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    29 de abril de 2012

    Como funcionam os balões de ar quente


    Se você realmente precisa chegar rápido a algum lugar, um balão de ar quente é sem dúvida o veículo menos indicado. Efetivamente você não pode manobrá-lo, e ele viaja na velocidade que o vento sopra. Mas se simplesmente quer apreciar a experiência de voar, não há nada igual. Muitas pessoas descrevem a experiência de voar em um balão de ar quente como uma das atividades mais serenas, agradáveis que elas já experimentaram.

    Balões de ar quente também são uma aplicação engenhosa de princípios científicos básicos. Neste artigo, veremos o que faz estes balões subirem no ar, e como o desenho dos balões permite ao piloto controlar a altitude e velocidade verticais. Você ficará fascinado pela bela simplicidade destas primeiras máquinas de voar!



    Um balão de ar quente da CargoLifter para 4 passageiros


    Balões de ar quente são baseados em um princípio científico muito básico: o ar mais quente sobe mais que o ar frio. Essencialmente, o ar quente é mais leve que o ar frio, porque ele tem menos massa por unidade de volume. Um pé cúbico de ar pesa aproximadamente 28 gr. Se você aquecer este ar a 37,8ºC, ele pesa em torno de 7 gr a menos. Portanto, cada pé cúbico de ar contido em um balão de ar quente pode suspender em torno de 7 gr. Isso não é muito, e este é o porquê dos balões de ar quente serem tão enormes - para suspender 453,6 kg, você precisa de aproximadamente 1840,8 m³de ar quente!

    Para manter o balão subindo, você precisa de uma maneira para reaquecer o ar. Balões de ar quente fazem isto com um queimador posicionado sob o envelope do balão, quando o ar no balão esfria, o piloto pode reaquecê-lo acionando o queimador.



    Um balão de ar quente tem três partes essenciais: o queimador, que aquece o ar; o envelope de balão, que segura o ar; e o cesto, que carrega os passageiros.


    Balões de ar quente modernos aquecem o ar queimando propano, a mesma substância comumente usada em churrasqueiras ao ar livre (em inglês). O propano é armazenado em forma líquida comprimida, em cilindros leves posicionados na cesta do balão. A mangueira de entrada desce ao fundo do cilindro para que ele possa expelir o líquido.



    A chama do queimador aquece o ar no envelope do balão


    Devido ao fato do propano ser altamente comprimido nos cilindros, ele corre rapidamente através das mangueiras para a serpentina de aquecimento. A serpentina de aquecimento é simplesmente um tubo de aço disposto na forma de uma mola ao redor do queimador. Quando o balonista liga o queimador, o propano flui inicialmente na forma líquida, e é aceso por uma luz piloto. Como a chama queima, ela aquece o metal da tubulação. Quando o tubo aquece, ele aquece o propano que flui através dele. Isto muda o propano de líquido para gás, antes que seja aceso. Este gás cria uma chama mais poderosa e mais eficiente no consumo de combustível.

    Na maioria dos balões de ar quente modernos, o envelope é feito de longos gomos de náilon tratado, reforçado com costura em forma de teia. Os tecidos de náilon, que se estendem da base do envelope ao topo, são feitos de um número de painéis menores. O náilon funciona muito bem em balões porque é leve e bastante resistente, e tem uma alta temperatura de derretimento. A saia (o náilon na base do envelope) é coberta com material especial à prova de fogo, para evitar que a chama inflame o balão.

    O ar quente não escapará do buraco no fundo do envelope porque a flutuabilidade o mantém subindo. Se o piloto continuamente acender os jatos de combustível, o balão continuará a subir. Há uma altitude limite superior, já que eventualmente o ar se torna tão rarefeito que o empuxo(força de flutuação) fica fraco demais para suspender o balão. O empuxo é igual ao peso do ar deslocado pelo balão, assim um balão com envelope maior geralmente terá um limite de altitude superior ao de um balão menor.



    Componentes do queimador



    A cesta segura os passageiros, os tanques de propano e o equipamento de navegação


    A maioria dos balões de ar quente usam uma cesta de vime para o compartimento dos passageiros. O vime funciona muito bem porque é resistente, flexível e relativamente leve. A flexibilidade ajuda nos pousos do balão. Em uma cesta feita de um material mais rígido, os passageiros iriam sentir-se afetados pela força do impacto. O material de vime flexiona um pouco, absorvendo parte da energia.

