LAPORAN FISIKA TEKNIK BALON UDARA PANAS

PENGERTIAN

Balon adalah sebuah kantung fleksibel yang umumnya berisikan gas seperti helium, hidrogen, nitrogen monoksida dan udara. Beberapa jenis balon benar-benar murni digunakan sebagai elemen dekorasi, sedangkan jenis lainnya digunakan untuk tujuan-tujuan tertentu. Balon-balon pertama dibuat dari bahan mirip membran yang berasal dari hewan (animal bladder). Balon-balon modern dibuat dari bahan semacam karet, lateks, chloroprene dan nilon. Balon modern ditemukan oleh Michael Faraday pada tahun 1800-an, akan tetapi produksi massal balon belum terjadi sampai akhir tahun 1930-an.

Balon udara panas yaitu sebuah balon yang memiliki massa jenis udara yang berbeda dengan udara disekitarnya, Dilakukan dengan cara dipanaskan dengan api sehingga udara akan mengalir dan balon akan naik ke atas. Balon udara panas ini biasanya digunakan oleh militer untuk melakukan pengintaian ke daerah lawan, seiring dengan perkembangan waktu Balon Udara Panas ini digunakan sebagai keperluan wisata.

PRINSIP KERJA BALON UDARA

1.             Cara kerja balon udara

Cara balon udara bekerja prinsipnya sangat sederhana yaitu dengan cara memanaskan udara di dalam balon agar lebih panas dari udara di luarnya. Karena kita tahu udara yang lebih panas akan lebih ringan karena masa jenis udara yang ada didalam balon lebih ringan dari udara di luar.

2.             Cara Balon Udara Terbang

Seperti yang telah disebutkan di atas balon udara terbang dengan memanfaatkan Perbedaan berat udara dengan jalan memanaskannya. Untuk terbang udara di dalam envelope di panaskan dengan burner dengan temperature sekitar 100 derajat Celcius. Udara panas ini akan terperangkap di dalam envelope. Karena udara panas ini masa per unit volumenya lebih sedikit membuatnya lebih ringan sehingga balon udara pun akan bergerak naik di dorong oleh udara yang bertekanan lebih kuat. Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner . Udara yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun. Untuk mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve) sehingga udara di dalam envelope lebih cepat dingin. Karena balon udara hanya bisa naik dan turun (bergerak secara vertikal) tentu kita berpikir bagaimana cara balon udara berpindah dari satu lokasi ke lokasi lain (bergerak secara horizontal). Jawabanya hanya satu, pilot memanfaatkan hembusan angin untuk bergerak secara horizontal.
 Karena angin bertiup berbeda arahnya pada setiap ketinggian tertentu. Perbedaan arah tiupan angin inilah yang dimanfaatkan oleh pilot untuk mengendalikan balon udara dari satu lokasi ke lokasi yang diinginkan. Sebagai ilustrasi pada ketinggian 300 meter balon udara akan bergerak dari timur kebarat. Angin yang bertiup kebarat di perkirakan pada ketinggian 400 meter. Untuk itu pilot menaikan balon udara sampai ketinggian tersebut dan balon udara pun memanfaatkan tiupan angin untuk menuju kebarat. Sederhana bukan? Tapi hal ini hanya bisa dipraktekan oleh pilot yang berpengalaman agar balon udara tidak nyasar.

KOMPONEN-KOMPONEN PADA BALON UDARA PANA

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

a)          Envelope berisi udara/gas ringan (seperti Gas Hidrogen) yang berfungsi mengangkat Balon Udara dari landasannya bentuknya berupa kantong berupa balon tempat udara dipanaskan. Envelope ini biasanya terbuat dari bahan nilon dan diperkuat dengan panel-panel yang di anyam. Karena nilon ini tidak tahan api, maka bagian bawah envelope di lapisi dengan bahan anti api (skirt).

                                          

b)             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.

