erlangga.
http://Science.howstuffworks.com diakses pada tanggal 18 september 2011,pukul 19.00
0 Response to "Laporan Fisika Teknik Balon Udara Panas"
Post a Comment