Prinsip Archimedes Pada Balon Udara

Sesuatu benda dapat terangkat keatas (terbang) disebabkan oleh dua faktor. Pertama, Faktor Alami yaitu benda dapat terbang karena massa jenis total benda tersebut lebih ringan dari udara sekitarnya, Contoh : balon Udara. Kedua, Faktor Paksaan yaitu benda dapat terbang karena adanya gaya angkat keatas lebih besar daripada gaya berat benda tersebut, Contoh : roket, rudal dll.
.

Kali ini saya akan menjelaskan Balon Udara, balon udara dapat terangkat keatas/terbang karena faktor alamiah, yaitu dapat terbang karena massa jenis total balon udara lebih ringan dari 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.

1.   Balon udara yang diisi dengan udara panas

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.

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

Envelope merupakan kantong yang terbuat dari bahan nilon berbentuk balon tempat udara dipanaskan. Karena nilon ini tidak tahan api, maka bagian bawah envelope dilapisi dengan bahan anti api (skirt). Envelope ini berisi udara/gas ringan (seperti gas hidrogen) yang berfungsi mengangkat balon udara dari landasannya.

Burner merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan udara di dalam envelope. Burner di letakan di atas kepala penumpang dekat ke mulut envelope. Burner ini mengatur tekanan dalam kantung udara agar balon dapat terbang dengan ketinggian yang diharapkan.

Basket atau keranjang merupakan tempat penumpang mengendalikan balon udara atau penumpang yang menikmati penerbangan balon udara. Basket dibuat dari bahan yang ringan dan lentur dan terletak di bawah kantung udara.

Cara kerja balon udara sangat sederhana yaitu dengan cara memanaskan udara di dalam balon agar lebih panas dari udara di luarnya sehingga balon udara mengembang dan dapat naik (terbang). Udara yang lebih panas akan lebih ringan karena masa per unit volumenya lebih sedikit.

 Untuk dapat terbang, udara di dalam envelope dipanaskan menggunakan burner dengan temperatur sekitar 100 derajat Celcius. Udara panas ini akan terperangkap di dalam envelope sehingga balon udara pun akan mengembang dan bergerak naik di dorong oleh udara yang bertekanan lebih kuat. Jika ingin mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun.

Balon udara dapat berpindah dari satu lokasi ke lokasi lain dengan cara memanfaatkan hembusan angin untuk bergerak secara horizontal. Arah tiupan angin berbeda pada setiap ketinggian tertentu. Perbedaan arah tiupan angin inilah yang dimanfaatkan oleh pengemudi balon udara untuk mengendalikan balon udara dari satu lokasi ke lokasi yang diinginkan.

2.   Balon udara yang diisi dengan gas yang memang ringan

Gas Hidrogen, gas ini merupakan gas yang paling ringan masanya di udara. Nah, gas yang lebih ringan dari udara tentunya bisa naik lebih tinggi.

Karena itu, Hidrogen dapat membuat balon terbang tinggi. Tetapi gas ini sangat berbahaya karena mudah terbakar, sehingga penggunaannya digantikan oleh gas lain.

Gas Helium merupakan gas kedua teringan yang hanya lebih berat dari Hidrogen. Helium termasuk dalam golongan gas mulia, yaitu gas yang paling stabil dan tidak mudah bereaksi. Ini berarti gas Helium tidak mudah terbakar seperti gas Hidrogen. Inilah yang menjadikan balon Helium pilihan terbaik sebagai pengganti balon Hidrogen.

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  kurang  massa  per  unit volume  daripada  udara  di  atmosfer  yang membuatnya  lebih  ringan  sehingga  gaya  apung akan mengangkat balon ke atas.

Prinsip kerja pada keduanya 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  dapat  terapung  pada  fluida,  jika  massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis fluida tersebut.