Prinsip Kerja Balon Udara

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.  Latar Belakang

Salah satu fenomena alam yang sering ditemukan adalah fenomena fluida. Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air dan zat gas seperti udara dapat mengalir. Menurut Giles (1984:1) “Fluida adalah zat-zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk wadah dan tempatnya”. Zat padat seperti batu atau besi tidak dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam  fluida. Air merupakan salah satu contoh zat cair. Masih ada contoh zat cair lainnya seperti minyak pelumas, susu, dan sebagainya. Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain.

Fenomena fluida statis (fluida tak bergerak) berkaitan erat dengan tekanan hidraustatis. Dalam fluida statis dipelajari hukum-hukum dasar yang berkaitan dengan konsep tekanan hidraustatis, salah satunya adalah hukum Pascal dan hukum Archimedes. Hukum Pascal diambil dari nama penemunya yaitu Blaise Pascal (1623-1662) yang berasal dari Perancis. Sedangkan hukum Archimedes diambil dari nama penemunya yaitu Archimedes (287-212 SM) yang berasal dari Italia. Hukum-hukum fisika dalam fluida statis sering dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia dalam kehidupannya, salah satunya adalah prinsip hukum Pascal dan prinsip hokum Archimedes. Namun, belum banyak masyarakat yang mengetahui hal tersebut. Oleh karena itu, diperlukan studi yang lebih mendalam mengenai hukum Pascal dan hukum Archimedes serta penerapannya dalam kehidupan.

Balon udara adalah salah teknologi penerbangan pertama yang memanfaatkan Hukum Archimedes, dimana hukum tersebut menyatakan bahwa ”Suatu benda yang terendam sebagian atau seluruhnya dalam  zat cair (fluida) mendapat gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair (fluida) yang dipindahkan oleh benda itu”.

Sebagaimana pada zat cair, pada udara juga terdapat gaya ke atas. Gaya ke atas yang dialami benda sebanding dengan volume udara yang dipindahkan benda itu. Menurut Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang merupakan gaya dari fluida terhadap benda berlawanan arah terhadap yang ditunjukkan dalam diagram bebas”.  Suatu benda akan naik ke angkasa jika beratnya kurang dari gaya angkat udara. Balon  udara akan berhenti naik (melayang) jika gaya ke atas oleh udara sama dengan berat total balon udara.

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas, penulis tertarik untuk membahas ” PRINSIP KERJA BALON UDARA ” dan menjadi judul pada makalah ini.

1.2.Batasan Masalah

Dalam pembahsaan  prinsip kerja balon udara tentunya akan muncul beragam hal yang perlu dibahas, untuk itu diperlukannya pembatasan masalah. Masalah yang dibahas pada makalah ini seputar penerapan ilmu Fisika pada prinsip kerja balon udara

1.3. Rumusan Masalah

Adapun yang menjadi permasalahan didalam  makalah ini adalah bagaimana Prinsip Kerja Balon Udara.

.

1.4. Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah ingin mengetahui bagaimana prinsip kerja balon udara.

1.5.Manfaat

Adapun manfaat dari penulisan ini adalah :

a.       Penulis, sebagai pelengkap syarat mata kuliah Seminar Fisika

b.      Mahasiswa dan  Umum, sebagai penambah pengetahuan tentang penerapan ilmu fisika pada prinsip kerja balon udara.

 

BAB II

KAJIAN TEORI

2.1.Fluida

Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air atau zat gas seperti udara dapat mengalir. Zat padat seperti batu dan besi tidak dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Air, minyak pelumas, dan susu merupakan contoh zat cair. Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain.

Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari. Menurut Streeter (1996:1) “fluida adalah zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus – menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser itu”.

Fluida dibagi menjadi dua bagian yakni fluida statis (fluida diam) dan fluida dinamis (fluida bergerak). Fluida statis ditinjau ketika fluida yang sedang diam atau berada dalam keadaan setimbang. Fluida dinamis ditinjau ketika fluida ketika sedang dalam keadaan bergerak).  Fluida statis erat kaitannya dengan hidraustatika dan tekanan. Hidraustatika merupakan ilmu yang mempelajari tentang gaya maupun tekanan di dalam zat cair yang diam. Sedangkan tekanan didefinisikan sebagai gaya normal per satuan luas permukaan.