    Pilotagem

    Pilotar um balão precisa de habilidade, mas os controles são muito simples. Para suspender o balão, o piloto move um controle que abre a válvula de propano. Esta alavanca funciona como o botão de uma grelha ou fogão a gás. Quando você a liga, o fluxo de gás aumenta, então a chama cresce em tamanho. O piloto pode aumentar a velocidade vertical aumentando a chama para aquecer o ar mais rapidamente.



    Para aumentar o queimador, o piloto abre a válvula de propano


    Adicionalmente, muitos balões de ar quente têm um controle que abre uma segunda válvula de propano. Esta válvula envia propano através de uma mangueira que passa em volta da serpentina aquecida. Isto permite que o piloto queime propano líquido ao invés de propano em forma de gás. A queima de propano líquido é menos eficiente, tem chama mais fraca, porém é mais silencioso que o gás queimando. Os pilotos freqüentemente usam esta segunda válvula sobre as fazendas de gado, para não assustar os animais.

    Os balões de ar quente também têm uma corda para abrir a válvula do pára-quedas no topo do envelope. Quando o piloto puxa a corda presa, um pouco de ar quente pode escapar do envelope, diminuindo a temperatura do ar interno. Isto faz com que o balão atrase sua subida. Se o piloto mantiver a válvula aberta por um longo tempo, o balão cairá.



    A válvula do pára-quedas, de dentro do balão. Uma corda Kevlar corre da válvula no topo do balão, para baixo na cesta, através do centro do envelope.


    Essencialmente, estes são os únicos controles - aquecer para fazer o balão subir e dar vazão ao ar para fazer o balão cair. Isto levanta uma pergunta interessante: se os pilotos podem somente mover os balões de ar quente para cima e para baixo, como eles levam o balão de um lugar a outro? Como podemos notar, os pilotos podem manobrar horizontalmente mudando sua posição vertical, porque o vento sopra em diferentes direções e altitudes. Para mover em uma direção em particular, um piloto sobe e desce ao nível apropriado, e pilota com o vento. Como a velocidade do vento geralmente aumenta quando você sobe em altitude na atmosfera, os pilotos também podem controlar a velocidade horizontal mudando de altitude.

    Para manobrar o balão horizontalmente, o piloto sobe ou desce de altitude, pegando diferentes correntes de vento

    É claro, até mesmo o piloto mais experiente não tem controle completo sobre a rota de vôo do balão. Normalmente, as condições de vento dão ao piloto muito poucas opções. Conseqüentemente, você não pode pilotar um balão de ar quente seguindo um curso exato. E é muito raro que você seja capaz de pilotar um balão de volta ao seu ponto de patida. Então, diferentemente de pilotar um avião, pilotar um balão de ar quente é altamente improvisado de momento a momento. Por esta razão, alguns membros da tripulação de um balão de ar quente têm que permanecer no solo, seguindo o balão de carro para ver onde ele pousa. Então, eles podem estar lá para buscar os passageiros e equipamentos.

    Lançamento e aterrissagem. Muito do trabalho em baloagem de ar quente vem do começo e do final do vôo, quando a tripulação infla e desinfla o balão. Para o espectador, este é um show muito mais espetacular que um vôo de balão.

    Uma vez que a tripulação encontra um ponto de lançamento apropriado, eles prendem o sistema do queimador à cesta. Depois prendem o envelope do balão e começam a estendê-lo no solo.




    Uma vez que o envelope está estendido, a tripulação começa a inflá-lo, usando um poderoso ventilador na base do envelope.




    Quando há ar suficiente no balão, a tripulação lança a chama do queimador dentro da boca do envelope. Isto aquece o ar, aumentando a pressão até que o balão infle inteiro e comece a levantar do solo.





    Os membros da tripulação do solo seguram a cesta até que a tripulação de lançamento esteja a bordo. A cesta do balão está também presa ao veículo da tripulação do solo até o último minuto, assim o balão não será soprado para longe antes que esteja pronto para o lançamento. Quando tudo está preparado, a tripulação do solo solta o balão e o piloto acende uma chama estável do queimador. À medida que o ar aquece, o balão suspende imediatamente do solo.



