วันพุธ, 22 เมษายน 2558 22:35 by Physic05

บอลลูน


บอลลูน  (balloon) เป็นยานพาหนะที่ใช้ในการเดินทางทางอากาศ ด้วยหลักการของแรงลอยตัว (Buoyancy) ของอากาศร้อนที่เบากว่าอากาศเย็นรอบ ๆ บอลลูน  และของอากาศร้อนที่เบากว่าอากาศเย็นรอบ ๆ บอลลูน  โดยอาศัยหลักการการลอยตัวในของไหลของอาคิมิดิส ชาวกรีกผู้ที่พบว่า วัตถุจมอยู่ในของไหลจะได้รับแรงพยุงขึ้น เรียกว่า แรงลอยตัวนี้มีค่าเท่ากับน้ำหนักของของไหลซึ่งแทนที่ด้วยวัตถุนั้น

การลอยตัวของบอลลูน

ด้วยความฉลาดของมนุษย์ที่สังเกตเห็นว่า ควันไฟลอยสูงขึ้นในอากาศ สองพี่น้องชาวฝรั่งเศสในสกุลมองต์โกลฟิเยร์ คิดทำบอลลูนให้ลอยสูงขึ้นได้สำเร็จเป็นครั้งแรกในเดือนมิถุนายน 1783 โดยบรรจุอากาศร้อนไว้ภายในบอลลูน เพื่อทำให้เกิดแรงยกเพราะอากาศร้อนเบากว่าอากาศเย็นต่อจากนั้นก็ได้มีการคิดค้นสร้างอากาศยานประเภทเบากว่าอากาศและเรือเหาะซึ่งขับเคลื่อนด้วยเครื่องจักรกลขึ้น และพัฒนาขึ้นตามลำดับ

บอลลูนลอยอยู่ในอากาศได้เพราะภายในบอลลูนบรรจุก๊าซที่เบากว่าอากาศไว้ เช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียมหรืออากาศร้อน ทำให้ความหนาแน่นรวมของบอลลูน ต่ำกว่าความหนาแน่นของอากาศโดยรอบ บอลลูนจึงลอยอยู่ในอากาศด้วยหลักการของอาร์คีมิดิส เช่นเดียวกับที่ไม้ลอยน้ำ เหล็กลอยในปรอท ความสามารถในการยกน้ำหนักของบอลลูนจึงขึ้นอยู่กับปริมาตรของบอลลูนและความหนาแน่นของอากาศโดยรอบบอลลูนนั้น

บอลลูนและเรือเหาะเป็นสิ่งที่สะท้อนให้เห็นว่ามนุษย์ในสมัยก่อนมีความใฝ่ฝันที่จะบินได้เหมือนนก  แต่แกะ  เป็ด  และห่านกลับเป็นผู้สานฝันรายแรกที่โดยสารไปบนบอลลูน  (hot air balloon)  ที่นายโจเชฟ  (Joseph)  และนายเอเตียน  (Ettienne)  2 พี่น้องตระกูลมองต์โกลฟิเย  (Montgolfier  brothers)   ได้ออกแบบและสร้างในเดือนกันยายน  ปี  ค.ศ. 1783  หลังจากนั้นราว  2 เดือนในเมืองปารีส  ประเทศฝรั่งเศส  มาควิส ฟรังซัว ดาร์ลองส์  (Marquis Francois d’Arlandes)  หัวหน้าหน่วยทหารราบ  และนายปิลาร์ต เดอ โรซิเย  (Pilatre de Rozier)  นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสเป็นมนุษย์  2  คนแรกที่ได้ทดลองบินขึ้นสู่ท้องฟ้า  บอลลูนลูกนี้ประดิษฐ์โดยพี่น้องตระกูลมองต์โกลฟิเยอีกเช่นกัน  ทำจากกระดาษและผ้าไหม  ใช้วัสดุธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง  เช่น  ฟางข้าวและปุ๋ยคอก  ประวัติศาสตร์ได้บันทึกไว้ว่า  บอลลูนบินอยู่เหนือไร่องุ่นที่ระดับความสูง  500  ฟุตนานกว่า  22  นาที  จนชาวไร่ต่างพากันสงสัยว่ามีมังกรพ่นไฟบินลงมาจากฟากฟ้านั่นทีเดียว  บอลลูน  จึงเป็นสิ่งประดิษฐ์เพียงอย่างเดียวในสมัยนั้นที่ทำให้มนุษย์เดินทางได้ดั่งฝัน

