Ballon Projekt - Rapport

Transkript

1 Ballon Projekt - Rapport Roskilde Tekniske Gymnasium Teknologi, Matematik Fysik, Kemi Klasse: 1.5 Gruppemedlemmer: Victor, Frederik P, Pia, Martin og Andreas

2 Side 2 af 30 Indhold Indledning... 5 Nøgleproblem... 5 Afgræsning... 5 Problem træ... 6 Problemformulering:... 6 Problembehandling - Hv-spørgsmål... 7 Hvordan har luftballonen udviklet sig gennem årene... 7 Hvilke brændstoffer har man benyttet sig af gennem tiden?... 7 Hvad er lovgivningen mht. ballonflyvning?... 7 Hvilke materialer er benyttet til en ballon gennem tiden?... 9 Hvilke Faktorer indspiller for opdriftskraften for en ballon?... 9 Hvordan påvirker ballonens geometri dens flyvning?... 9 Hvordan kan vejret påvirke balloners flyvning?... 9 Hvilke faktorer indspiller i opsendelsen? Hvad er kravene til ballonen: Forskellige overvejelser omkring de forskellige dele i projektet Matematiske overvejelser: Fysiske overvejelser: Kemiske overvejelser: Designmæssige overvejelser: Materialemæssige overvejelser: Teknisk formidling ved tegning og materialebeskrivelser: Vejrmæssige overvejelser: Løsningsforslag: Teknologi Teknologianalyse Teknik Viden Organisation Produkt Teknologivurdering Samfundsvurdering Side 2 af 30

3 Side 3 af 30 Årsager Økonomi Politik Kultur Konsekvenser Positive Negative Proaktiv + Reaktiv Gant - Diagram Fysik Formål Materialeliste: Fremgangsmåde: Teori og tal - Fysik Kemi - Udvikling af brænder og brændstof Afstemmelse af kemiske reaktion Opstilling af tekniske krav til brændstof, forbrænding og brænder Forbrændingen: Brændstof: Brænderen: Faktorer der påvirker den effekt brændstofferne kan afgive til ballonen Forsøg med forskellige brændstofblandinger: Ud fra de udførte eksperimenter har vi disse data: Matematik - Udregninger og udsnit af formler, skemaer og meget mere Vores arbejde med Excel: Rumfang af Kuglekalot Rumfang af keglestub Rumfanget af hele ballonen Keglestub overfladeareal: Kuglekalot overfladearealet: Overfladearealet af cirklen: Overfladearealet af hele ballonen: Ala. Flowdiagram Side 3 af 30

4 Side 4 af 30 Kildeliste Bilag Side 4 af 30

5 Side 5 af 30 Indledning I dette projekt har vi fået til opgave i grupper, at lave en ballon, helt fra bunden af i silk. I selve projektet har vi en sammensætning/sammenkobling af 4 forskellige fag; teknologi, matematik, fysik og kemi. Dog er teknologi vores bærerende fag i dette projekt. i kemi skal vi arbejde med det brændstof der skal drive vores ballon. I fysik skal vi arbejde med det tryk og vægt der bliver befinder sig inde i ballonen, og i matematik skal vi regne på de forskellige deles størrelse til vores ballon. Og til slut skal vi sammen med resten af skolens første års klasser opsende vores ballon, på en nærliggende sportsplads. Nøgleproblem Vores nøgleproblem i denne rapport er vi blevet givet, da det godt kan være lidt diffust at lave et nøgleproblem til et Ballonprojekt. Så vores nøgleproblem lyder således. Det kan være problematisk at udvikle en ballon, med brænder og gondol, som kan svæve/flyve langt Afgræsning I vores afgrænsning har vi valgt at fokusere på nogle forskellige nøgle områder, vi kommer ind på nogle relevante problemer som kan opstå i dette projekt. Vi har haft tanker om den vil styre, gå i brand eller at den ikke ville lette fordi vi ikke havde lavet den godt nok. Og disse 3 ting er jo virkning af forskellige ting vi har lavet ved ballonen. Årsager til de 3 ovennævnte ting vil kunne være kunne komme fra om at vores beregninger har været forkerte eller at det materiale vi har arbejdet med ikke har været godt nok til dets formål samt, at vi kunne risikere at vores ballon og gondol har været for tung i forhold til hvor meget ballonen har kunne løfte. Side 5 af 30

6 Side 6 af 30 Problem træ Problemformulering: I dette projekt ønsker vi at designe vores egen ballon, og det får vi muligheden for ved at kunne kombinerer 4 forskellige fag som der giver et rigtig godt grundlag for dette. Vores fag i dette projekt er Teknologi, matematik, kemi og teknologi. Vi ønsker at lave en ballon der opfylder vores krav til ballon og vores eneste krav er at den skal lette og forhåbentlig. I vores arbejde med kemi ønsker vi at tildrage os en viden omkring sammensætning af kemikalier til at lave et brændstof der kan drive vores ballon op. I teknologi vil vi prøve at designe en brænder der skulle give vores ballon nok boost til at bevarer flyvning i et vis tidsrum. Side 6 af 30

