Balloon, the Beginning of Kaze: Balloon

ที่มาและความสำคัญของโครงงาน

เนื่องจากคนส่วนใหญ่่เดินทางด้วยพาหนะหลายประเภทเช่น รถยนต์ต่างๆ รถไฟ เรือ จรวด เครื่องบันเจ็ต รวมไปถึงเครื่องบิน โดยคนส่วนใหญ่จะเดินทางไกลโดยเครื่องบินหรือเรือ แต่ส่วนมากจะเป็นเครื่องบินซะมากว่า ซึ่งลืมไปว่าสิ่งที่เป็นต้นความคิดของเครื่องบินมาจากบอลลูน
ทางสมาชิกในกลุ่มจึงมีความสนใจที่จะศึกษาเรื่องราวเกี่ยวกับบอลลูนในด้านความเป็นมาของบอลลูน ส่วนประกอบ และทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการลอยตัวของบอลลูน

ความเป็นมาของบอลลูน

ประวัติศาสตร์ได้บันทึกว่า เมื่อวันที่ 21 พฤศจิกายน พ.ศ. 2326 มนุษย์ได้เดินทางในอากาศเป็นครั้งแรกด้วยบอลลูน โดย Pilate de Rozier ผู้อำนวยการของพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ในปารีส กับ Marquis d' Arlandes ผู้เป็นนายทหารผู้ใกล้ชิดของพระเจ้าหลุยส์ที่ 16 แห่งฝรั่งเศส ได้เดินทางจากสวน Chateau de la Muette ในกรุงปารีสถึง Fontainbleau ที่อยู่ไกลออกไป 8 กิโลเมตร โดยใช้เวลา 25 นาที ด้วยบอลลูนที่สร้างขึ้นด้วยฝีมือของสองพี่น้องตระกูล Mongolfier ชื่อ Joseph - Michel และ Jacques - Etienne

Joseph - Michel Mongolfier (ภาพทางซ้าย)

Jacques - Etienne Mongolfier (ภาพทางขวา)

การเดินทางที่เป็นประวัติศาสตร์ครั้งนั้น นอกจากจะแสดงความสำเร็จของนักเทคโนโลยีในการประดิษฐ์ยานที่สามารถลอยในอากาศ ได้แล้ว สิ่งประดิษฐ์ยังทำให้ประชาชนตระหนักในความสำคัญของวิชาเคมีในเรื่องที่ เกี่ยวกับคุณสมบัติของก๊าซด้วย การศึกษาประวัติของตระกูล Montgolfier ทำให้เรารู้ว่า สองพี่น้องตระกูลนี้อาศัยที่เมือง Annonay ซึ่งอยู่ใกล้เมือง Lyons และสนใจเรื่องการบินมาก หลังจากที่ได้เห็นถุงกระดาษที่บรรจุควันไฟว่าสามารถลอยในอากาศได้ คนทั้งสองจึงเริ่มทดลองใช้ถุงกระดาษที่มีขนาดใหญ่ขึ้นๆ และใช้ควันไฟร้อนปริมาณมากขึ้นๆ และก็ได้พบว่า ถุงกระดาษขนาดใหญ่ที่บรรจุควันร้อนเหล่านั้นยังสามารถลอยได้อีก ดังนั้น เมื่อถึงวันที่ 4 มิถุนายน พ.ศ. 2326 คนทั้งสองจึงนำสิ่งประดิษฐ์ที่ทำด้วยผ้าลินิน และตัดเย็บเป็นทรงกลมขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 12 เมตร และหนัก 225 กิโลกรัม มาแสดงสาธิตการลอยให้ชาวเมือง Annonay ดูโดยได้ปล่อยควันร้อนเข้าบอลลูนจนเต็ม ผลปรากฏว่า บอลลูนลูกนั้นลอยได้นานประมาณ 10 นาที ไปตกห่างจากสถานที่ปล่อย 2.4 กิโลเมตร ข่าวความสำเร็จนี้ได้ทำให้คนฝรั่งเศสและชาวยุโรปอื่นๆรู้สึกตื่นเต้นมาก