Fluida juga memiliki Berat jenis yang dilambangkan dengan γ (gamma) dan gravitasi jenis, menurut Munson (2003:15) “berat jenis dari sebuah fluida, dilambangkan dengan γ (gamma), didefinisikan sebagai berat fluida persatuan volume”. Berat jenis berhubungan dengan kerapatan melalui persamaan :

            Gravitas jenis sebuah fluida dilambangkan dengan SG. Menurut Munson (2003:15)” gravitasi jenis sebuah fluida didefinisikan sebagai perbandingan kerapatan fluida tersebut dengan kerapatan air pada sebuah temperatur tertentu”.

2.2.Hukum Archimedes

Gaya apung terjadi karena makin dalam zat cair, makin besar tekanan hidrostatiknya. Hal ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan ada bagian atasnya. Gaya apung muncul karena selisih antar gaya hidrostatik pada permukaan benda atas dan bawah. Fluida melakukan tekanan hidrostatik p₁=ρ_fgh₁ pada bagian atas benda. Gaya yang berhubungan dengan tekanan ini adalah F₁=p₁A =ρ_fgh₁A berarah ke bawah. Dengan cara yang sama, pada permukaan bagian bawah diperoleh F₂=p₂A =r_fgh₂ A berarah ke atas.

Resultan kedua gaya ini adalah gaya apung Fa, yakni :

F_a = F₂ – F₁                          

= ρ_fgA(h₂ - h₁)

= ρ_fgAh

= ρ_fgV_b = m_f g = w_f

Berdasarkan persamaan di atas, dikatakan bahwa gaya apung pada benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Hal ini dikemukakan oleh Archimedes dalam hukumnya yang menyatakan Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.  Menurut Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang merupakan gaya dari fluida terhadap benda berlawanan arah terhadap yang ditunjukkan dalam diagram bebas”.  

2.2.1.      Tenggelam

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat benda (w) lebih besar dari gaya ke atas (Fa).

w > Fa

ρb . Vb . g > ρa .Va . g

ρb > ρa

Volume bagian benda yang tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair (ρ)

2.2.2.      Melayang

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w) sama dengan gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut dalam keadaan setimbang

w = Fa

ρb .Vb . g = ρa . Va . g

ρb = ρa

Pada 2 benda atau lebih yang melayang dalam zat cair akan berlaku :

(FA)tot = Wtot

rc . g (V1+V2+V3+V4+…..)  =  W1 + W2 + W3 + W4 +…..

2.2.3.      Terapung

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w) lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).

w = Fa

ρb . Vb . g = ρa . Va . g

ρb < ρa

Selisih antara W dan FA disebut gaya naik (Fn).

Fn =  FA - W

Benda terapung tentunya dalam keadaan setimbang, sehingga berlaku :

FA = W . Vb₂ . g  =  rb . Vb₁ . g

Dengan :

FA = Gaya ke atas yang dialami oleh bagian benda yang tercelup di dalam zat cair.

Vb1 = Volume benda yang berada dipermukaan zat cair.

Vb2 =    Volume benda yang tercelup di dalam zat cair.

Vb = Vb1 + Vb 2

FA’  =  rc . Vb2 . g

Berat (massa) benda terapung = berat (massa) zat cair yang dipindahkan

Dari penjelasan konsep melayang, terapung dan tenggelam yang telah teruraikan diatas kita asumsikan balon udara merupakan benda yang berada didalam fluida (udara) dimana medium luar balon udara adalah udara sekitar balon udara.

2.3.Balon Udara

2.3.1.      Sejarah Penemuan Balon Udara

Pada tahun 1709 di Lisbon, Bartolomeu de Gusmo berhasil membuat balon yang dapat bergerak naik di dalam suatu  ruangan setelah udara di dalam balon dipanaskan. Dia juga membuat  balon  Passarola  yang  berhasil  terbang  dari Benteng  Saint George sejauh sekitar  satu  kilometer. 

Kemudian  tahun  1766,  Joseph  Black  berkeyakinan bahwa balon yang diisi dengan hidrogen akan mampu naik di udara. Balon  udara  panas  adalah  teknologi penerbangan  pertama  oleh  manusia, ditemukan  oleh Montgolfier  bersaudara  di Annonay,  Perancis  pada  1783.  Peristiwa kebakaran  pada  suatu  malam  di  benteng Gibraltar  membuat  Joseph  berpikir  akan kemungkinan pembakaran dari bara api dapat mengangkat sebuah benda. Dia percaya bahwa  ada  asap  gas  khusus  yang menyebabkan hal  itu  terjadi. Dia menyebutnya  gas tersebut adalah "Mongolfier gas".

