Jak vyrábět balony?

Jak funguje balon?

Balon je v principu vak naplněný plynem, který je lehčí než jeho okolí. Přesněji řečeno, plyn uvnitř balonu má menší hmotnost než stejný objem plynu okolního, a právě tento rozdíl jej žene vzhůru. Rozlišujeme dva základní typy balonů:

1) Balon plynový je naplněn plynem lehčím než vzduch, nejčastěji vodíkem či héliem. Má stejnou teplotu jako okolí, ale musí být dokonale utěsněn, jinak z něj lehký plyn unikne. Dokonce ani pak není vyhráno, neboť vodík a hélium zvolna „prosakují“ skrz většinu běžných materiálů, takže takový balon nemůže létat věčně.

Podomácku můžete vyrobit vodík dvěma způsoby: reakcí kovu s kyselinou, nebo reakcí mezi hliníkem (alobal) a hydroxidem (hašeným vápnem nebo hydroxidem sodným) v teplé vodě. Doporučit lze asi hliník+vápno, protože vápno je o něco méně žíravé než kyseliny či sodný louh, ale i tak je to poněkud riskantní, mj. i proto, že vodík je hořlavý a třaskavý plyn.

Alternativně je možno zakoupit tlakové láhve s héliem na plnění balonků, což je zřejmě bezpečnější, ale zato drahé.

Lehké plyny lze plnit do igelitových pytlů, pokovené termoizolační fólie, balonků nebo prezervativů.

2) Balon teplovzdušný je naplněn vzduchem, a rozdíl v hustotě je zajištěn jeho vyšší teplotou oproti okolí. Tu můžeme zajistit buď pomocí hořáku, nebo slunečními paprsky opírajícími se do balonového obalu.

Materiál

Nejjednodušší je balon zakoupit, na trhu jsou například létající lampiony asijského původu. Pokud se rozhodnete pro tuto možnost, nemá vlastně ani smysl dál číst, protože o všechno se předem postaral výrobce (tedy alespoň v ideálním případě). Pokud ale chcete balon postavit vlastním přičiněním, je třeba se zamyslet nad specifiky balonové konstrukce.

První otázkou je materiál. Tradiční surovinou pro malé balony je papír, jehož výhodou je bezesporu i to, že jde o materiál, který se v přírodě snadno rozloží (jde-li o balon neupoutaný, vypuštěný „na svobodu)“. Nevýhodou je, že vhodný papír se těžko shání, poměr váhy k pevnosti není vždy dobrý, lepení může být pracné a navíc snadno a rychle hoří.

Logickou volbou zejména pro začátečníka je igelit (polyetylen), který je levný a snadno se s ním pracuje. Nevýhodou je, že při vyšších teplotách měkne, krabatí, deformuje se a nakonec se propálí. Většina těchto stránek bude však přesto patřit právě tomuto materiálu.

Igelit je v zásadě dvojího typu. V první řadě jde o černé pytle na odpadky. Jejich tmavá barva je přímo předurčuje ke stavbě solárních balonů, výhodou je také značná mechanická odolnost. V obchodě je dostaneme v podobě úhledných rolí. Jak z nich ovšem vytvoříte balon?

Roli v první řadě zvažte na co nejpřesnější váze, a výsledné číslo vydělte počtem pytlů (zjistíte na obalu), čímž získáte hmotnost jednoho kusu. Jediný igeliťák lze vážit obtížně, neb je na obyčejné váhy příliš lehký. Při nákupu můžeme pro výběr vhodných pytlů s výhodou použít váhy v obchodech (v hypermarketech u zeleniny, v hobbymarketech u spojovacího materiálu).

Když roli rozvinete, zjistíte, že pytle se dají odtrhávat pomocí perforace. Odtržený pytel je pěkně složený, a na jedné straně má svar (po rozložení dno pytle). Svar ale na balonu nepotřebujete, proto jej ještě před rozložením pytle co nejrovněji odstřihněte. Odstřižením svaru se pytel změní v „rouru“. Cílem je ovšem obdélníkový plát. Ideální je vsunout nůžky do záhybu složeného igelitu a podélně jej rozříznout, ještě dokud je složený. Pozor ale, abyste nerozkrojili více vrstev najednou, pak by z pytle zbylo několik „nudliček“. Ani takový zmetek ale nevyhazujte, i odstřižky se můžou hodit, třeba na záplaty.