7 Side 7 af 30 Problembehandling - Hv-spørgsmål Hvordan har luftballonen udviklet sig gennem årene Oprindelsen af luftballoner er blevet dateret helt tilbage til 1709 da den brasilianske præst og opfinder Bartomlomeu de Gusmão for første gang sendte sin luftballon op, den kunne dog kun flyve inden for. Den første luftballon som fløj udenfor lettede i Først i 1906 begyndte man at luftskibe bruge luftballoner som en fritidsaktivitet og som Belgien er meget kendt for, var de nogle af de første til at blive fanget af den her interesse. Ballonens opfindelse har været med til at revolutionere transport da, luftskibe (også kaldet zeppeliner)er bygget på samme grundlag som en luftballon. Luftballoner har også været en stor rolle i nogle begivenheder såsom i 1999 da Brian Jones og Bertrand Piccard rejste hele jorden rundt i en luftballon, de fløj mere end kilometer. Dengang var luftballonerne ikke særlige sikre, man havde ingen sikkerhed ombord og det var svært at bestemme hvor man skulle hen. Men det ændrede sig da man opfandt en maskine der var lavet til at man kunne styrer hvor varmen skulle gå hen inde i ballonen og derfor selv kunne bestemme ens position. Og i dag har vi mange sikkerhedsforhold vi skal tage os af, såsom at ballonen skal tjekkes hver gang inden man puster luft i, vi tjekker en trykmåler som sidder i ballonen og vi har bedre teknologi til at kunne styre ballonerne. Hvilke brændstoffer har man benyttet sig af gennem tiden? Der har været rigtig mange bud og teorier om hvilke opdriftsmidler man har brugt, gennem tiderne nogle teorier går på at de eksperimenterede med hestepære. Og nogle mener man altid har brugt propangas. Hvad er lovgivningen mht. ballonflyvning? En ballon kan inddeles i 6 grupper: 1. let Ballonen er ubemandet friballon og vejer max. 4 kg inkl. alt 2. mellem Ballonen er ubemandet friballon, nyttelast af 2 eller flere enheder og vejer mellem 4 og 6 kg. 3. tung Ballonen er ubemandet friballon, nyttelast på mindst 6 kg. eller enhed på mindst 3 kg.eller enhed på mindst 2 kg med areal tæthed på mindst 13 g/cm2 eller ophængt i reb eller andet med stødkraft på mindst 230 N for at frigøre nyttelasten fra ballonen. 4. Legetøjs Ballon Ballonen er ubemandet friballon, har en diameter på max 40 cm lige meget hvor på ballonen der måles, er fyldt med ikke-brændbar luftart og ingen nyttelast. 5. Tivoli Ballon Side 7 af 30

8 Side 8 af 30 Ballonen er ubemandet friballon, ingen nyttelast, fyldt med ikke-brændbar luftart, hvis ballonen er kugleformet må den max have en diameter på 65 cm, hvis den er cylinderformet må den max have en diameter på 40 cm og en højde på 80 cm 6. Anden ballon Ballonen er ubemandet friballon, der ikke er omfattet af noget fra de andre grupper. En ubemandet friballon må ikke opsendes uden tilladelse fra trafikstyrelsen, men mindre ballonen kan kategoriseres som enten let, legetøj eller tivoliballon. Reglerne for opsendelse af en ballon af kategori let, legetøj eller tivoliballon, er at man skal være mindst 5 km væk fra en flyveplads, den må maks flyve 100 m over terræn og ballonen må ikke være til gene for anden luftfartstrafik. For at ansøge trafikstyrelsen skal der i underrettelsen angives følgende oplysninger: ballonflyvningens projektnavn/ kodenavn, ballonens kategori og en beskrivelse af ballonen, SSRkode(radio) eller luftfartøjsadresse eller NDB-frekvens(ikke-retningsbestemte radiofyr til flynavigation), ejers navn og tlf. nr., sted og tid for opsendelsen, hvis man ikke ved præcis, hvor ballonen lander skal man skrive long duration, hvis der opsendes flere balloner, skal der også informeres antallet af balloner og tidsintervallet mellem opsendelserne, retning på opsendelsen, trykhøjde(max m trykhøjde for tung ballon). En tung ballon der er mere end 15 m lang, må ikke anvendes under m trykhøjde under en solopgang og solnedgang, med mindre ballonen er med kulørte bånd. Der må højst opsendes 50 legetøjsballoner og 5 tivoliballoner samtidig og ingen balloner må være bundet sammen, eller være forsynet med vedhæng andet end en snor. En ubemandet ballon kategoriseret som anden ballon, må ikke bruges uden tilladelse fra trafikstyrelsen. Hvis oplysninger ændres skal det straks meddeles til trakfiktjenesteenheden, senest 6 timer før opsendelsen. En ballon af kategori tung, må den ikke findes over internationalt farvand, med mindre man har tilladelse af vedkommende ATS-myndighed(air-traffic-service). En ubemandet ballon må ikke bruges, hvis den er til fare for andre eller andet. En ballon kategoriseret som tung eller mellem, må ikke flyve lavere end 300 m over tæt bebygget område. En ubemandet friballon som går under kategorien tung å ikke opsendes uden fastgjort slæbeantenne og kulørte bånd med max 15 meters mellemrum. kilde link 1-4 Side 8 af 30