บอลลูนอาศัยหลักการลอยตัวของอากาศร้อนที่เบากว่าอากาศเย็นรอบ ๆ บอลลูน  และแรงขับเคลื่อนมาจากลมที่พัดพาตามธรรมชาติ  แตกต่างจากเรือเหาะ  (airship) ที่ขับเคลื่อนลูกบอลลูนด้วยเครื่องจักร  ในขณะที่ลูกบอลลอยขึ้นสู่ฟากฟ้าตลอดระยะเวลาหลายปีนั้น  นายอองรี  กิฟฟาร์ด  (Henri  Giffard)  ได้ประดิษฐ์เรือเหาะขึ้นมาในปี  ค.ศ. 1852  เรือเหาะลำแรก  มีความยาว  44  เมตร  ลูกบอลลูนเป็นรูปทรงซิการ์มีถุงเชื้อเพลิงก๊าซซึ่งใช้ขับเคลื่อนเครื่องยนต์ขนาด  3  แรงม้า

และในปี  ค.ศ. 1900  ท่านเคาน์ท  เฟอร์ดินัน  วอน  เซปเปลิน  ชาวเยอรมัน  (Count  Ferdinand  Von  Zeppelin  of  Germany) ได้ประดิษฐ์เรือเหาะแบบมีโครง  (rigid  airship)  ลำแรกขึ้นมา  ตัวโครงทำจากโลหะ  ยาว  123  เมตร  เส้นผ่าศูนย์กลาง  12  เมตร  มีถุงเชื้อเพลิงทำด้วยยางบรรจุก๊าซไฮโดรเจน  มีครีบและหางเสือเพื่อบังคับทิศทาง  และขับเคลื่อนด้วยแรงขับดันจากการเผาไหม้ภายในเรือเหาะของท่านเคาน์ท  เซปเปลินลำที่มีชื่อเสียงมากที่สุดชื่อ  “ไฮเดนเบอร์ก  (hidenburg)”  ซึ่งถูกไฟไหม้ในขณะที่ลงจอดในเมื่องเลกเฮิร์สท  รัฐนิวเจอร์ซี  (Lake  hurst, New  Jersey)

ถึงแม้จะมีการประดิษฐ์เรือเหาะลำแรกขึ้นมาแล้วก็ตาม  แต่การทดลองขึ้นสู่ท้องฟ้าด้วยบอลลูนก็ยังมีอยู่อย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งบอลลูนที่ถือว่าเป็นต้นแบบของบอลลูนในยุคปัจจุบันนั้น  ได้เกิดขึ้นเมื่อวันที่  10  ตุลาคม  ปี  ค.ศ. 1960  เป็นบอลลูนโพลิยูรีเทนเคลือบไนลอนมีขนาดใหญ่ถึง  30,000  ลูกบาศก์ฟุต  ลอยขึ้นจากเมืองเบิร์นนิง  รัฐเนบราสกา  (Burning,  Nebraska)  โดยใช้ก๊าซโพรเพนเป็นเชื้อเพลิงในการทำอากาศร้อนภายในลูกบอลลูน

ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา  เที่ยวบินบอลลูนได้บรรทุกผู้โดยสารเหนือน่านฟ้าของทวีปยุโรปและอเมริกา  และได้กลายเป็นกีฬาที่สร้างความตื่นตา  ตื่นใจ  ในประเทศสหรัฐอเมริกา  อังกฤษ  และขยายมาจนถึงประเทศออสเตรเลียในปี  ค.ศ. 1970  ปัจจุบันในประเทศสหรัฐอเมริกา  มีบอลลูนอยู่มากถึง  5,000  ลูกทีเดียว