Po takovémto zpracování igelit rozložte na podlaze nebo na stole. Měl by mít tvar obdélníku, pokud nemá, někde se stala chyba. Změřte a zapište také jeho velikost, i tato čísla budou potřebná pro naplánování balonu. Můžete si také spočítat „sílu“ materiálu: vydělíte-li hmotnost pytle plochou igelitu, získáte „specifickou váhu“, počet gramů na čtvereční metr. (Poznámka pro puntíčkáře: jistě si všimnete, že pytle jsme vážili se svary, které se pak odstřihli. Balon ale zase po slepení ztěžkne např. o použitou izolepu, a zkušenost praví, že tím se tato nepřesnost vynuluje.)

V podstatě máme na výběr mezi pytli malými, z tenkého lehkého materiálu, a velkými z igelitu silnějšího. Ty první se hodí na balony malé (aby byly co nejlehčí), popř. menší díly a záplaty těch větších, postavit z nich něco většího by ale vyžadovalo hodně lepení. U větších balonů tak raději sáhneme po větších pytlích, balon bude sice těžší a tím pádem i méně nosný, ale zato méně pracný.

Ne všechny pytle jsou však pro stavbu balonů vhodné. Některé jsou totiž z extra silného (a těžkého) igelitu, který je dobrý na odpadky (jen tak se neprotrhne) ale do vzduchu jej dostaneme těžko. Materiál těžší než 15 g/m2 můžeme označit jako spíše nevhodný. Důležitá je také „černost“ pytle, která se obtížně kvantifikuje (lze ji srovnávat relativně, např. když položíme dva různé igelity vedle sebe na bílý podklad). Čím je igelit černější, tím lépe (solární) balon poletí.

Pytle se stahovací šňůrkou jsou zbytečně drahé, můžeme je ale použít jako ústí balonu (šňůrka umožní jeho zavírání a otvírání dle potřeby).

Krycí fólie (prodávají se v drogerii nebo potřebách pro kutily) se dělají většinou z průsvitného, velmi tenkého igelitu (někdy jsou na výběr i různé síly a různé rozměry). Lze je použít na stavbu středních a velkých balonů. Jedinou výhodou je velký rozměr (4x5m). Jsou ale velmi málo odolné a snadno se propíchnou či protrhnou (alespoň ty nejtenčí s měrnou hmotností kolem 5 g/m2).

Izolační nebo též izotermické fólie se prodávají v lékárnách jako pomůcka pro poskytování první pomoci. Nejedná se o polyetylén, nýbrž o polyetylen tereftalát (PET) pokovený tenoučkou vrstvou hliníku. Tepelná odolnost a chování při zahřátí je velmi podobné jako u igelitu, na rozdíl od něj je nelze svařovat pomocí pájky. Výhodou by měla být neprostupnost pro infračervené paprsky, tedy větší schopnost zadržet teplo uvnitř balonu. Pro solární balon je ale zjevnou nevýhodou jejich odrazivost. Měly by být také vhodné pro zadržování lehkých plynů, jako je vodík a hélium.

Další materiály (např. látky) nemám vyzkoušené, experimenty v tomto směru však mohou také vést k úspěchu.

 

Parametry igelitu pro stavbu balonů (příklad)

Objem pytle (l)

Rozměry igelitu (cm)

Hmotnost 1 ks (g)

Hmotnost 1m2 (g)

35

58x106

4,3

5

60

70x120

7,9

8,9

120

107x140,5

20

13,3

Krycí fólie

400x500

100

5

Izotermická fólie (ALFA VITA)

220x140

55

17,9

Návrh balonu

Před stavbou balonu je vhodné si rozmyslet, co vlastně stavíme. Máme materiál o určitých rozměrech a určité hmotnosti, a obojí bychom měli přesně znát. Dalším krokem je „střih“ balonu, kde si rozmyslíme, kolik materiálu bude potřeba a jak jej slepíme dohromady do výsledné podoby. Asi vás hned napadne tvar klasického balonu – obrácená „hruška“, sešitá z podélných pruhů. U menších balonů ovšem na takový tvar můžete zapomenout (nejde-li vám vyloženě o estetiku). Stačí tvar válcovitý (nebo, méně vznešeně řečeno, pytlovitý), popř. hranol nebo v některých případech čtyřstěn.