Lewat hipotesis  itu, dia membangun  ruang kotak berukuran 1 x 1 x 1,3 m dari kayu yang tipis. Lalu, sisi atasnya ditutup dengan kain ringan. Di bagian bawah kotak, dia menyulut  beberapa  kertas.  Ternyata,  hasil  pembakaran  itu  mengangkat  balon perlahan. Hasil percobaan  itu membuat mereka semakin bersemangat. Dua bersaudara itu mengumumkan  pembuatan  proyek  besar.  Yakni,  balon  udara  raksasa  yang menampung beberapa orang. Balon itu berbentuk kain kabung dengan tiga lapisan tipis di dalamnya. Balon tersebut mampu menampung 790 m¸ udara dengan berat 225 kg.

2.3.2.      Tipe Balon Udara

Tipe balon udara dibedakan atas dua macam yaitu:

a.      Balon udara yang diisi dengan udara panas

Pada jenis balon udara ini terdapat suatu pembakar yang berfungsi untuk memanaskan udara dalam balon, sehingga udara dalam balon menjadi lebih ringan dari udara luar sekitarnya.

b.      Balon udara yang diisi dengan gas yang ringan

Gas yang biasanya digunakan adalah gas hidrogen dan gas helium. Gas hidrogen ringan  namun  mudah  terbakar.  Sedangkan  gas  helium  tidak  mudah  terbakar.

2.3.3.      Bagian Pada Balon Udara

Adapun Bagian – Bagian yang terdapat pada balon udara adalah sebagai berikut:

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

a.       Envelope 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) seperti PVC.

b.      Burner merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan udara di dalam Envelope. Burner di letakan di atas kepala penumpang dekat ke mulut envelope.

c.       Basket atau keranjang merupakan tempat penumpang. Basket dibuat dari bahan yang ringan dan lentur.

2.4.Prinsip Kerja Balon Udara

Prinsip kerja pada balon yang diisi dengan udara panas dan balon yang diisi dengan gas ringan  pada  dasarnya  sama,  yaitu  dengan  membuat  udara  dalam  balon  lebih  ringan  atau memiliki massa  jenis  yang  lebih  kecil  dari  udara  luar  sekitar  balon  sehingga  balon  udara dapat naik (terbang). Sesuai dengan prinsip Archimedes “Gaya apung yang bekerja pada benda yang dimasukkan dalam  fluida  sama dengan berat fluida yang dipindahkannya”. hal ini sejalan dengan udara sebagai fluida dimana benda dapat terapung pada fluida , jika massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis fluida tersebut.

Semua partikel udara di atmosfer ditarik oleh gaya gravitasi ke bawah. Namun tekanan di udara menciptakan gaya ke atas yang bekerja berlawanan dengan gravitasi. Menurut Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang merupakan gaya dari fluida terhadap benda berlawanan arah terhadap yang ditunjukkan dalam diagram bebas”. Kumpulan udara membangun  keseimbangan gaya  gravitasi,  dimana  pada  titik  ini  gravitasi  tidak  cukup  kuat untuk menarik ke bawah sejumlah besar partikel. Tingkat  tekanan  ini adalah  tertinggi pada permukaan bumi dimana udara pada tingkat ini dapat menahan beban di udara diatasnya, jika lebih  berat  berarti  lebih  besar  gaya gravitasi  ke  bawah.  Tapi gaya apung ini adalah lemah dibandingkan dengan  gaya  gravitasi, hanya sekuat berat udara  yang dipindahkan oleh  suatu benda.  Jelas, sebagian  besar  benda  padat  apa pun  akan  menjadi  lebih  berat  daripada  udara  yang dipindahkan,  sehingga  gaya  apung  tidak bergerak  sama  sekali.  Gaya  apung  hanya  dapat memindahkan hal-hal yang lebih ringan daripada udara di sekitarnya.

Untuk  membuat  benda  mengapung  di udara,  maka  berat  balon  dan  muatannya  harus lebih  ringan  dari  yang  ada  di  udara  sekitarnya, yaitu  dengan mengisi  balon  dengan  udara  yang tidak  terlalu  padat  daripada  udara  sekitarnya, semisal dengan mengisi balon udara dengan gas hidrogen  atau  gas  helium  yang memiliki massa jenis lebih kecil dari udara (Massa jenis helium = 0,1786 Kg/m3, udara=1,29 kg/m3). Karena udara dalam  balon  memiliki  kurang  massa  per  unit volume  daripada  udara  di  atmosfer  yang membuatnya  lebih  ringan  sehingga  gaya  apung akan mengangkat balon ke atas.