หลักการลอยตัวของบอลลูนและเรือเหาะอาศัยหลักของแรงลอยตัวที่เรียกว่า  “principle  of  buoyancy”  ของนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกชื่ออาร์คีมิดิส  (Archimedes)  โดยปรากฏเมื่อ  2,200  ปีที่แล้ว  ซึ่งเป็นกฎของความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักและปริมาตรที่ถูกแทนที่  อาร์คีมิดิสค้นพบว่าวัตถุลอยน้ำได้ถ้าหากน้ำหนักของวัตถุนั้นมีค่าไม่มากกว่าน้ำหนักของน้ำในปริมาตรเดียวเดียวกับที่วัตถุนั้นแทนที่  การลอยตัวได้ของวัตถุนั้นเกี่ยวข้องกับเรื่องของความหนาแน่นหรือน้ำหนักต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร  วัตถุนั้นจะลอยน้ำได้เมื่อความหนาแน่นของวัตถุมีค่าน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ

บอลลูนสามารถลอยตัวในอากาศได้ด้วยแรงลอยตัว  (buoyancy  force)  เช่นเดียวกับเรือที่ลอยอยู่ในน้ำ  หากเราเปรียบ  “น้ำ”  เป็น  “อากาศ”  การทำให้ความหนาแน่นของอากาศภายในบอลลูนน้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศภายนอกรอบ ๆ  ลูกบอลลูนนั้นสามารถทำได้โดยการให้ความร้อนกับอากาศภายในลูกบอลลูน  ทำให้อนุภาคอากาศภายในลูกบอลลูนดูดซับพลังงานความร้อน  อนุภาคจึงเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว  เกิดการชนกันเองและชนกับพื้นผิวภายในลูกบอลลูน  ทำให้เกิดแรงดันลอยตัวจำนวนมหาศาลที่จะทำให้ลูกบอลลูนลอยขึ้นสู่ท้องฟ้าได้  และเมื่อแรงลอยตัวมีค่าเท่ากับน้ำหนักของอากาศที่ถูกแทนที่ด้วยลูกบอลลูน  บอลลูนก็จะหยุดอยู่ที่ระดับความสูงหนึ่ง ๆ  เมื่อพิจารณาหลักความสมดุลของแรงตามธรรมชาติแล้ว  บอลลูนลอยขึ้นไปอยู่ในระดับที่ทำให้ความหนาแน่น  ภายในลูกบอลลูนมีค่าเท่ากับภายนอกบริเวณรอบ ๆ  บอลลูนเพื่อปรับสมดุลนั่นเอง  และจากหลักแรงลอยตัวของอาร์คีมิดิสนี้  ก้อนเหล็กไม่สามารถลอยน้ำได้เหมือนกับเรือเหล็กลำใหญ่  เพราะก้อนเหล็กแทนที่น้ำด้วยปริมาตรที่น้อยกว่า  ขนาดของเรือเหล็กลำใหญ่  บอลลูนก็คล้ายกัน  บอลลูนที่มีขนาดใหญ่สามารถลอยตัวขึ้นไปได้สูงกว่าบอลลูนขนาดเล็ก  เนื่องจากปริมาตรที่แทนที่อากาศนั้นมีค่ามากกว่า

บอลลูนมีส่วนประกอบสำคัญ  3 ส่วนคือ  ตัวบอลลูนรูปทรงกลมหรือเรียกว่า  “envelope”  ทำจากผ้าไนลอนชนิด  rip-stop  nylon  ที่ไม่ฉีกขาดง่าย  ถักทอแบบร่างแห  ทำให้มีน้ำหนักเบาและเหนียวทนทาน  มีการเคลือบภายในด้วยพลาสติกเพื่อช่วยเก็บอากาศร้อน  วัสดุที่ใช้ทำ  envelope  ของบอลลูนนี้จะแตกต่างจาก  envelope  รูปซิการ์บรรจุก๊าซฮีเลียมของเรือเหาะที่ทำจากวัสดุผสมโพลีเอสเทอร์ซึ่งเป็นวัสดุชนิดเดียวกับวัสดุที่ใช้ทำเสื้อของนักดับเพลิง  บอลลูนมีส่วนเปิดบริเวณด้านล่างใต้บอลลูนเรียกว่า  “skirt”  เป็นผ้าที่ทำจากไนลอนเช่นกัน  และเคลือบด้วยเส้นใยอะรามิด  ซึ่งทนต่ออุณหภูมิสูงและไม่ติดไฟ  เช่น  Nomex®  เพื่อป้องกันเปลวไฟ  จากหัวเผาเชื้อเพลิงที่เรียกว่า  “burner”  ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของบอลลูน  การบังคับวาล์วก๊าซนั้นเป็นแบบใช้มือเปิดปิด  envelope  ติดกับตะกร้าโดยสารด้วยสายเคเบิลเหล็กกล้า  และมีการออกแบบโดยใช้ผ้าสีสันสดใสที่มีรูปแบบทรงเรขาคณิตเย็บติดกัน  ถูกม้วนพับเก็บรักษาอย่างดีเพื่อกันเชื้อรา  และต้องตรวจตราอย่างสม่ำเสมอว่ามีรอยฉีกขาดหรือไม่เพื่อความปลอดภัยตามมาตรฐานของสมาพันธ์บริหารวิชาการบินหรือ  FAA  (Federal  Aviation  Administration)  ซึ่ง  envelope  ที่ดีจะมีอายุการบินนานถึง  500  ชั่งโมงหรือมากกว่านั้น