     
    Surpreendentemente, todo este processo leva somente 10 ou 15 min. O processo de pouso, combinado com o desinflar e reembalar o envelope do balão, leva um pouco mais de tempo.

    Quando o piloto está pronto para pousar, ele discute possíveis locais de pouso com a tripulação do solo (através de um rádio a bordo). É preciso encontrar um espaço aberto, onde não haja linhas de energia e tenha bastante espaço para colocar o balão. Assim que o balão está no ar, o piloto está constantemente procurando por locais apropriados para pouso, no caso de haver uma emergência.

    O pouso do balão pode ser um pouco violento, mas um piloto experiente baterá ao longo do solo para parar o balão gradualmente, minimizando o impacto. Se a tripulação do solo conseguiu chegar ao local de pouso, eles irão segurar a cesta embaixo uma vez que tenha pousado. Se o balão não estiver em uma boa posição, a tripulação o puxa ao longo do solo para um local melhor.



    A tripulação de terra coloca uma lona (tarp) no solo para proteger o balão de desgastes e rasgos. Então o piloto abre toda a válvula do pára-quedas, para que o ar possa escapar pelo topo do balão. A tripulação de terra agarra a corda presa no topo do balão e puxa o envelope para cima da lona (tarp).

    Uma vez que o envelope do balão está no chão, a tripulação começa a expelir o ar para fora. Quando o balão é achatado, a tripulação o embala dentro de um saco. Todo este processo é muito parecido ao de empacotar um saco de dormir gigante.

    Voando com o vento Antes do lançamento, os pilotos entrarão em contato com o serviço de meteorologia para obter informações sobre o clima e condições do vento na área. Pilotos cautelosos voam somente quando o clima está perto do ideal - quando o céu está claro e as condições do vento estão normais. Tempestades são extremamente perigosas para balões de ar quente, por causa do perigo de uma queda de raio. Até a chuva é um problema, porque ela diminui a visibilidade e prejudica o material do balão e, é claro, não é muito divertido voar em clima molhado. E enquanto você precisa de uma boa corrente de vento para ter um bom vôo, ventos muito fortes poderiam facilmente destruir o balão.

    Os pilotos também podem ligar para o serviço de meteorologia para ter uma idéia aproximada do caminho que o balão viajará, e como eles devem manobrar quando estiverem no ar. Além disso, um piloto pode mandar um piball (abreviação para "piloto de balão"). Um piball é somente um balão cheio de hélio que o piloto libera para ver a direção exata do vento em um futuro local de lançamento. Se parecer que o vento irá levar o balão para um espaço de ar proibido, a tripulação precisa encontrar um novo ponto de lançamento.



    O piloto libera um piball cheio de hélio para
    ver a direção que o vento está soprando

     
    No ar, o piloto usará um altímetro, um variômetro e suas próprias observações para encontrar a altitude certa. Alcançar a altitude certa é um tanto complicado porque há pelo menos um atraso de 30 segundos entre abrir os queimadores e o balão realmente subir. Pilotos de balão têm que operar os controles apropriados um pouco antes de querer subir, e fechá-los um pouquinho antes de que queiram parar de subir. Pilotos inexperientes freqüentemente sobem muito alto antes de nivelar-se. Uma operação controlada vem somente com muitas horas de experiência em baloagem.



    O piloto carrega vários instrumentos a bordo do balão


    Agora que nós vimos como um balão de ar quente voa pelo ar, vamos ver as forças que tornam isto possível. Como podemos ver, balões de ar quente são uma demonstração extraordinária de algumas das mais fundamentais forças na Terra.

    Algo extraordinário sobre a nossa vida na Terra é que estamos constantemente andando em um fluido de alta pressão - uma substância com massa e sem forma. O ar ao nosso redor é composto de vários elementos diferentes em um estado gasoso. Neste gás, os átomos e moléculas dos elementos deslocam-se livremente, batendo uns nos outros e em tudo mais. Quando estas partículas colidem com um objeto, cada uma delas pressiona-o com uma pequena quantidade de energia. Isso porque como há muitas partículas no ar, esta energia resulta num considerável nível de pressão (ao nível do mar, aproximadamente 14,7 libras por polegada quadrada (psi), ou 1kg por centímetro quadrado (kg/cm2).