9 Side 9 af 30 Hvilke materialer er benyttet til en ballon gennem tiden? I 1783 opsendte brødrene Joseph og Étienne Montgolfier en varmluftballonen bemandet af et får, en and og en hane, som alle kom ned igen i god behold. Ballonen var opbygget af papir og blev opvarmet, af bål af våd halm og fåreuld. I 1783 steg den første gasballon til vejrs. Til opvarmning af ballonen var brugt brint, som dengang var en nyopdaget luftart. I dag er det forholdsvis nemt at udvikle en varmluftballon. Man kan meget nemt finde en vejledning til, hvordan man slavisk opbygger ballon. Til at opbygge en hjemmelavet varmluftballon, har man ikke brug for så meget andet end hvad kan finde i hjemmet. Plastiksække, karton, porcelænsskål, vat med lampeolie, samt en ledning, er mange af de ting, som man kan bruge til at opbygge en varmluftsballon. Hvilke Faktorer indspiller for opdriftskraften for en ballon? Lufttemperaturen har også en indvirkning på hvor meget luft brænderen selv skal varme op og med den højere temperatur vil opstigning også ske hurtigere end ved lavere temperaturer, luftfugtig kan også have en indvirkning på opdriften kraften i ballonen fordi at en højrer fugtighed kan gøre den omgivende luft sværer at varme op. hvis man også kommer ind på dyg og fugtighed så bliver ballonen tungere og derfor kræves der mere af brænderen at både affugte og opvarme luften i ballonerne for at skabe opdrift kraft. Vægt har ikke den store betydning da ballonen gerne skulle være dimensioneret efter ballonens størrelse. Vind har også en indflydelse på ballonens opdrift da der kan skubbe ballonen uhensigtsmæssigt og skabe usikkerhed. Hvordan påvirker ballonens geometri dens flyvning? Hvis man f.eks. opstiller en firkantet ballon op mod, hvad vi har nu, som er en keglestub sat sammen med størstedelen af en kugle med perfekt overgang. Hvis man vælger at opsende en firkantet varmluftballon, vil varmen fra brænderen ikke bliver fordelt ud i hjørnerne. Det vil give ballonen mere vægt og dermed svære at flyve. Med den ballonen vi bygger nu, er det nemmere at få den til at lette fra jorden, fordi der er ingen kanter, som ikke vil få nok varme og ende ud som ekstra vægt. Hvordan kan vejret påvirke balloners flyvning? Vinden spiller altid en stor rolle når det gælder balloner, den kan enten flyve længere eller den kan blive styret lige ned i jorden. Regnen har også en stor rolle alt efter hvilket materiale man har brugt til at lave ballonen af, vores er f.eks. lavet af silkepapir og det vil jo blive opløst i regnen og falde til jorden. Det afhænger af hvor stor ballonen er og hvilket materiale den er fremstillet af. De fleste balloner er lavet af holdbare og tætte materialer f. eks. polyester, nylon eller plastik, hvis det er en stor polyester ballon kan den holde i meget uvejr, også regnvejr fordi ballonen er så stor. Side 9 af 30

10 Side 10 af 30 Hvilke faktorer indspiller i opsendelsen? Vejret er nok den største faktor der spiller ind men brændstoffet er næsten lige så stort fordi der skal være den rette mængde. Designet af ballonen er også en stor faktor fordi designet skal kunne holde til vejrforholdene. Designet spiller ind hvis, ballonen er for stor, ikke er limet godt nok sammen. Hvad er kravene til ballonen: Matematiske krav: 16 udsnit 1 m 3 30 cm diameter Fysiske krav: (Det skal være muligt for vores brænder at løfte ballon og kurv efter at den er blevet forvarmet) Kemiske krav: Ethanol + Vat (Dåse/opbevaring med huller i bunden for ilt) Lave en fuldstændig forbrænding (blå flamme) Designmæssige krav: Vat, ethanol, silkepapir, metalbånd, en dåse i passende størrelse og nogle kroge eller noget holdbart det kan holde stålbåndet og silkepapiret sammen så det kan holde dåsen. Silkepapiret skal laves til en ballon og bunden skal så sidde fast til et stålbånd. I stålbåndet skal der være fastsat nogle kroge som holder nogle snore som holder fast i dåsen og brændstoffet. Forskellige overvejelser omkring de forskellige dele i projektet Matematiske overvejelser: Her er det vigtigt der ikke bliver sløset bare en lille smule kan ødelægge hele projektet, hvis vi regner forkert vil vores ballon måske have en anderledes form, og det kan godt være altafgørende for hvordan den vil flyve. Det er også en ny form for matematik, vi har arbejdet med linje udsnit før men resten er vi ikke så bekendte med, vi vil få brug for mere information om hvordan vi skal udføre de forskellige beregninger. Fysiske overvejelser: Dette vil også blive en af de vigtigste dele da vi skal finde ud af om vores ballon rent faktisk kan bære vores brænder, hvis ikke den kan skal vi selvfølgelig finde på en bedre løsning. Kemiske overvejelser: før vi overhovedet kan tænke på at sende vores ballon afsted, skal vi finde ud af hvilket brændstof der er bedst, vi vil selvfølgelig teste på det og regne på det ved hjælp af kemiske former. Hvor vi bla. kan regne ud hvor varmt det vil blive. Designmæssige overvejelser: Designet af en luftballon skal selvfølgelig havde en rund form. som nævnt i starten så ville en firkantet ballon ikke kunne fungere ordentligt. Hvis vi laver en fejl med noget af silkepapiret hvor vi har limet det, så vil ballonen ændre retning efter det fordi den vejer mere i den ene side end den anden. Side 10 af 30