ส่วนที่สามคือตะกร้าโดยสาร  หรืออาจเรียกว่า  “gondola”  ใช้สำหรับบรรทุกถังเชื้อเพลิง  ผู้โดยสาร  และอุปกรณ์ที่จำเป็น  เช่น  เข็มทิศ  เครื่องวัดระดับความสูง  (altimeter)  เครื่องมือวัดอุณหภูมิ  (pyrometer)  ของ  envelopy  และเครื่องวัดอัตราการไต่ระดับความสูง  gondola  ทำมาจากหวายถักอย่างแน่นหนาบนแกนเหล็กกล้าหรืออะลูมิเนียม  แต่มีน้ำหนักเบา  และมีความยืดหยุ่นตัวดี  เพื่อรับแรงกระแทกในขณะที่ลงจอดและทนทานต่อการแตกหัก  มีการเคลือบด้วยยูรีเทนทั้งภายในและภายนอก  เพื่อป้องกันความชื้นขนาดของบอลลูนกำหนดจากส่วนสูง  เส้นผ่าศูนย์กลาง  และปริมาตร  บอลลูนสำหรับเล่นกีฬาในประเทศอเมริกานั้น  โดยเฉลี่ยมีส่วนสูง  70  ฟุต  เส้นผ่าศูนย์กลาง  55  ฟุต  ซึ่งสามารถเก็บอากาศได้  77.000-105,000  ลูกบาศก์ฟุต  ส่วนบอลลูนขนาดใหญ่ที่ใช้สำหรับบรรทุกผู้โดยสารนั้น  สามารถบรรจุอากาศได้มากถึง  500,000  ลูกบาศก์ฟุต  โดยมีความสูง  85  ฟุตและเส้นผ่าศูนย์กลาง  65  ฟุต  บอลลูนบางลูกใช้สำหรับเดินทางรอบโลก  จึงมีความสูง  160  ฟุตและมีความจุอากาศได้มากถึง  2.6  ล้านลูกบาศก์ฟุตเลยทีเดียว

นอกจากนั้น  บอลลูนยังถูกนำมาใช้ในการสำรวจภูมิอากาศหรือสภาพอากาศที่มนุษย์ยังไม่สามารถเข้าถึงได้  เช่น  บอลลูนที่ชื่อว่า  “heated  balloon”  ได้ถูกใช้เพื่อสำรวจดาวอังคารเมื่อปี  ค.ศ. 2000   เป็นบอลลูนขนาด  25  ตารางฟุต  ถูกเคลือบด้วยสารเคลือบทำจากโลหะสีดำเพื่อสร้างความร้อนขึ้นภายในลูกบอลลูน  สามารถทำให้เมทานอลเหลวระเหยกลายเป็นไออยู่ในลูกบอลลูน  และลอยอยู่ได้ในบรรยากาศของดาวอังคารที่ประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์  ซึ่งสามารถลอยอยู่เหนือดาวอังคารได้เพียง  1  วันเท่านั้น

link วิทยาศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านวิทยาศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด

link คณิตศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านคณิตศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด
UNESCO Bangkok

ICT in Education newsletter

SEAMEO Congress

Programme with Presentations

Black Ribbon