BALON UDARA

Balon udara adalah sebuah kantung fleksibel yang umumnya berisikan gas seperti helium, hidrogen, nitrogen monoksida dan udara.

Balon udara mempunyai dua tipe yaitu:

1.   Balon udara yang diisi dengan udara panas, yaitu balon udara yang mempunyai pembakar yang berfungsi untuk memanaskan udara dalam balon sehingga udara dalam balon menjadi lebih ringan dari udara luar sekitarnya.

2.      Balon udara yang diisi dengan gas yang memang ringan, yaitu balon udara yang diisi gas yang ringan seperti contohnya gas hydrogen. Namun kelemahan gas hidrogen ini adalah mudah terbakar. Jika ingin aman bisa menggunakan gas helium, namun sangat mahal.

   

Teori-teori fisika pada Balon Udara

1)      Hukum Archimedes

Gaya apung terjadi karena semakin dalam zat cair, semakin besar tekanan hidrostatiknya. Hal ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan ada bagian atasnya. Gaya apung muncul karena selisih antar gaya hidrostatik pada permukaan benda atas dan bawah. Fluida melakukan tekanan hidrostatik p₁=ρ_fgh₁ pada bagian atas benda. Gaya yang berhubungan dengan tekanan ini adalah F₁=p₁A =ρ_fgh₁A berarah ke bawah. Dengan cara yang sama, pada permukaan bagian bawah diperoleh F₂=p₂A =r_fgh₂ A berarah ke atas.

Resultan kedua gaya ini adalah gaya apung Fa, yakni :

F_a = F₂ – F₁

= ρ_fgA(h₂ - h₁)

= ρ_fgAh

= ρ_fgV_b = m_f g = w_f

Berdasarkan persamaan di atas, dikatakan bahwa gaya apung pada benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Hal ini dikemukakan oleh Archimedes dalam hukumnya yang menyatakan Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.

2) Hukum III Newton

Newton mengatakan bahwa kenyataan dalam kehidupan sehari-hari ketika sebuah benda memberikan gaya kepada benda lain maka benda kedua tersebut membalas dengan memberikan gaya kepada benda pertama, di mana gaya yang diberikan sama besar tetapi berlawanan arah. Jadi gaya yang bekerja pada sebuah benda merupakan hasil interaksi dengan benda lain.

Apabila sebuah benda memberikan gaya kepada benda lain, maka benda kedua memberikan gaya kepada benda yang pertama. Kedua gaya tersebut memiliki besar yang sama tetapi berlawanan arah. Secara matematis Hukum III Newton dapat ditulis sebagai berikut :

F A ke B = – F B ke A

F A ke B adalah gaya yang diberikan oleh benda A kepada benda B, sedangkan F B ke A adalah gaya yang yang diberikan benda B kepada benda A. Persamaan Hukum III Newton dapat ditulis sebagai berikut :

Faksi = -Freaksi

Hukum Newton ini dikenal dengan hukum aksi-reaksi. Ada aksi 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 aksi dan reaksi adalah gaya kontak yang terjadi ketika kedua benda bersentuhan. Walaupun demikian, Hukum III Newton juga berlaku untuk gaya tak sentuh, seperti gaya gravitasi. Ketika kita menjatuhkan batu, misalnya, antara bumi dan batu saling dipercepat satu dengan lain. batu bergerak menuju ke permukaan bumi, bumi juga bergerak menuju batu. Gaya total yang bekerja pada bumi dan batu besarnya sama. Karena massa bumi sangat besar maka percepatan yang dialami bumi sangat kecil. Walaupun secara makroskopis tidak tampak, tetapi bumi juga bergerak menuju batu atau benda yang jatuh akibat gravitasi. Bumi menarik batu, batu juga membalas gaya tarik bumi, di mana besar gaya tersebut sama namun arahnya berlawanan.

Hukum III Newton berlaku pada Balon Udara yang bergerak

F_aksi = -F_reaksi

Hukum III Newton juga berlaku pada balon udara yang bergerak. Yang dimaksudkan di sini bukan balon udara yang bergerak karena ditiup angin, tapi karena di dorong oleh udara yang ada di dalam balon.

Prinsip Kerja Balon Udara

Prinsip kerja pada balon udara yang diisi dengan udara panas dan balon udara yang diisi dengan gas ringan  pada  dasarnya  sama,  yaitu  dengan  membuat  udara  dalam  balon udara  lebih  ringan  atau memiliki massa  jenis  yang  lebih  kecil  dari  udara  luar  di sekitar  balon  sehingga  balon  udara dapat naik (terbang). Hal ini sesuai dengan prinsip Archimedes, yaitu  "Gaya apung yang bekerja pada benda yang dimasukkan dalam  fluida  sama dengan berat fluida yang dipindahkannya". Ini sejalan dengan udara sebagai fluida yaitu benda dapat terapung pada fluida  jika massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis fluida tersebut.

Semua partikel udara di atmosfer ditarik oleh gaya gravitasi ke bawah namun 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  sebagian besar partikel. Tingkat  tekanan  ini adalah  tekanan tertinggi pada permukaan bumi dimana udara pada tingkat ini dapat menahan beban di udara diatasnya, jika lebih  berat  berarti  lebih  besar  gaya  gravitasi  ke  bawah.  Akan tetapi gaya apung ini lemah dibandingkan dengan  gaya  gravitasi, hanya  sekuat berat udara  yang dipindahkan oleh  suatu benda.  Tentu saja 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 sekitarnya.

Untuk  membuat  benda  mengapung  di udara,  maka  berat  balon  dan  muatannya  harus lebih  ringan  dari  yang  ada  di  udara  sekitarnya, yaitu  dengan mengisi  balon  dengan  udara  yang tidak  terlalu  padat  daripada  udara  sekitarnya, semisal dengan mengisi balon udara dengan gas hidrogen  atau  gas  helium  yang memiliki massa jenis lebih kecil dari udara (Massa jenis helium = 0,1786 Kg/m3, udara=1,29 kg/m3). Karena udara dalam  balon  memiliki  massa jenis lebih kecil  daripada  udara  di  atmosfer  sehingga membuatnya  lebih  ringan  dan akibatnya  gaya  apung akan mengangkat balon ke atas.

Untuk balon udara yang diisi dengan udara panas, prinsip yang digunakan pun sama, jika ingin  mengubah  kondisi  udara  di  dalam  balon,  dapat  dikurangi  kepadatannya, sekaligus  menjaga  tekanan  udara  agar  tetap  sama  dengan  pemanasan  udara  secara  terus-menerus. Kekuatan  tekanan  udara  pada  objek  tergantung  pada  seberapa  sering  berbenturan dengan partikel-partikel udara objek serta gaya masing-masing tabrakan. Tekanan dapat ditingkatkan melalui dua cara yaitu:

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. 

Pada balon udara yang diisi dengan udara panas, agar balon udara dapat terbang maka di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan temperatur sekitar 100^oC. Udara panas ini  akan  terperangkap  di  dalam  envelope. Karena  udara  panas memiliki massa  jenis  yang lebih kecil daripada udara biasa maka ini 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. Sedangkan pada  balon udara  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). 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 .

sumber : https://fisika79.wordpress.com/2011/05/10/penerapan-hukum-archimedes/