                                  

Balon udara panas sedang inflated dengan pembakar burners sebelum diluncurkan

c)             Basket atau kabin penumpang, terletak di bawah kantung udara merupakan tempat awak mengendalikan balon udara atau penumpang yang menikmati penerbangan balon udara.Basket dibuat dari bahan yang ringan dan lentur.

                           

TEORI-TEORI FISIKA YANG TERDAPAT PADA BALON UDARA

Teori fisika yang terdapat pada balon udara panas ini diantaranya tentang  1) Hukum Archimedes, 2) Hukum III Newton, 3) Teori Kinetik Gas. Dari beberapa tori di atas berikut ini penjelasannya.

a)      Hukum Archimedes

Balon udara naik atau turun sesungguhnya mengikuti hukum Archimedes. Hukum Archimedes mengatakan bahwa “Benda di dalam zat cair akan mengurangi berat sebesar berat zat cair yang dipindahkan”. Hukum archimedes ini berlaku untuk semua fluida. Persamaan rumusnya adalah :

Fa = ρƒ . Vbƒ . g

keterangan
Fa           = gaya angkat ke atas pada benda  / gaya apung (N)
ρƒ           = massa jenis udara (kg/m_­­³)
Vbƒ        = volume udara yang terdesak (m³)
g             = percepatan gravitasi bumi (m/s²)

Aplikasi hukum archimedes ini digunakan balon udara untuk naik dan turun. Persisnya begini: gaya apung yang diterima oleh suatu benda yang melayang di suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkannya.

1.        Saat ingin menaikkan balon udara
Fa > berat total balon

Dengan persamaan Fa = ρƒ . Vbƒ . g, maka yang bisa dirubah adalah Vbƒ karna massa jenis udara ( ρƒ ) dan percepatan gravitasi (g)  adalah konstan. Merubah Vbƒ dengan cara mengisi balon sehingga berat udara yang dipindahkan lebih berat dari berat balon. Untuk mencapai hal tersebut, prinsip kimia mengajarkan kita tentang mengisi balon dengan gas yang massa molekulnya lebih kecil dari massa rata-rata di udara atau dengan gas panas. Tidak semua gas memenuhi persyaratan itu, apalagi jika ada pertimbangan harga dan keselamatan. Beberapa di antaranya adalah gas Hidrogen (H2) dan Helium (He). Sehingga saat gaya apung (Fa) sudah lebih berat daripada berat total balon (berat balon dan muatan) sehingga balon mulai bergerak naik.

2.        Saat ingin menurunkan balon udara
Fa < berat total balon

          Dengan persamaan Fa = ρƒ . Vbƒ . g, maka yang bisa dirubah adalah Vbƒ karena massa jenis udara ( ρƒ ) dan percepatan gravitasi (g)  adalah konstan. Untuk menurunkan balon dengan cara mengurangi volume udara yang ada pada balon, sehingga saat gaya apung (Fa) lebih kecil daripada berat balon, dan berat balon bergerak turun.

b)     Hukum III Newton

Newton mengatakan bahwa kenyataan dalam kehidupan sehari-hari ketika sebuah benda memberikan gaya kepada benda lain maka benda kedua tersebut membalas dengan memberikan gaya kepada benda pertama, di mana gaya yang diberikan sama besar tetapi berlawanan arah. Jadi gaya yang bekerja pada sebuah benda merupakan hasil interaksi dengan benda lain.

Apabila sebuah benda memberikan gaya kepada benda lain, maka benda kedua memberikan gaya kepada benda yang pertama. Kedua gaya tersebut memiliki besar yang sama tetapi berlawanan arah. Secara matematis Hukum III Newton dapat ditulis sebagai berikut :

F A ke B = – F B ke A

F A ke B adalah gaya yang diberikan oleh benda A kepada benda B, sedangkan F B ke A adalah gaya yang yang diberikan benda B kepada benda A. Misalnya ketika anda menendang sebuah batu, maka gaya yang anda berikan adalah F A ke B, dan gaya ini bekerja pada batu. Gaya yang diberikan oleh batu kepada kaki anda adalah – F B ke A. Tanda negatif menunjukkan bahwa arah gaya reaksi tersebut berlawanan dengan gaya aksi yang anda berikan. Jika anda menggambar tanda panah yang melambangkan interaksi kedua gaya ini, maka gaya F A ke B digambar pada batu, sedangkan gaya yang diberikan batu kepada kaki anda, – F B ke A, digambarkan pada kaki anda. Persamaan Hukum III Newton di atas juga bisa kita tulis sebagai berikut :