2 เดือนต่อมา Jacques Charles (นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสผู้พบกฎของ Charles ที่เกี่ยวกับก๊าซอุดมคติ) ได้ทดลองสร้างบอลลูนในลักษณะเดียวกันนี้บ้าง แต่ใช้ก๊าซไฮโดรเจนแทนควันไฟ เพราะ Charles รู้ว่าไฮโดรเจนเบากว่าอากาศและควันไฟของ Montgolfier แต่เขาพบในเวลาต่อมาว่าก๊าซไฮโดรเจนได้ซึมผ่านเนื้อผ้าลินินไปบ้าง บอลลูนจึงลอยไปได้ไม่ไกล เขาจึงปรับปรุงเทคนิคการทำบอลลูนใหม่ โดยใช้ผ้าไหมแทนผ้าลินิน แล้วเคลือบเนื้อผ้าไหมด้วยยาง ส่วนก๊าซไฮโดรเจนที่เขาจำเป็นต้องใช้นั้น Charles ได้จากการใช้กรดกำมะถันทำปฏิกิริยากับผงตะไบเหล็ก บอลลูนของ Charles ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว 4.2 เมตร ต้องการเวลาในการเตรียมก๊าซไฮโดรเจน จากกรดกำมะถัน 220 กิโลกรัม และเหล็ก 440 กิโลกรัม นานหลายวัน และในวันที่ 27 สิงหาคม พ.ศ. 2326 บอลลูนของ Charles ก็ลอยขึ้นที่ Champs de Mars และลอยอยู่นาน 45 นาที แล้วตกในทุ่งนาใกล้เมือง Gonesse ที่อยู่ห่างออกไป 24 กิโลเมตร การเห็นสิ่งประหลาดตกจากฟ้าในเวลากลางวันแสกๆ ทำให้ชาวบ้านตกใจกลัวมาก จึงวิ่งกรูเข้าทุบตีบอลลูนจนพังยับเยิน

3 สัปดาห์ต่อมาสองพี่น้อง Montgolfier ก็ได้ทดลองปล่อยบอลลูนลูกใหม่ที่พระราชวัง Versailles ต่อหน้าพระพักตร์ของพระเจ้า Louis ที่ 16 โดยใช้ควันไฟร้อนอีก แต่ในการลอยครั้งนั้น คนทั้งสองได้นำตะกร้าติดที่ตัวบอลลูน แล้วเอาไก่ แกะ เป็ดอย่างละตัวใส่ในตะกร้า ตัวบอลลูนที่มีสีสดใสสามารถลอยได้ไกล 3 กิโลเมตร และนำสัตว์ทั้ง 3 ตัว ลงดินได้อย่างปลอดภัย เมื่อสัตว์สามารถเดินทางในอากาศได้ มนุษย์ก็รู้ทันทีว่าตนสามารถเดินทางในอากาศด้วยบอลลูนได้เช่นกัน ดังนั้น เมื่อถึงเดือนตุลาคม Montgolfier จึงจัดให้ de Rozier นั่งในตะกร้าลอยขึ้นไปกับบอลลูนที่มีเชือกผูกโยงตะกร้าไว้ไม่ให้ลอยไกล ผลปรากฏว่าบอลลูนลอยได้สูง 25 เมตร เป็นเวลานาน 4 นาที และเมื่อถึงวันที่ 21 พฤศจิกายน ชื่อของ de Rozier กับ d' Arlandes ก็ได้รับการจารึกในประวัติศาสตร์การบิน ถึงกระนั้น Charles ก็ไม่ยอมแพ้ เขากับเพื่อนชื่อ M.N. Robert ได้โดยสารบอลลูนที่ภายในบรรจุก๊าซไฮโดรเจน ออกเดินทางจากปารีสไป Nesle เมื่อวันที่ 1 ธันวาคม พ.ศ. 2326 การเดินทางที่นาน 2 ชั่วโมงครั้งนั้นได้ระยะทางไกล 43 กิโลเมตร และบอลลูนขึ้นสูง 3 กิโลเมตร นับแต่นั้นมา ชาวยุโรปก็ใช้บอลลูนในการเดินทางหลายครั้ง เช่น ในวันที่ 10 มกราคม พ.ศ. 2327 Joseph Montgolfier พร้อมผู้โดยสารอีก 3 คน ได้เดินทางด้วยบอลลูนควันร้อนที่สูง 60 เมตร และมีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว 13 เมตร เป็นเวลานาน 17 นาที บอลลูนลอยขึ้นสูง 1 กิโลเมตร เมื่อถึงเดือนสิงหาคม 2328 Guyon de Moreau นักเคมีชาวฝรั่งเศสกับเพื่อนได้ขึ้นบอลลูน เพื่อสำรวจอุณหภูมิและความดันบรรยากาศที่ระดับสูง 3 กิโลเมตร เหนือผิวโลก อีก 6 เดือนต่อมา Jean Pierre Blanchard ชาวฝรั่งเศสกับ John Jeffries ชาวอเมริกันก็ประสบความสำเร็จในการเดินทางจาก Dover ในอังกฤษข้ามช่องแคบอังกฤษถึง Calais ในฝรั่งเศสเป็นครั้งแรก

