Heißluftballon

Physikalische Grundlagen

Ob ein Körper steigt, schwebt oder sinkt, wird vom Verhältnis seiner Gewichtskraft zur Auftriebskraft bestimmt (Bild 2). Für die Auftriebskraft gilt das Gesetz von ARCHIMEDES (archimedisches Gesetz), das man für einen Heißluftballon folgendermaßen formulieren kann: Die auf einen Heißluftballon wirkende Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der verdrängten Luftmenge.
Die die Auftriebskraft vom Volumen der verdrängten Luftmenge und diese wiederum von Masse und Dichte bestimmt wird, ist auch das Verhältnis der Dichten maßgeblich dafür, wie sich ein Ballon verhält. Es gilt:

Steigen F A > F G ρ ¯ Ballon < ρ Luft
Schweben F A = F G ρ ¯ Ballon = ρ Luft
Sinken F A < F G ρ ¯ Ballon > ρ Luft

Damit ein Ballon z. B. steigen kann, muss seine mittlere Dichte kleiner als die der umgebenden Luft sein. Das wird erreicht, indem man über einen Brenner eine größere Menge heiße Luft, die eine kleinere Dichte als kalte Luft hat, in die Ballonhülle bringt.

Kräfte bei einem Heißluftballon im Zustand des Schwebens

Kräfte bei einem Heißluftballon im Zustand des Schwebens

Moderne Heißluftballons

Moderne Heißluftballons unterscheiden sich in ihrem grundsätzlichen Aufbau nur wenig von dem ersten Heißluftballon, den die Gebrüder MONTGOLFIER 1783 bauten und erfolgreich starteten. Nach ihnen bezeichnete man solche Ballons als Montgolfieren.

Ein moderner Heißluftballon (Bild 3) besteht aus einer relativ großen Ballonhülle, die aus Stoffbahnen zusammengenäht ist. Die Größe ist erforderlich, um den notwendigen Auftrieb zu gewährleisten. Der Ballon ist unten offen. Unterhalb dieser Ballonöffnung ist ein Korb befestigt, in dem die Ballonfahrer sind und wo sich auch ein mit Propangas betriebener regelbarer Brenner befindet. Der Ballon hat an der Oberseite eine Öffnung, das sogenannte Kalottenloch. Diese Öffnung wird normalerweise durch den inneren Druck mit einem Schirm, auch Parachute genannt, verschlossen. Über Leinen kann der Parachute heruntergezogen werden. Damit strömt warme Luft oben aus.

Aufbau eines Heißluftballons

Aufbau eines Heißluftballons

Um zu starten, muss zunächst eine größere Menge heiße Luft in die Ballonhülle gebracht werden. Wenn die Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft des gesamten Ballons ist, beginnt er zu steigen. Zugleich bewegt er sich mit der Luftströmung vorwärts.
Die Veränderung der Flughöhe kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden. Physikalisch geht es immer um die Veränderung der mittleren Dichte des Ballons. Dafür gibt es folgende Möglichkeiten:

  • Es wird heiße Luft in die Ballonhülle geblasen. Die mittlere Dichte des Ballons wird kleiner. Der Ballon steigt.
  • Es wird Ballast (Wasser, Sand) abgeworfen. Die mittlere Dichte des Ballons bleibt gleich. Der Ballon steigt.
  • Die Luft im Ballon kühlt sich allmählich ab. Die mittlere Dichte des Ballons wird größer. Der Ballon sinkt.
  • Der Parachute wird geöffnet. Die mittlere Dichte des Ballons wird größer. Der Ballon sinkt.
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