 

Kvádrový (válcový) balon

Jako příklad zde použiji svůj první funkční balon Haeliaea II. Zvoleným stavebním materiálem byly v tomto případě 60-l pytle na odpadky. Střih je velmi jednoduchý – základem je kvádr se stěnami ze 4 igelitových listů postavených na výšku a se čtvercovým stropem. Dole jsou dva listy umístěné naležato, se okraji odstřiženými do šikma, aby se balon zužoval. Ústí tvoří jediný (nerozstřižený) pytel se zatahovací šňůrkou.

Popis: HaeII

Je zde tedy celkem 8 dílů, v případě stropu, zužujících se listů a ústí ale nejsou použity celé pytle, počítejme proto, že jich je 7. Hmotnost obalu je tedy 7x7,9=55,3 g, což přesně odpovídá tomu, že obal balonu vážil 55 g (změřeno na váze).

Jak spočítat objem? Vzorec pro výpočet objemu kvádru je jednoduchý: Strana x strana x výška. Horních 120 cm balonu je vlastně kvádr 0,7x0,7x1,2 m. Níže se balon trochu zužuje. Nemá ale smysl počítat objem této části moc přesně. Stačí, když ze 70 cm výšky zužujících se ležatých listů započítáme jen polovinu. Tvar balonu tak zjednodušíme na kvádr 0,7x0,7x1,55 m, což činí 0,76 m3.

Ve skutečnosti balon nebude mít tvar hranolu, po naplnění zaujme spíše podobu jakéhosi válce, dole zúženého (viz foto níže), jeho skutečný objem se tím o něco zvětší (až o čtvrtinu), tento rozdíl ale můžeme ignorovat, protože hraje jen a jen v náš prospěch.

Výroba balonu z krycí fólie je ještě prostší. Vezměte celou fólii nebo její polovinu (polovina bohatě stačí, nebudujete-li těžkotonážní balon pro nesení např. fotoaparátu). Její kratší stěny slepte k sobě, čímž vznikne otevřený válec. V místech budoucího stropu balonu okraje rovněž slepte (podobně, jako na uzavřeném konci tuby na zubní pastu). Dolní ústí je dobré olemovat pevnějším igelitem z pytlů a zároveň ho podle potřeby zúžit.

 

Čtyřstěn

Čtyřstěn neboli tetraedr je geometrické těleso, které je snadné na výrobu, ale má méně výhodný poměr objemu k povrchu (čtyřstěnný balon neboli tetrón je těžší a méně unese oproti srovnatelnému balonu vhodnějšího tvaru). Výroba začíná slepením obdélníku, jehož delší strana je dvojnásobkem délky hrany plánovaného čtyřstěnu, a kratší strana je 0,433-násobkem strany delší, z něhož pak čtyřstěn bez potíží složíte. Podrobnější postup vč. ilustrací najdete na Internetu (http://www.solar-balloons.com/ht_tetroon.html).

Vztlak a nosnost

Balon je s to zvednout hmotnost, která se rovná rozdílu hmotnosti vzduchu uvnitř oproti stejnému objemu vzduchu okolo (vztlak). Pro jednoduchost uvádím následující tabulku (čísla jsou přibližná).

Vztlak horkého vzduchu

Teplota vzduchu venku (ºC)

-10

0

5

10

15

20

Teplota náplně (ºC)

 

 

 

 

 

 

10

94

45

22

 

 

 

15

115

67

44

21

 

 

20

136

87

64

42

21

 

30

175

127

104

81

60

39

40

212

163

140

118

97

76

50

246

198

175

153

131

111

60

279

230

207

185

164

143

70

309

261

238

216

194

174

80

338

290

267

244

223

202

90

365

317

294

272

250

230

100

391

343

320

297

276

255

Čísla v tabulce udávají vztlak jednoho krychlového metru vzduchu v gramech.