อ้างอิงจาก : http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9490000157794

ส่วนประกอบของบอลลูน

บอลลูนมีส่วนประกอยสำคัญ 3 ส่วนคือ ตัวบอลลูนรูปทรงกลมหรือเรียกว่า “envelope” ทำจากผ้าไนลอนชนิด rip-stop nylon ที่ไม่ฉีกขาดง่าย ถักทอแบบร่างแห ทำให้มีน้ำหนักเบาและเหนียวทนทาน มีการเคลือบภายในด้วยพลาสติกเพื่อช่วยเก็บอากาศร้อน วัสดุที่ใช้ทำ envelope ของบอลลูนนี้จะแตกต่างจาก envelope รูปซิการ์บรรจุก๊าซฮีเลียมของเรือเหาะที่ทำจากวัสดุผสมโพลีเอสเทอร์ซึ่งเป็นวัสดุชนิดเดียวกับวัสดุที่ใช้ทำเสื้อของนักดับเพลิง

ภาพ Rip-stop nylon

ภาพส่วนประกอบ Envelope

ส่วนที่สองคือ skirt 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

ภาพ Burner

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

ภาพ Gondola

อ้างอิง : http://www.rmutphysics.com/charud/scibook/Material1/index_balloon.html

Balloon ลอยตัวอย่างไร

แรงลอยตัว (Buoyancy Force)

หลักของแรงลอยตัว (Buoyancy Force)

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

ภาพของ Archimedes

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

บอลลูนอาศัยหลักการลอยตัวของอากาศร้อนที่เบากว่าอากาศเย็น รอบ ๆ บอลลูน และแรงขับเคลื่อนมาจากลมที่พัดพาตามธรรมชาติ แตกต่างจากเรือเหาะ (airship) ที่ขับเคลื่อนลูกบอลลูนด้วยเครื่องจักร

อ้างอิง : http://www.rmutphysics.com/charud/scibook/Material1/index_balloon.html

ประโยชน์จากโครงงาน

จากการศึกษาเรื่องราวเกี่ยวกับบอลลูน ทำให้ทราบถึงการประดิษฐ์และการสร้างสรรค์ของคนสมัยก่อน และยังทำให้บุคคลสำคัญในด้านของบอลลูนเป็นที่รู้จักอย่างกว่าวขวางยิ่งขึ้นไม่มากก็น้อย

วิดิโอนำเสนอ