Heliumballon im Gleichgewicht

Ziel der Challenge

Wie bringt man einen Heliumballon in eine perfekte Schwebe, sodass er auf Kopfhöhe bleibt, ohne aufzusteigen oder abzusinken? Es geht aber nicht nur darum, den Ballon ins Gleichgewicht zu bringen, sondern auch eine Methode zu entwickeln, mit der dies schnell mit jedem weiteren Ballon gelingt. Das Team, dessen Ballon als erstes mindestens 5 Sekunden lang perfekt an einer Stelle schwebt, gewinnt.

Vorbereitung

Material (pro Team a 4 Personen):

• 4 Heliumballons mit Schnur
• Verschiedene Gewichte, z. B.:
  • 1-, 2- und 5-Cent-Münzen
  • Büroklammern oder Holzklammern
  • Papier
• Schere und Klebeband

Hier könnt ihr euch die Episode von Take Off anschauen, in der diese Challenge vorkommt:

Challenge Frage:

Wie kann man einen Heliumballon möglichst schnell ins perfekte Gleichgewicht bringen?

Hypothese:

Die Schülerinnen und Schüler bilden Teams aus maximal 4 Personen. Zunächst erhalten sie 3 der 4 Heliumballons und diskutieren verschiedene Ideen, wie sie den Ballon ins Gleichgewicht bringen können.  

Experiment

Anschließend beginnt die Experimentierphase. Alle Teams haben jetzt 15 Minuten (die Dauer kann angepasst werden) und versuchen, ihre Ballons auszubalancieren. Sie befestigen Gewichte an der Schnur und probieren aus, wie sich die verschiedenen Gewichte auswirken und befestigen lassen. Dies sollen sie mehrfach versuchen und eine Methode entwickeln, die besonders schnell ist. Diese Methode sollen sie an mehreren Ballons ausprobieren. 

Wettbewerb: Wer hat die schnellste Methode?

Nach der Testphase bekommt jedes Team einen neuen Ballon. Jetzt geht es um Schnelligkeit: Welches Team bringt seinen Ballon am schnellsten ins Gleichgewicht, sodass er 5 Sekunden lang (auf Kopfhöhe) stabil schwebt?

Lasst die Teams nacheinander starten und messt die Zeit.

Diskussion und Reflexion

Nach dem Wettbewerb diskutieren die Teams:

• Welche Methode war am effektivsten und warum?

Ideale Methode:

Die schweren Gewichte sollten als erstes an der Schnur in der Nähe des Ballons befestigt werden, um den Ballon grob auszubalancieren. Wenn der Ballon so schwer ist, dass er mit den Gewichten auf dem Tisch aufliegt, müssen Gewichte entfernt werden. Den Zustand den man erreichen will ist das der Ballon sich nur mit der Schnur am Tisch abstützt. Schneidet man jetzt die Schur auf der Tischebene ab, müsste der Ballon im perfekten Gleichgewicht sein.

Alltagsbezug: Wie funktioniert das Ausbalancieren von Zeppelinen?

Damit ein Zeppelin in der Luft stabil bleibt, muss er nicht nur aufsteigen und sinken können, sondern auch eine kontrollierte Balance halten. Dies geschieht durch eine Kombination aus Ballaststeuerung und Trimmzellen (Ballonets).

• Ballaststeuerung: Wasser oder andere schwere Materialien können gezielt abgelassen oder aufgenommen werden, um das Gewicht auszugleichen. Dies hilft, die Höhe feinzujustieren und plötzliche Änderungen zu vermeiden.
• Ballonets: Diese mit Luft gefüllten Säcke im Inneren des Zeppelinrumpfes regulieren das Gasvolumen. Durch das Einblasen von Luft in die Ballonets steigt die Dichte des Zeppelins, sodass er sinkt. Lässt man Luft entweichen, kann das Traggas (Helium) sich ausdehnen, wodurch der Zeppelin leichter wird und steigt.
• Neigungskontrolle: Durch gezielte Anpassung der Propellerstellung und Steuerflächen kann der Zeppelin zusätzlich in Balance gehalten und aerodynamisch gesteuert werden.

Diese Mechanismen sorgen dafür, dass der Zeppelin nicht nur stabil schwebt, sondern auch präzise manövrieren kann.
 

Physikalisches Prinzip

Ein Heliumballon steigt in die Luft, weil Helium eine geringere Dichte als die umgebende Luft hat. Der Ballon wird also von der umgebenden Luft in die Höhe gedrückt, ähnlich wie ein Ballon im Wasser auch nach oben steigt.

Die Auftriebskraft eines Heliumballons kann mit dem Archimedischen Prinzip berechnet werden. Die allgemeine Formel lautet:

Vereinfacht: 

Bedeutung der Variablen:

• FA  = Auftriebskraft (in Newton, N)
• ρLuft  = Dichte der Luft (ca. 1,225 kg/m³ bei 20 °C und 1 atm)
• ρHelium = Dichte von Helium (ca. 0,178 kg/m³)
• V = Volumen des Ballons (in m³)
• g = Erdbeschleunigung (9,81 m/s²)

Beispielrechnung für einen 1 m³ großen Heliumballon:

Da 1 Newton etwa 0,102 kg entspricht, könnte ein 1 m3 Ballon also ca. 1,05 kg anheben (einschließlich des Ballons selbst).

Standard Ballon

Ein normaler Luftballon (30 cm Durchmesser) kann  ungefähr 14 Liter Helium enthalten und somit ca. 14 g anheben. Zieht man das Gewicht von Ballon und Schnur ab, kann man Gewichte zwischen 5 und 10 g an einem Ballon befestigen. 

Autor: Joseph Rodesch (FNR)
Editorin: Lucie Zeches (FNR)