11 Side 11 af 30 Materialemæssige overvejelser: Det var vigtigt at vores bronder vil kunne holde varmen og være vandtæt i bunden, da ethanolen ikke skal spildes. Mht. i hvilket materiale selve ballonen skulle laves af, var der ikke så mange muligheder. Det er selvfølgelig vigtigt at det er af let materiale, men skal også kunne holde til lidt, da vi skulle lime det sammen og den skal kunne holde til lidt vind, når den bliver opsendt. Teknisk formidling ved tegning og materialebeskrivelser: vi vil selvfølgelig lave en formidling alle som ellers skal arbejde med dette ballonprojekt kan forstå, vores tegninger vil have mål på osv. vores materiale beskrivelser vil være simple at forstå men stadig med den nødvendige viden. Vejrmæssige overvejelser: Til opsendelsen er det vigtig at det ikke regner eller der er for meget vind. Hvis det regner går silkepapiret og med for meget vind, vil man ikke have mulighed for at forudse, hvor ballonen vil lande. Løsningsforslag: Løsningsforslag til ballon 12 udsnit 16 udsnit Løsningsforslag til kurv: En sodavandsdåse En kagedåse Løsningsforslag til brændstof Kurven: Ethanol med vat Ethanol med vat og kegle Ethanol med kegle Side 11 af 30

12 Side 12 af 30 Teknologi Teknologianalyse Teknik For at udvikle vores produkt, har vi brugt: Silkepapir Lim Vand 33 cl sodavandsdåse Ståltråd Industri Varmeblæser Vat Ethanol (C 2 H 6 O) Stinkskab / Punktudsugning Tændstikker Geogebra Tegnegrej Maler tape Vi startede med at lave problemtræ, hv-spørgsmål, gantt diagram og udregninger til ballonens udsnit, som senere sættes sammen og former ballonen. Mens udregningerne var under udarbejde, besvarede resten af gruppen på hv-spørgsmål. Da beregningerne var færdige, tegnede vi en skabelon, mens vi limede(lim blandet op med vand) silke papirerne sammen (4x16 stykker). Vi har i kemilaboratoriet for at ************ Da skabelonen var færdig, lagde vi den på et par stykker silkepapir (som vi før limede sammen) og klippede dem ud. Da udsnittene var klippet ud, skulle vi lime dem sammen, så de former vores færdige ballon. Side 12 af 30

13 Side 13 af 30 Viden Vi skal have en vis viden indenfor hvordan balloner er blevet produceret før i tiden, vi skal have en vis viden om de forskellige materialer der skal bruges, for de skal selvfølgelig udnyttes til det fuldeste, så vi får mere ud af dem. Når vi skal producere en ballon skal vi også have viden i hvordan vi bruger de forskellige værktøjer vi skal bruge for at producere vores ballon. for eksempel, hvis vi ikke vidste noget om det lim vi bruger, ville vi ikke havde nogen jordisk chance for at vide om ballonen rent faktisk kan holde til at blive sent op, vi skal også have en vis viden inden for hvor stærke vores silkepapir er, det nytter ikke noget at når vi har limet det hele sammen, at de så ikke kan holde til at blive hevet lidt i eller blive blæst igennem. for at opnå viden har vi søgt til hjælpemidler, vi har brugt alle de valide kilder vi kunne finde. Organisation Vi som gruppe har klaret det godt sammen, vi har været gode til at fordele de forskellige arbejdsopgaver ud, hvor vi har fokuseret på folks fag kompetencer, på den måde kunne vi optimere vores arbejde og samtidig også lære fra os, sådan så alle forstår det. Vi kommunikerede med vores vejledere ved at de et par dage om ugen kom hen til vores klasse, og spurgte ind til diverse ting, da vi havde brug for hjælp fandt vi ud af hvilke et klasselokale de var i og så besøgte vi dem, vi fik svar på vores spørgsmål og de var hjælpsomme hvis man havde brug for hjælp. Vi som gruppe mener at vores rapport og vores tekniske projekt har været en succes. Produkt Produktet som vi har fremstillet er en utraditionel varmluftballon, den er utraditionel i den forstand, at vi fremstiller den ved hjælp af sika lim, silkepapir, en coladåse og malertape. i modsætning til en traditionel luftballon som er lavet af rivefast nylon, og har en gasbrænder ombord. vores produkt vil have en cola dåse med ståltråd igennem den og der vil så være ethanol i bunden af den her cola dåse. Ethanol har et rigtigt lavt max temperatur det kan kun blive op til 78 grader, det vil sige at vi vil have en flamme der vil være mere kontrollable end andre væsker. Dette mindsker også chancen for at der går ild i ballonen, Teknologivurdering I gamle dage, blev en udvikling af varmluftballonen (spærreballon) brugt til bl.a. at beskytte byer mod luftangreb, ved at ballonen er spændt fast til jorden via reb, som forhindre flyene i at flyve lavt. Hvis flyene fløj lavt, ville de flyve ind i rebene og risikere at styrte ned. På den måde tvang man flyene til at flyve over ballonen, hvilket resulterede i at deres bomber ville lande mere upræcist og forhåbentlig ikke skade byerne eller det civile folk. Man har fløjet verden rundt i en varmluftballon og gøres der også stadig. Ballonen har selvfølgelig udviklet sig gennem tiden, mht. materialer og brændstof. Det hænger så også sammen med at vi er blevet klogere på, hvor meget materialer kan holde til mht temperaturer og vejrforhold. Side 13 af 30