    A força da pressão do ar depende de duas coisas: 

    • da taxa de colisão de partículas - se mais partículas colidem em um período de tempo, então mais energia é transferida para um objeto
    • da força do impacto - se as partículas baterem com uma força maior, mais energia é transferida para um objeto
     
    Estes fatores são determinados pela quantidade de partículas de ar que existem em uma área e pela velocidade com que elas estão se movendo. Se há mais partículas, ou se elas estão viajando mais rapidamente, haverá mais colisões, e então maior pressão. Aumentar a velocidade da partícula também aumenta a força do impacto da partícula.

    Na maior parte do tempo não notamos a pressão do ar porque ele existe em nossa volta. Sendo todas as coisas iguais, partículas de ar dispersarão uniformemente em uma área de forma que exista uma densidade de ar igual em todos os pontos. Se nenhuma outra força agir, então a pressão de ar será a mesma em todos os pontos. Não somos empurrados por essa pressão porque as forças ao nosso redor se equilibram. Por exemplo, 1kg/cm² é certamente o suficiente para derrubar uma cadeira ou mesmo esmagá-la, mas como o ar é aplicado aproximadamente com a mesma pressão a partir da direita, da esquerda, de cima e de baixo e em qualquer outro ângulo, toda a força na cadeira é equilibrada por uma força igual e em sentido oposto. A cadeira não sente substancialmente pressão maior em nenhum ângulo em particular.

    Então, sem nenhuma outra força agindo, tudo estaria completamente equilibrado em uma massa de ar, com igual pressão de todos os lados. Mas na Terra, há outras forças que devem ser consideradas, sobretudo a da gravidade. Mesmo partículas de ar sendo extremamente pequenas, elas têm massa, e então são atraídas em direção à Terra. Em qualquer nível da atmosfera terrestre, esta atração é muito leve - as partículas de ar parecem se mover em linhas retas, sem caírem notadamente em direção ao solo. Então, a pressão é bastante equilibrada em pequena escala. De uma maneira geral, no entanto, a gravidade puxa as partículas para baixo, causando um aumento gradual da pressão à medida que você se move em direção à superfície da Terra.

    Pressão de ar + gravidade= flutuabilidade: todas as partículas na atmosfera são puxadas para baixo pela força da gravidade (força descendente). Mas a pressão no ar cria uma força ascendente agindo opostamente à atração da gravidade, ou seja, a densidade do ar equilibra a força da gravidade, assim ela não se torna forte o bastante para puxar para baixo um número maior de partículas.

    Esta pressão é bem mais alta na superfície da Terra porque o ar neste nível está sustentando o peso de todo o ar acima dele - mais peso acima significa uma força gravitacional mais forte para baixo. À medida que você se move através dos níveis da atmosfera, o ar tem menos massa acima dele e então, a pressão de equilíbrio diminui. Este é o motivo pelo qual a pressão cai quando você sobe em altitude.




    Esta diferença na pressão do ar causa uma força de flutuação (empuxo) ascendente no ar ao nosso redor. Essencialmente, a pressão do ar é maior embaixo do que acima das coisas, então o ar empurra mais para cima do que para baixo. Mas esta força de flutuação é fraca comparada à força da gravidade - é somente tão forte quanto o peso do ar deslocado por um objeto. Obviamente, a maioria dos objetos sólidos serão mais pesados que o ar que ele desloca, então a força da flutuação não move o objeto. A força da flutuação somente pode mover algo que seja mais leve que o ar em volta dele.

    Agora, vamos ver como os balões de ar quente tiram vantagem deste princípio básico.

