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