14 Side 14 af 30 Samfundsvurdering Siden 1709 da den første luftballon blev opfundet, eller 1783 da den første lettede udenfor, har man brugt ballonen, har man senere udviklet ballonen til luftskibe. Dengang var det risikabelt, at flyve i ballonen, fordi man ikke havde mulighed for at styre, i hvilken retning ballonen skulle flyve. I dag har man fundet en løsning på problemet, som er, at man bruger en maskine til at styre, hvor varmen i ballonen skal fordeles. f.eks. hvis varmen udledes i venstre side af ballonen, vil ballonen flyve mod venstre. Første gang en ballon blev brugt til militære formål var i 1794 under belejringen af Maubeuge, derefter Den Fransk-tyske krig, som fandt sted i Her brugte man ballonen, som transportmiddel til passagerer og breve ud fra det besatte Paris. I 1800 tallet fik ballonen dens debut inden for forlystelseslivet, hvor den blev del af Tivolis image. Blitzen er en begivenhed under 2. verdenskrig, hvor hitler havde massive bombeangreb mod Englænderne. Briterne brugte spærreballoner, som et forsvar. En spærreballon er et luftforsvar bestående af balloner, som er fastspændt til jorden med bl.a. reb. Rebene ved et evt. angreb vil tvinge modstanderens fly til at flyve højere, fordi flyene ellers risikere at flyve ind i rebene. Når flyene flyver i en højere højde, som vil resultere i at bomberne vil blive smidt mere upræcise og måske ramme en mark uden for byen, i stedet for i midten af en by, hvor tusinder af civile kan blive dræbt. Den første jordomrejse i en varmluftsballon, var 1999, senere (i 2002) var det Amerikaneren Steve Fosset, som var den første til at gennemføre en soloflyvning jorden rundt. I dag forbindes mest med varmluftballoner, som en forlystelse og en sports- og distanceflyvninger _og_krigshistorie/blitzen Side 14 af 30

15 Side 15 af 30 Årsager Økonomi Økonomien er jeg nøglen inde for alle produktioner har man en stigende økonomi kan man få produceret endnu mere og derefter tjene endnu flere penge. også mange af de store firmaer laver reklamer på de luftballoner de sælger til private personer. luftballoner er også rigtig dyre at vedligeholde, og man skal bruge en masse gas, kun de fabrikanter der laver disse her luftballoner kan reparerer dem. de bruger nogle speciallavet lapper hvor der skal bruges en professionel til at sætte de her lapper på. Politik Der findes en masse love inden for ballonflyvning. bl.a. at en ballon kategoriseret som let, legetøj og tivoli, må ikke opsendes mindre end 5 km fra en flyveplads. Denne regel forhindre at balloner, vil kunne flyve ind over flyvepladser og forstyrre flytrafikken. Kultur Man kan sige at en varmluftballon, er et symbol på god velfærd. Prisen for to, at flyve i en luftballon variere mellem kr. Det er også en dyr hobby at have, da ballonen i sig selv selvfølgelig koster mange penge, men man skal jo også vedligeholde den og have det rigtige brændstof. Derudover kræver det en vis viden fra ejerens side. Han/hun skal have en masse viden og fysik og matematik, samt have styr på lovgivningen om ballonflyvning. Konsekvenser Positive Når man en almindelig dag pludselig ser en varmluftballon på himlen, ser man da lige en ekstra gang og beundre ballonen. Det gør ofte en glad at se en sådan ballonen og det er da også en forhåbentlig positiv oplevelse for dem der er med oppe og flyve med ballonen. En flyvetur i en sådan ballon, skaber også noget vækst. For det første koster det penge at opleve en flyvetur i en sådan varmluftballon, det er også dyrt at flyve med ballonen mht. udgifter til vedligeholdelse og brændstof. Negative Til opsendelser af varmluftballoner udledes der meget CO 2, hvilket er en ulempe for miljøet, som påvirker alt og alle. Det kan være svært at vide præcis, hvor f.eks. en ubemandet ballon vil lande. Det kan skabe store problemer, hvis den lander og ødelægger er måske endda sætter ild til noget. Side 15 af 30