    Para a flutuabilidade empurrar algo para cima, este algo tem que ser mais leve que um igual volume de ar em volta dele. Obviamente, nada é absolutamente mais leve que o ar. O vácuo pode ter volume mas não ter massa e, sendo assim, um balão com vácuo em seu interior deveria ser suspenso pela flutuabilidade do ar em volta dele. Isto não funciona, no entanto, por causa da força da pressão do ar ao redor. A pressão do ar não esmaga um balão inflado, porque o ar dentro do balão é empurrado para fora com a mesma força que o ar de fora empurra para dentro. O vácuo, por outro lado, não faz nenhuma pressão para fora, já que não há partículas batendo contra nada. Sem pressão igual para equilibrá-lo, a pressão externa do ar facilmente esmagará o balão e qualquer objeto forte o suficiente para agüentar a pressão do ar na superfície da Terra será pesado demais para ser suspenso pela força de flutuação.

    Outra opção seria encher o balão com ar menos denso que o ar ao seu redor. Como o ar do balão tem menos massa por unidade de volume que o ar na atmosfera este ar do interior do balão seria mais leve que o ar que ele está deslocando, então a força de flutuação suspenderia o balão. Porém, menos partículas de ar por volume significa pressão de ar mais baixa, então a pressão do ar ao seu redor comprimiria o balão até que a densidade do ar de dentro fosse igual à densidade do ar de fora.

    Tudo isto supondo que o ar no balão e o ar fora dele existam sob as mesmas condições. Se mudarmos as condições do ar dentro do balão, podemos diminuir a densidade, enquanto mantemos a pressão do ar igual. Como vimos acima, a força do ar em um objeto depende da freqüência que as partículas de ar colidem com esse objeto, assim como a força de cada colisão. Nós vimos que podemos aumentar a pressão total de duas maneiras: 

    • aumentar o número de partículas de ar para que haja um maior número de colisões de partículas sobre uma dada área da superfície dada;
    • aumentar a velocidade das partículas para que batam em uma área com mais freqüência e cada uma delas colida com uma força maior.



    Há menos partículas de ar por unidade de volume dentro do balão, mas como estas partículas estão se movendo mais rápido, a pressão interna e a externa do ar são as mesmas


    Então, para diminuir a densidade do ar em um balão sem perder a pressão, é preciso aumentar a velocidade das partículas de ar. Você pode fazer isto muito facilmente aquecendo o ar. As partículas de ar absorvem a energia térmica e se tornam mais ativas. Isto faz com que elas movam-se mais rapidamente, o que significa que elas colidem com uma superfície mais freqüentemente, e com uma força maior.

    Por essa razão, o ar quente exerce maior pressão por partícula que o ar frio, por isso você não precisa de tantas partículas de ar para obter a mesma pressão. Então o balão sobe porque está cheio de ar quente e menos denso e está rodeado de ar mais frio e mais denso.

    História da baloagem 
     
    A idéia básica por trás dos balões de ar quente já existe há muito tempo. Arquimedes, um dos maiores matemáticos da Grécia Antiga, descobriu o princípio da flutuabilidade há mais de 2 mil anos atrás, e pode ter concebido que as máquinas voadoras eram suspensas pela força. No século XIII, o cientista inglês Roger Bacon e o filósofo alemão Albertus Magnus pretendiam, hipoteticamente, voar em máquinas baseados nesse princípio.


    Balões ao vento
     
     Então, como é pilotar um balão de ar quente? É uma experiência extraordinariamente serena e pacífica. Como o balão move-se com o vento, você não sente nenhuma brisa. Sem os ventos movimentando-se, você normalmente nem associa com as altitudes altas, a experiência de voar parece muito segura e calma - você simplesmente levanta do chão e move-se com o ar na atmosfera!


    Mas nada saiu realmente do solo até o verão de 1783, quando os irmãos Montgolfier mandaram uma ovelha, um pato e uma galinha em um vôo de 8 minutos sobre a França. Os dois irmãos, Joseph e Etienne, trabalhavam para a prestigiada empresa de papel de sua família. Como um projeto paralelo, eles começaram a fazer experimentos com embarcações de papel elevadas por ar quente. Durante dois anos, eles desenvolveram um balão de ar quente com desenho muito parecido aos de hoje. Mas ao invés de usar propano, eles impulsionaram o modelo deles queimando palha, esterco e outro material colocado no fosso de fogo.