Faksi = -Freaksi

Hukum Newton ini dikenal dengan hukum aksi-reaksi. Ada aksi maka ada reaksi, yang besarnya sama dan berlawanan arah. Kadang-kadang kedua gaya tersebut disebut pasangan aksi-reaksi. Ingat bahwa kedua gaya tersebut (gaya aksi-gaya reaksi) bekerja pada benda yang berbeda. Berbeda dengan Hukum I Newton dan Hukum II Newton yang menjelaskan gaya yang bekerja pada benda yang sama.

Gaya aksi dan reaksi adalah gaya kontak yang terjadi ketika kedua benda bersentuhan. Walaupun demikian, Hukum III Newton juga berlaku untuk gaya tak sentuh, seperti gaya gravitasi. Ketika kita menjatuhkan batu, misalnya, antara bumi dan batu saling dipercepat satu dengan lain. batu bergerak menuju ke permukaan bumi, bumi juga bergerak menuju batu. Gaya total yang bekerja pada bumi dan batu besarnya sama. Karena massa bumi sangat besar maka percepatan yang dialami bumi sangat kecil. Walaupun secara makroskopis tidak tampak, tetapi bumi juga bergerak menuju batu atau benda yang jatuh akibat gravitasi. Bumi menarik batu, batu juga membalas gaya tarik bumi, di mana besar gaya tersebut sama namun arahnya berlawanan.

Hukum III Newton berlaku pada Balon Udara yang bergerak

F_aksi = -F_reaksi

Hukum III Newton juga berlaku pada balon udara yang bergerak. Yang dimaksudkan di sini bukan balon udara yang bergerak karena ditiup angin, tapi karena di dorong oleh udara yang ada di dalam balon. Dapat dilakukan percobaan berikut. Ambil sebuah balon biasa dan tiuplah balon sampai balon mengembung. Jangan lupa jepit mulut balon dengan jari agar udara tidak keluar. Lepas jepitan tangan pada mulut balon. Apa yang terjadi? Balon tersebut bergerak, jika posisi balon tegak, di mana mulut balon berada di bawah, maka balon akan meluncur ke atas. Balon bergerak ke atas karena balon memberikan gaya aksi dengan mendorong udara ke bawah (udara keluar lewat mulut balon). Udara yang keluar lewat mulut balon memberikan gaya reaksi dengan mendorong balon ke atas, sehingga balon bergerak ke atas. Apabila posisi balon dibalik, di mana mulut balon berada di atas, maka balon akan bergerak ke bawah. Besar gaya aksi dan reaksi sama, hanya berlawanan arah. Balon mendorong udara ke bawah, udara mendorong balon ke atas. Atau sebaliknya balon mendorong udara ke atas, udara mendorong balon ke bawah. Semakin banyak udara yang ditiupkan ke dalam balon, maka balon bergerak makin cepat ketika mulut balon tersebut dibuka. Hal ini disebabkan karena balon mendorong lebih banyak udara keluar, sehingga udara yang didorong tersebut memberikan reaksi dengan mendorong balon. Semakin banyak udara yang ada di dalam balon, semakin lama dan jauh balon bergerak; semakin sedikit udara dalam balon, semakin pelan balon bergerak. Jadi besar gaya aksi sama dengan besar gaya reaksi, hanya arahnya berlawanan.

c)      Teori Kinetik Gas

Teori kinetik molekular gas menjelaskan bahwa gas memberi tekanan saat molekul-molekulnya menumbuk dinding wadah. Semakin besar jumlah molekul gas per satuan volume, semakin besar molekul yang menumbuk dinding wadah, dan akibatnya semakin tinggi tekanan gas. Asumsi teori ini adalah sebagai berikut.