16 Side 16 af 30 Proaktiv + Reaktiv Tænker man frem i tiden, og går ud fra, at man ikke har fundet andre brændstoffer eller lign. som kan erstatte f.eks. ethanol og er ikke-miljøskadeligt, vil det selvfølgelig være et problem med udsendelsen af CO 2. I dag har vi et stort forbrug af brændstoffer, som vi bruger til f.eks. biler, både og generelt bare de fleste køretøjer. Man prøver verden over, at finde erstatning, som ikke er miljøskadeligt, eller i hvert fald ikke i samme grad. Varmluftballonen, er ikke en stor del af den mængde CO 2, som vi udleder i dag. Når man finder en erstatning, vil det selvfølgelig også blive brugt til varmluftballonerne. Dermed kan man ikke rigtig sige, at varmluftballonerne er en fremtidig konsekvens. Gant - Diagram Side 16 af 30

17 Side 17 af 30 Fysik Formål I ballon projektet er fysik en vigtig del. Det er i fysik vi udregner om ballonen vil kunne lette, hvad faktorer der indspiller når ballonen skal opsendes og hvilke konsekvenser de så evt. har. Materialeliste: En ballon Helium Saks Snor Tommestok Fremgangsmåde: Til at starte med vejede vi vores ballon for at finde massen af den. Derefter fyldte vi en normal ballon op med helium obs. (dette var ikke rent helium, men i stedet var det en blanding med andre stoffer, det var omkring 70 procent helium. Nogle af disse andre stoffer kan være helbredsfarlige at indånde.) Derefter binder vi selvfølgelig en knude på ballonen for at heliumet ikke skal fise ud af den. VI klipper en lang snor ud og som det kan ses her nedenunder tager vi snoren rundt om ballonen for at finde dens omkreds, efter vi har målt vandret, måler vi så derefter lodret og udregner så gennemsnittet af ballonen omkreds. Det fik vi så til 95 cm. Side 17 af 30

18 Side 18 af 30 Derefter udregner vi volumen og radiussen, når vi har fundet disse tal, kan vi så gå videre til at undersøge i praksis hvor meget ballonen kan løfte, vi binder igen en snor rundt om ballonen, og laver et lille hejseværk. Vi vejer vores kreditkort og binder den til ballonen ved hjælp af vores hejseværk. Side 18 af 30

19 Side 19 af 30 Teori og tal - Fysik Det er smart at veje ballonens hylster inden den pustes op: Ballonen vejer 0,08 kg mål omkredsen af ballonen: Omkredsen af den fyldte heliumballon er 95 cm Beregn radius og volumen af ballonen: for at finde radiusen siger vi omkreds / pi ( 95 3,141592) = 0, m og for at find volumen siger vi (43*3, ,151197) = 0, m Find massefylden for luften og helium (1 atm tryk) og beregn hvor meget ballonen netop skulle kunne løfte, når den skal hænge stille i luften: luften vejer 1.2kg ved 20 grader heliums massefylde er 0,1787 kg/m3 0, m3 1,2kg/m3så den teoretiske vægt vil blive =0, kg Undersøg i praksis hvor meget ballonen kan løfte. 2,5g snor+8g ballon+6,1g kreditkort =16,6g =0,0166 kg Beregn procentvis afvigelse mellem beregnet og praktisk samlet løfteevne for ballonen (luft, hylster og ballast). 0,0166-0, , = -0,445% Kan afvigelsen forklares? ja det kan den, den metode vi brugte er ikke den allermest præcise, vi klippede jo en snor ud og tog rundt om ballonen vi kan have været kommet til at stramme snoren for meget så ballonen ændrede sig lidt i formen og det vil så have gjort vores beregninger upræcise, det kan også være at vi har målt snoren nogle millimeter forkert da den er klippet ud og skulle måles med tommestok, og vi kun havde vores blotte øjemål. Diskutér hvilken grundlæggende forskel der er mellem en heliumballon og jeres varmluftsballon: Den grundlæggende forskel er at helium vejer kun 18 af hvad luft vejer, så fordi helium vejer mindre vil den løfte mere. Side 19 af 30

20 Side 20 af 30 Her i grafen kan man se vi har benyttet os af tilstandsligningen p V=n R T det gjorde vi for at bestemme massen af 1 m3 luft ved 1 atmosfærisk tryk (atm). Ligningen vi har lavet for at få graph til at lave den faldende linje lyder således f(x)=((101300*1)/(8,31*(273+x)))*0,2896 hvor x=20 med et spring på 20 med et stop på 100 Celcius (Pa*m 3 )/mol*k) K = kelvin grader celsius = -273 grader kelvin er 1 atm = 101,3 kpa (Pascal) Pa = pascal atm = 101,1 kpa R=mol = 8,31 Så ved hjælpe af den graf kan vi finde ud af vægten af 1 m^3 luft ved 1 atm ved hvilken som helst temperatur f.eks ved 20 grader er vægten på 1 m^3 ved 1 atm 1,2 kg 8#q=ethanol%20massefylde Side 20 af 30