    A ovelha, o pato e a galinha foram os primeiros passageiros do balão em 19 de setembro de 1783, e os Montgolfiers os primeiros a demonstrar vôo para o Rei Luiz XVI. Eles entregaram ao rei algumas garantias de que os humanos podem respirar na atmosfera elevada. Dois meses depois, o Marquês Francois d'Arlandes, um major da infantaria, e Pilatre de Rozier, um professor de física, foram os primeiros humanos a voar.

    Outros balões de ar foram desenhados seguidos de ambiciosos vôos, mas em 1800, o balão de ar quente foi em grande parte ofuscado pelo balão a gás. Um fator desta redução de popularidade foi a morte de Pilatre de Rozier em uma tentativa de voar sobre um Canal Inglês. O novo balão que ele construiu incluía um pequeno balão de hidrogênio junto com o envelope do balão de ar quente. O fogo acendeu o hidrogênio no começo do vôo, e o balão inteiro pegou fogo.

    Mas o principal motivo dos balões de ar quente serem substituídos pelo balão a gás dirigível foi um superior número de desenhos e formas - principalmente porque eles têm mais autonomia de vôo, possibilitando manobras.

    Outro tipo popular foi o balão de fumaça. Este balão era erguido por uma chama no solo, e não tinha qualquer fonte de calor fixada a ele. Ele simplesmente subia rapidamente, e então baixava de volta ao solo. Ele foi usado principalmente como uma atração em feiras viajando nos Estados Unidos, no final do século XIX e começo do século XX. Um balonista colocava um pára-quedas e se prendia à lona do balão. Então, vários assistentes seguraram o balão sobre um fosso com fogo, fazendo o ar muito quente, e aumentando ainda mais a força ascendente. Quando a força fosse suficientemente grande - e se o balão não tivesse pegado fogo - os assistentes soltaram e o balonista era lançado ao ar. Quando o balão chegasse a um ponto elevado, o balonista saltava de pára-quedas ao solo.

    Desde a década de 60, do século XX, os tradicionais balões de ar quente têm experimentado um renascimento, em parte devido a um homem chamado Ed Yost e sua empresa, a Raven Industries. Yost e seus sócios fundaram as Indústrias Raven em 1956 e desenharam e construíram balões de ar quente para o Escritório Naval de Pesquisas Navais dos Estados Unidos (ONR). A ONR procurou os balões pelo fácil transporte de pequenas cargas. Yost e sua equipe tomaram o conceito básico do balão dos irmãos Montgolfier e ampliaram, adicionando o sistema de queimador de propano, novo material do envelope, um novo sistema de inflagem, e muitos equipamentos de segurança importantes.

    Eles também surgiram com a moderna forma de estilo de envelope lâmpada. Yost primeiro desenhou um grande balão esférico. Este balão funcionou bem, mas teve um padrão de inflagem estranho: quando o ar era aquecido, o topo do balão enchia em cima, mas a parte de baixo ficava menos inflada. Por eficiência, Yost somente se livrou do tecido extra do fundo, desenvolvendo a forma de balão "natural" que nós vemos hoje.

    No começo dos anos 60, no século passado, a ONR perdeu o interesse em balões de ar quente, então Yost começou a vender seus balões como equipamento de esporte. Outras companhias logo surgiram, à medida que mais e mais pessoas envolviam-se em baloagem. Com o passar dos anos, desenhistas continuaram a modificar os balões de ar, adicionando novas características e materiais de segurança, assim como desenvolvendo formas de envelope criativas. Alguns fabricantes também aumentaram o tamanho da cesta e a capacidade de carga, construindo balões que comportam até 20 passageiros.

    Mas o desenho básico ainda é a versão modificada de Yost do conceito original dos irmãos Montgolfier. Esta extraordinária tecnologia tem fascinado pessoas por todo o mundo. Passeios de balão são um negócio multimilionário, e corridas de balão e outros eventos continuam a atrair multidões de espectadores e participantes. Tornou-se até chique (entre os bilionários) construir balões de alta tecnologia para viagens em volta do mundo. Isto realmente explica muito o porquê dos balões de ar quente serem ainda tão populares, mesmo na era dos aviões a jato, helicópteros e ônibus espaciais!





    Fonte: HowStuffWorks
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    Item Reviewed: Como funcionam os balões de ar quente Rating: 5 Reviewed By: Marcello Borges
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