1.    Gas terdiri atas molekul-molekul yang bergerak random.

2.    Tidak terdapat tarikan maupun tolakan antar molekul gas.

3.    Tumbukan antar molekul adalah tumbukan elastik sempurna, yakni tidak ada energi kinetik yang hilang.

4.    Bila dibandingkan dengan volume yang ditempati gas, volume real molekul gas dapat diabaikan.

Berdasarkan asumsi-asumsi ini diturunkan persamaan berikut untuk sistem yang terdiri atas n molekul dengan massa m.

PV = nmu²/3

u² adalah kecepatan kuadrat rata-rata. Jelas terlihat bentuk persamaan diatas identik dengan hukum Boyle. Memang, bila u² bernilai tetap pada suhu tetap, persamaan di atas adalah variasi dari hukum Boyle.

Mengindikasikan kecepatan molekul gas merupakan fungsi dari PV. Karena nilai PV untuk sejumlah tertentu gas tetap, mungkin bahwa kecepatan molekul gas berhubungan dengan massa gas, yakni massa molekulnya. Untuk 1 mol gas, persamaan berikut dapat diturunkan.

PV_m = N_Amu²/3

V_m adalah volume molar dan N_A adalah tetapan Avogadro. Dengan memasukkan PV_m=RT di persamaan diatas, persamaan berikut didapatkan.

N_Amu² = (3/2)RT

PV_m = N_Amu²/3

Suku kiri persamaan berhubungan dengan energi kinetik molekul gas. Dari persamaan ini, akar kuadrat rata-rata gas √u² dapat diperoleh.

√u²= √(3RT/N_Am) = √ (3RT/M)

Dari persamaan gas ideal, maka dapat disimpulkan:

1.    Makin tinggi temperatur gas ideal makin besar pula kecepatan partikelnya.

2.    Tekanan merupakan ukuran energi kinetik persatuan volume yang dimiliki gas.

3.    Temperatur merupakan ukuran rata-rata dari energi kinetik tiap partikel gas.

4.    Persamaan gas ideal (P V = nRT) berdimensi energi/usaha .

5.    Energi dalam gas ideal merupakan jumlah energi kinetik seluruh partikelnya.

Sekarang kita andaikan sebuah balon udara yang memiliki volume 2.250 meter kubik. Balon tersebut kira-kira akan memindahkan udara yang massanya sekitar 2.650 kilogram (pada tekanan 1 atm dan suhu 25 derajat Celsius). Kita bisa menghitungnya dengan menggunakan persamaan gas ideal. dan menggunakan massa molekul relatif rata-rata udara yang dianggap 80 persen Nitrogen (N2) dan 20 persen Oksigen (O2). Dengan menggunakan rumus :

pV = nRT

Maka jika balon udara diisi dengan udara yang suhu dan tekanannya sama (25 derajat Celsius dan 1 atm), balon tidak akan naik karena kini berat udara yang dipindahkan sama dengan berat udara dalam balon. Seandainya kita panaskan udara dalam balon sampai sekitar 100 derajat Celcius, maka massa udara dalam balon dengan volume 2.250 meter kubik itu kini menjadi sekitar 2.100 kilogram alias lebih ringan dari massa udara yang dipindahkan.

Andaikan massa balon dan muatannya (termasuk berat awal) sekitar 500 kilogram, maka kita masih mempunyai selisih massa sebesar 50 kilogram atau selisih berat 50 kg.g (g = tetapan gravitasi bumi). Dengan selisih ini maka balon akan bisa terbang. Bagaimana untuk suhu atmosfer, massa balon dan muatan, serta suhu gas panas dalam balon yang berbeda? Kita bisa bermain-main dengan berbagai angka pada tiga besaran di atas. Namun, yang pasti ada hal lain yang harus diperhatikan, yaitu tekanan atmosfer yang bergantung pada altitude. Semakin tinggi dari permukaan air laut, semakin rendah tekanan atmosfer, penurunannya secara eksponensial. Hal ini akan memengaruhi nilai berat udara yang dipindahkan.