21 Side 21 af 30 Kemi - Udvikling af brænder og brændstof Afstemmelse af kemiske reaktion Uafstemte reaktionre Heptan ( benzin )(*): C 7 H 16 + O 2 + N 2 CO 2 + H 2 O + N 2 Ethanol (alkohol): C 2 H 6 O + O 2 + N 2 CO 2 + H 2 O + N 2 Afstemte Reaktioner Heptan ( benzin )(*): C 7 H O 2 + N 2 7CO 2 + 8H 2 O + N 2 Ethanol (alkohol): 2C 2 H 6 O + 7O 2 + N 2 4CO 2 + 6H 2 O + N 2 Opstilling af tekniske krav til brændstof, forbrænding og brænder. Forbrændingen: skal kunne lave en fuldstændig forbrænding, da det er den der giver det bedste resultat fordi at bevare den for varmede luft inde i ballonen, og da den fuldstændige forbrænding er den bedste forbrænding. Brændstof: Vores brændstof skal bestå af vat og 10 ml ethanol, Vi skal bruge ethanol til forbrændingen men ethanol bliver hurtigt brændt hvis man har det i flydende form så vi skal have det flydende opsuget/gennemblødt vat/andet opsugende. Brænderen: Vi har designet vores brænder, sådan så den er kegleformet. Dette har vi gjort, for at vores brændstof som er 93% ethanol blandet med 7% vand, ikke bliver opbrugt for hurtigt. Vi ved at, jo længere vores brændstof holder, jo længere en flyve ønske kan vi opnå. Vores gondol skal samtidig bestå af et let materiale. Side 21 af 30

22 Side 22 af 30 Faktorer der påvirker den effekt brændstofferne kan afgive til ballonen. Faktorer der kan påvirke den effekt brændstoffet kan afgive til ballonen, en helt encentielt ting som der kan påvirke vores brændstof er ilttilførsel. Ilttilførslen bestemmer hvor god forbrænding er, desto bedre forbrænding desto bedre effekt. Forsøg med forskellige brændstofblandinger: Vi prøvede at lave flere forskellige brændstofblandinger med vand og ren ethanol. Da vi blandede den med vand gik den ud lige efter vi havde tændt den, og da vi så bare tog ren ethanol brændte det i 4 minutter så det er uden tvivl den rene ethanol der fungerer bedst og er mest holdbar. Ud fra de udførte eksperimenter har vi disse data: Beregne E modtaget og omregne den til P modtaget. Emodtaget 0.2kg*4182 j/(kg*c)*22 c (( J)/(240s)) = 76,67 j/s Emodtaget = 76,67*240= 18400,8 J Pmodtaget 76,67 j/s = watt Beregne brændstoffets/brænderens eksperimentelle brændværdi Lbrænd(eksperimentel). Anvend de ovenfor nævnte formler. M (Ethanol) = 0,789g/ml Massefylden * volumen = 10 ml*0,789g/ml = 7,89g/10ml Effekt/M(masse ethanol ) = L (Kj/g) 18400,8J/7,89g = 2332,16 J/g /1000 = 2,33 KJ/g (Databog fysik kemi, F&K forlaget, s. 173) 1000 del MJ/kg = KJ/g 25,3 Mj/kg = 25,3 Kj/g Flydende brændstoffer Nedre brændværdier Øvre brændværdier MJ/kg GJ/m 3 MJ/kg GJ/m 3 Benzin 42,7 30,8 46,0 33,2 Dieselolie 41,9 36,4 44,8 39,0 Fyringsgasolie 42,3 35,9 44,8 38,1 Fyringsolie (svær fuel) 40,6 38,6 44,4 42,2 Ethanol 25,3 20,5 28,2 22,8 Procentafvigelse ((målt værdi-teoretiske værdi) - teoretisk værdi) (( 2,3KJ/g-25,3Kj/g ) / 25,3kj/g ) *100 = - 90,9% = 9,1% af den teoretiske brandværdi 1 Beregne brændstoffets/brænderens nyttevirkning ŋ = ) og angiv de faktorer, der kan medvirke til at forklare den fundne ŋ. Vores brænder producere 76,67 J/s = Watt Overvej i hvor høj grad faktorerne fra laboratorie eksperimentet kan genfindes under ballonflyvningen udendørs. Stort set ingen af de forskellige faktorer ballon vil påvirkes under vil være de samme udendørs til indendørs Indendørs bliver brænderen påvirket af punktudsuget der i kemilaboratoriet, hvor vi udendørs vil opleve andre faktorer som mere ilt vores brænder kan brugt samt vind og vejr 1 Fysik%20C/PROCENTVIS%20AFVIGELSE/OM%20PROCENTVIS%20AFVIGELSE.aspx Side 22 af 30

23 Side 23 af 30 Beregne hvor mange g brændstof, der teoretisk skal anvendes (husk at tage hensyn til den fundne nytteværdi) for at holde jeres luftballon svævende i den ønskede tid, idet den kemiske energi fra brændstoffet skal modsvare varmetabet beregnet ud fra Stefan Boltzmanns lov for varmestråling. (Bemærk at varmetabet beregnet med Stefan Boltzmanns lov er en effekt P målt i Watt så vær opmærksom på at få enhederne til at stemme) Vores ballon skulle flyve i omegnen i af ca 4 minutter, da det var den tid vores mængde af ethanol +vat kunne brænde da vi testede det. Da vores brænder kun opvarmer luften i bunden af vores ballon, og ikke forhøjer vores ballons lufttemperatur så vil vores ballon efter de ca. 4 minutter begynde dale mod jorden da der intet til at holde den varme luft i ballonen ved lige. Side 23 af 30