 

Při konstrukci balonů většinou uvažuji teplotu vzduchu rovnou nule (má to praktický důvod, protože hlavní létací sezónou je z řady důvodů zima). Dále si proto budeme všímat jen čísel vyvedených červenou barvou.

Co nám čísla povědí o balonu Haeliaea II, jehož střih jste viděli výše? Objem činí 0,76 m3. Protože balon funguje na solárním principu, teplota vnitřku nebude nijak oslnivá, řekněme o 20ºC vyšší než teplota okolí. V tabulce si snadno najdete, že při nulové teplotě okolí a 20º uvnitř je vztlak jednoho krychlového metru 87 gramů. Vynásobíme to objemem balonu, tj. 0,76 x 87 = 66,1 g. Celkový vztlak balonu tedy činí 66 gramů. Známe hmotnost obalu, která činí 55 g (to jsme si mohli spočítat podle váhy materiálu, a následně ověřit převážením sbaleného balonu). Hmotnost obalu je menší než vztlak, což napovídá, že balon je schopen unést sám sebe. Odečteme-li od vztlaku hmotnost obalu, získáme nosnost balonu, neboli maximální váhu nákladu, s nímž by se byl ještě schopen jakž takž udržet ve vzduchu. To je v tomto případě necelých 11 gramů.

 

Popis: H2-1

Haeliaea II – dokončená a stoupající k nebi, poháněná paprsky ranního slunka...

Jak lepit balony?

Možnosti jsou dvě: svařování a lepící páska (izolepa). Osobně mám zkušenosti především s izolepou. Vhodná je úzká izolepa (šířka asi 1 cm), která je velmi levná (několikametrová rolička jen 5,-) a zároveň lehká. Nemusíte se obávat, že by díky ní balon nějak nadměrně ztěžkl.

Igelit dobře vyrovnejte, aby nebyl příliš zmačkaný. Okraje dvou listů pak položte tak, aby se mírně překrývaly (0,5 – 1 cm) a přelepte. Ne vždy se to povede dokonale, je proto nutné balon zkontrolovat, aby neměl díry ve švech. Lepení krycí fólie je obtížnější, neboť se s ní hůř manipuluje, a jednou přilepenou pásku z ní již nelze odlepit (je tak málo pevná, že se spíš roztrhne).

http://www.solar-balloons.com/howto.html

 

Ke svařování jsem prozatím zkoušel hlavně pájku. Možné jsou dva způsoby:

1) Pokud položíme igelit dvěma vrstvami a přejedeme po něm rozžhavenou pájkou, rozřízneme plochu na dvě, ale v místě řezu se obě vrstvy svaří k sobě. Funguje to poměrně spolehlivě, hlavně u silnějších igelitů.

2) Pokud položíme igelit dvěma vrstvami, nad něj i pod něj dáme obyčejný papír nebo alobal (aby se plastik nepřilepil k podložce nebo pájce, někdy je nutno použít více vrstev), po němž svrchu přejedeme hrotem pájky (nebo žehličkou), mohou se obě vrstvy slepit (spéct) dohromady, aniž by je hrot pájky odřízl. Nevýhodou je, že pod pájku nevidíme, v praxi bývá obtížné poznat, kdy je prohřátí nedostatečné a svar nevznikne, nebo kdy naopak dojde k propálení igelitu. Při použití jiných nástrojů ale nelze vyloučit spolehlivější výsledky.

Svařovat popsanými způsoby nelze izotermickou fólii.

 

Oba spojovací postupy mají své. Izolepa při vyšších teplotách hůře drží (roztápí se lepidlo), což je relevantní např. pro letní pouštění solárních balonů, kdy se jejich plášť opravdu hodně ohřeje. Pokud dojde k jejímu odlepení, může se přilepit tam kam nemá a způsobit poškození balonu. Svary se zase mohou trhat nebo mít díry. Na namáhaných místech je ideální použít obojí zároveň – přelepený svar.

Odkazy na webu

http://www.solar-balloons.com/

http://www.solar-balloons.com/videos.html

http://thermius.appspot.com/cz/

http://www.chovanec.com/notes/archive/month-2007-02.html

http://www.rozhlas.cz/leonardo/technologie/_zprava/266060