PERCOBAAN BALON UDARA

1.      Alat dan Bahan :

·             Plastik

·             Kawat

·             Spiritus

·             Kain

·             Korek api

·             Gunting

·             Cutter

·             Perekat plastik

·             Bambu

2.      Langkah Kerja

1.      Menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan

2.      Mengecek alat dan bahan sebelum digunakan, usahakan semua alat dan bahan dalam keadaan baik.

3.      Mengukur Volume plastik yang akan digunakan.

4.      Membuat bagian bawah balon udara dengan merekatkan bambu yang telah dibentuk sesuai dengan bibir plastik

5.      Kemudian  memotong kawat secukupnya dan membentuk kawat menyerupai tanda plus(x).

6.      Mengaitkan kawat di bagian bawah balon.

7.      Di bagian tengah kawat diikatkan kain secukupnya yang telah dicelupkan spiritus.

8.      Sebelum diterbangkan, balon dipanasi terlebih dahulu sekitar 10 – 30 detik agar massa jenis udara didalam balon lebih kecil dari pada yang di luar balon.

9.      Setelah massa jenis udara didalam balon lebih kecil dari pada yang di luar balon, menyulut kain dengan api agar balon tetap terbang dan mendapatkan pemanas.

10.  Mengamati dan menganalisa balon udara yang telah berhasil terbang.

11.  Merapikan alat dan bahan setelah digunakan.

3.       Gambar Percobaan

 

4.      Analisa Project

a)      Hukum Archimedes

Bunyi hukum Archimedes adalah “gaya apung yang diterima oleh suatu benda yang melayang di suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkannya.” .

Untuk membuktikan berlakunya hukum Archimedes pada perancangan balon udara sederhana adalah sebagai berikut :

Diketahui : ρƒ = 1,43 kg/

r    = 0.39 m

t    = 1.2 m

g   = 9.8 m/

Ditanya     : Fa ?

Jawab        :

Fa = ρƒ . Vbƒ . g

= (ρƒ) (  .  . t ) ( g )

= (1,43 kg/ ) (  .  . 1.2 m) (9.8 m/ )

=  8,032 N

b)      Teori Kinetik Gas

Teori kinetik gas digunakan dalan pengaplikasian perancangan balon udara sederhana yang dapat membuktikan massa udara yang dipindahkan sebelum dan setelah dipanaskan berbeda.

Diketahui        :  = 3.10^-3 kg

                          V   = 0.573

                            = 300 K

                           = 305 K

P V = n R T

n R  = n R   , karena n =

maka,  R  =   R

karena R suatu konstanta maka dapat dicoret,

sehingga,  . 300 K =  . 305 K

 =

 0.008 kg

Jadi telah terbukti jika massa udara yang dipindahkan lebih kecil setelah dipanaskan.

5.      Study kasus

 Pada 2 buah balon udara yang masing-masing memiliki massa, udara, luas lingkaran/alas,volume balon,tinggi maksimum dan waku yang berbeda untuk bisa naik ke atas pada ketinggian tertentu, dimana:

v  Perbandingan Gaya Angkat Keatas

Ø  Balon I                        :

           Diketahui:     Massa                      : 7,4 gram

     Suhu                       : 305 K

     Waktu                    : 24,22 sec

     Massa Jenis udara  : 1,3 kg/m³

    

             Fa₁ = ρƒ . Vbƒ . g

                  =

                  =

       = 1,3.0,25.10 = 3,25 N

Jadi, dapat kita simpulkan bahwa balon ke-1 untuk  mencapai ketinggian 5,5 meter dibutuhkan waktu 24,22 sec.

Ø  Balon II           :

                   Diketahui:  Massa                     : 4,2 gram

                   Suhu                       : 307 K

                   Waktu                    : 29,03 sec

                   Massa jenis udara   : 1,3 kg/m³

                           Fa₂ = ρƒ . Vbƒ . g

                                 =

                                 = 1,3.