24 Side 24 af 30 Matematik - Udregninger og udsnit af formler, skemaer og meget mere Vi valgte at gå over målene der var sat pga vi ville opnå mindst 1m 3. For vores samling skulle vi lave strimler til sammensætningen vi valgte 16 strimler, som der skulle limes sammen af en blanding af lim, og vand så limen blev fortyndet så det ikke vejer for meget. Vælg en diameter i kugledelen af ballonen og beslut jer for den samlede højde beslutningerne må I tage ud fra hvad der designmæssigt virker pænest og mest praktisk. Vi valgte at diameteren skulle være 148,52 cm sammen med højden på 169,26 efter at have kigget på professionelle og pæne balloner og størrelsesforholdet passer godt med det vi ser på andre nydelige balloner. Tegn et længdesnit af ballonen, og placer keglestubben på kugleafsnittet. Kontroller at keglestubbens skrå sider (i længdesnittet) tangerer kugleafsnittet i punktet, hvor de to figurer mødes. Vi fandt centrum af ballonen for at kunne regne frem til kugle afsnittet der skulle Side 24 af 30

25 Side 25 af 30 Vores arbejde med Excel: Her har vi valgt at arbejde med Excel da, det er et program som man kan bruge til at bruge dem samme formel (udregningsmetoder) flere gange med forskellige facitter som man kan se har vi valgt at lave 2 løsningsforslag for at finde ud af hvilke et der ville give den bedste størrelse, da det også skulle være noget man kunne håndtere at arbejde med. I den øverste linje kan man se de formler vi har brugt til at få Excel til at udregne de for ting som vi havde behov for at få udregnet. Vi vælger at bruge Excel udregninger med 16 stykker da det give det bedste resultat i form af at det skulle være til at arbejde med. Nedenfor her har vi gjort vores resultat lidt større så man har mulighed for at gennemgå dem. 16 Stykker 74,26*COS(PI()/180*M6) 2*O6*PI() P6/16 (2*(PI())*74,26*M6)/360 Vinkel I grader Radius ny ny Omkreds Ny bredde Højdebue 5 73,98 464,81 29,05 6, ,13 459,50 28,72 12, ,73 450,69 28,17 19, ,78 438,45 27,40 25, ,30 422,87 26,43 32, ,31 404,08 25,25 38, ,83 382,21 23,89 45, ,89 357,43 22,34 51, ,51 329,93 20,62 58, ,73 299,92 18,74 64, ,59 267,62 16,73 71, ,13 233,29 14,58 77, ,38 197,19 12,32 84, ,40 159,58 9,97 90, ,22 120,76 7,55 97, ,90 81,02 5,06 103, ,47 40,67 2,54 110, ,00 0,00 0,00 116,65 Side 25 af 30

26 Side 26 af Stykker 74,26*COS(PI()/180*D6) 2*F6*PI() G6/24 (2*(PI())*74,26*D6)/ Vinkel I grader Radius ny ny Omkreds Ny bredde Højdebue 5 73,98 464,81 19,37 6, ,13 459,50 19,15 12, ,73 450,69 18,78 19, ,78 438,45 18,27 25, ,30 422,87 17,62 32, ,31 404,08 16,84 38, ,83 382,21 15,93 45, ,89 357,43 14,89 51, ,51 329,93 13,75 58, ,73 299,92 12,50 64, ,59 267,62 11,15 71, ,13 233,29 9,72 77, ,38 197,19 8,22 84, ,40 159,58 6,65 90, ,22 120,76 5,03 97, ,90 81,02 3,38 103, ,47 40,67 1,69 110, ,00 0,00 0,00 116,65 Beregn rumfang og overfladeareal af jeres færdigdesignede ballon. Rumfang af Kuglekalot Side 26 af 30

27 Side 27 af 30 Rumfang af keglestub Rumfanget af hele ballonen Keglestub overfladeareal: R=55,555 r=15 s=45,72 Kuglekalot overfladearealet: a = 55,555 h = 24,98 Overfladearealet af cirklen: Overfladearealet af hele ballonen: Forklar hvordan ændringer i kuglens radius vil påvirke ballonens udseende. Den vil enten blive meget lang og se ret smal ud hvis radiussen var lille, hvor den derimod vil blive ret lav og meget bred hvis radiussen er stor Her er vi igang med at bruge de beregninger vi har lavet i excel ved brug af forskellige formler som vi har fundet frem til ved hjælp af formelsamlinger samt forskellige hjemmesider. Side 27 af 30

28 Side 28 af 30 Ala. Flowdiagram Da vi ikke havde tid til at færdig at gøre vores rapport i tide grundet problemer i gruppen har valgte at lave et alternativ flowdiagram. Side 28 af 30

29 Side 29 af 30 Kildeliste kildelink 1) Endelig.ashx kildelink 2) kildelink 3) kildelink 4) _og_krigshistorie/blitzen Side 29 af 30

30 Side 30 af 30 Bilag Side 30 af 30