Untuk Balon yang diisi dengan udara panas, prinsip yang digunakan pun sama, jika ingin mengubah  kondisi  udara  di  dalam  balon,  dapat  dikurangi  kepadatannya, sekaligus  menjaga tekanan  udara  agar  tetap  sama  dengan  pemanasan  udara  secara  terus-menerus. Kekuatan tekanan  udara  pada  objek  tergantung  pada  seberapa  sering  berbenturan dengan partikel-partikel udara objek, serta gaya masing-masing tabrakan. Kita melihat bahwa secara keseluruhan kita dapat meningkatkan tekanan dalam dua cara:

1.      Meningkatkan  jumlah  partikel  udara  sehingga  ada  sejumlah  besar  partikel berdampak atas luas permukaan tertentu.

2.      Meningkatkan  kecepatan  partikel  sehingga  partikel  menghantam  daerah lebih sering dan setiap partikel bertabrakan dengan kekuatan yang lebih besar. 

Pada balon udara yang diisi dengan udara panas, agar balon udara dapat terbang maka di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan temperatur sekitar 100^oC. Udara panas ini  akan terperangkap  di  dalam  envelope. Karena  udara  panas memiliki massa  jenis  yang lebih kecil daripada udara biasa, maka 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. Sedangkan pada  balon  yang berisi  gas  ringan,  terdapat kantung-kantung pasir  yang diikatkan ditepian keranjang. Ketika balon udara ingin terbang tinggi, maka kantung-kantung pasir  tersebut dibuang di udara, namun ketika balon udara  ingin diturunkan maka gas pada balon udara dibuang.

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). 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 .

BAB III

PEMBAHASAN

3.1.  Gaya yang berkerja pada balon udara

Adapun gaya – gaya yang bekerja pada balon udara adalah sebagai berikut:

 

a.       Gaya Apung

Balon udara akan melayang diudara apabila besarnya gaya apung sama dengan gaya berat balon udara tersebut. Secara sistematis dapat ditulis :

Fb=W_{gas +} W_Beban

Fb=(m_gas+m_beban) . g

ρ_udara . V . g = (ρ_gas .V+m_beban).g

ρ_udara . V  = ρ_gas .V+m_beban

b.      Balon Naik jika

Dalam proses menaikkan balon udara, udara di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan temperatur sekitar 100^oC sehingga menyebabkan masa jenis balon udara lebih kecil daripada massa jenis udara disekitar balon, sehingga menyebabkan balon  tersebut terangkat. Secara sistematis dapat ditulis

ρ_udara . V > ρ_gas .V+m_beban

c.       Balon Turun

Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak  turun. Hal ini dikarenakan balon lebih besar dari pada masa udara disekitar balon tersebut (udara luar). Secara sistematis dapat ditulis:

ρ_udara . V < ρ_gas .V+m_beban

 

BAB IV

PENUTUP

4.1.Kesimpulan 

Dari yang telah teruraikan dari bab sebelumnya maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

Ø  Balon udara merupakan teknologi terbang pertama  yang menerapkan  konsep fluida statis dengan menggunakan prinsip archimedes, dimana “Gaya apung yang bekerja pada benda yang dimasukkan dalam  fluida  sama dengan berat fluida yang dipindahkannya”.

a.       Gaya Apung (Balon Melayang)

Balon udara akan melayang diudara apabila besarnya gaya apung sama dengan gaya berat balon udara tersebut. Secara sistematis dapat ditulis :

ρ_udara . V  = ρ_gas .V+m_beban

b.      Balon Naik

Balon udara naik apabila massa jenis balon lebih kecil daripada masa jenis udara diluar balon secara sistematis dapat ditulis

 ρ_udara . V > ρ_gas .V+m_beban

c.       Balon Turun

Balon Udara turun apabila massa jenis balon lebih besar daripada masa jenis udara diluar balon secara sistematis dapat ditulis

ρ_udara . V < ρ_gas .V+m_beban

4.2.  Saran

Adapun saran dari penulis pada penyusunan koloqium ini adalah semoga dapat menambah pengetahuan tentang bagaimana penerapan ilmu fisika pada prinsip kerja balon udara dan diharapkan adanya penyusunan koloqium lainnya dengan menerapkan ilmu fisika didalamnya.