                                 = 1,3.0,66.10 = 8,58 N

Jadi, dapat kita simpulkan bahwa balon ke-1 untuk  mencapai ketinggian 5,5 meter dibutuhkan waktu 29,03 sec.

v  Perbandingan Massa maksimal penumpang

      

 m³)

          m=massa bahan (kg)

          v=volume (m³)

Ø  Balon I

m  =  _udara-  _balon )V _balon

      = (1,3 – 0,03)0.25

     = 0,32 kg

Ø  Balon II

m =  _udara-  _balon )V _balon

    = (1,3 – 0,02)0.66

   = 0,84 kg

Jadi, dari hasil diatas dapat disimpulkan bahwa semakin besar volume balon maka semakin besar pula penumpang/muatan yang dapat diangkut.

  

Variabel Percobaan	Massa (gram)	Suhu (Ko)	Massa jenis udara (kg/m3)	Waktu (s)	Gaya angkat ke atas (N)
Ke - 1	7,4	305	1,3	24,22	3,25
Ke – 2	4,2	307	1,3	29,03	8,58

a.      Tabel perhitunganng Gaya angkat ke atas (Fa)

     Jadi dari table diatas kita dapat menyimpulkan bahwa balon akan terbang ke atas jika masa balon lebih kecil dari pada gaya angkat ke atas atau sering dituliskan Fa > w.

Variabel Percobaan	udara	balon	V balon	Massa max
Ke – 1	1,3	0,03	0,25	0,32
Ke - 2	1,3	0,02	0,66	0,84

b.      Table menghitung berat maksimal penumpang

 

Jadi dari table diatas kita dapat menyimpulkan bahwa semakin besar volume maka balon udara akan dapat mengangkut penumpang dengan jumlah yang banyak disbanding dengan balon yang bervolume kecil.

KESIMPULAN

Dalam pembuatan balon udara panas dibutuhkan teori-teori fisika yaitu Hukum Archimedes, Hukum Newton III, dan Teori Kinetik Gas.

Pada balon udara secara garis besar mempunyai 3 bagian utama, yaitu envelope, burner, dan basket (kabin penumpang).

Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh bahwa yang mempengaruhi balon udara dapat naik adalah massa, volume, dan suhu.

            Semakin tinggi suhu yang dipanaskan pada balon maka akan semakin rendah pula tekanan udara yang ada pada balon udara dibanding dengan udara sekitar. Semakin besar volume balon maka akan semakin lama pula waktu yang dibutuhkan untuk terbang.

            Balon dapat naik dikarenakan Fa > w. Jika Fa < w maka balon tidak akan tetap pada posisi diam, hal ini dikarenakan beban yang lebih besar sehingga gaya angkatnya sulit untuk mengangkat balon udara agar dapat terbang. Balon udara dapat terbang karena terdapat gaya aksi reaksi atau sering ditulis  F_aksi = F_reaksi

DAFTAR PUSTAKA

Kanginan,Marthen.2006.Fisika SMA kelas XI Semester 2.Jakarta:Penerbit Erlangga.

http://Science.howstuffworks.com diakses pada tanggal 18 september 2011,pukul 19.00

Anda sedang membaca artikel tentang LAPORAN FISIKA TEKNIK BALON UDARA PANAS dan anda bisa menemukan artikel LAPORAN FISIKA TEKNIK BALON UDARA PANAS ini dengan url http://anekamakalahkita.blogspot.com/2013/01/laporan-fisika-teknik-balon-udara-panas.html. Anda dapat Mengcopy Artikel LAPORAN FISIKA TEKNIK BALON UDARA PANAS ini untuk kepentingan pendidikan. Semoga artikel LAPORAN FISIKA TEKNIK BALON UDARA PANAS ini bermanfaat Bagi Anda. Mohon tinggalkan komentar setelah Anda membaca artikel LAPORAN FISIKA TEKNIK BALON UDARA PANAS ini. untuk dijadikan sebagai perbaikan dari artikel ini. bagi yang mau menyumbangkan makalah kirim melalui email sangmahasiswaabadi@gmail.com